大家好，今天和各位分享一下深度确定性策略梯度算法 (Deterministic Policy Gradient，DDPG)。并基于 OpenAI 的 gym 环境完成一个小游戏。完整代码在我的 GitHub 中获得：
https://github.com/LiSir-HIT/Reinforcement-Learning/tree/main/Model
1. 基本原理
深度确定性策略梯度算法是结合确定性策略梯度算法的思想，对 DQN 的一种改进，是一种无模型的深度强化学习算法。
DDPG 算法使用演员-评论家（Actor-Critic）算法作为其基本框架，采用深度神经网络作为策略网络和动作值函数的近似，使用随机梯度法训练策略网络和价值网络模型中的参数。DDPG 算法的原理如下图所示。
DDPG 算法架构中使用双重神经网络架构，对于策略函数和价值函数均使用双重神经网络模型架构（即 Online 网络和 Target 网络），使得算法的学习过程更加稳定，收敛的速度加快。同时该算法引入经验回放机制，Actor 与环境交互生产生的经验数据样本存储到经验池中，抽取批量数据样本进行训练，即类似于 DQN 的经验回放机制，去除样本的相关性和依赖性，使得算法更加容易收敛。
2. 公式推导
为了便于大家理解 DDPG 的推导过程，算法框架如下图所示：
DDPG 共包含 4 个神经网络，用于对 Q 值函数和策略的近似表示。Critic 目标网络用于近似估计下一时刻的状态-动作的 Q 值函数 
，其中，下一动作值是通过 Actor 目标网络近似估计得到的 
。于是可以得到当前状态下 Q 值函数的目标值：
Critic 训练网络输出当前时刻状态-动作的 Q 值函数 
，用于对当前策略评价。为了增加智能体在环境中的探索，DDPG 在行为策略上添加了高斯噪声函数。Critic 网络的目标定义为：
通过最小化损失值（均方误差损失）来更新 Critic 网络的参数，Critic 网络更新时的损失函数为：
其中，
，
代表行为策略上的探索噪声。
Actor 目标网络用于提供下一个状态的策略，Actor 训练网络则是提供当前状态的策略，结合 Critic 训练网络的 Q 值函数可以得到 Actor 在参数更新时的策略梯度：
对于目标网络参数 
和 
的更新，DDPG 通过软更新机制（每次 learn 的时候更新部分参数）保证参数可以缓慢更新，从而提高学习的稳定性：
DDPG 中既有基于价值函数的方法特征，也有基于策略的方法特征，使深度强化学习可以处理连续动作，并且具有一定的探索能力。
算法流程图如下：
3. 代码实现
DDPG 的伪代码如下：
模型代码如下：
import torchfrom torch import nnfrom torch.nn import functional as Fimport numpy as npimport collectionsimport random# ------------------------------------- ## 经验回放池# ------------------------------------- #class ReplayBuffer: def __init__(self, capacity): # 经验池的最大容量 # 创建一个队列，先进先出 self.buffer = collections.deque(maxlen=capacity) # 在队列中添加数据 def add(self, state, action, reward, next_state, done): # 以list类型保存 self.buffer.append((state, action, reward, next_state, done)) # 在队列中随机取样batch_size组数据 def sample(self, batch_size): transitions = random.sample(self.buffer, batch_size) # 将数据集拆分开来 state, action, reward, next_state, done = zip(*transitions) return np.array(state), action, reward, np.array(next_state), done # 测量当前时刻的队列长度 def size(self): return len(self.buffer)# ------------------------------------- ## 策略网络# ------------------------------------- #class PolicyNet(nn.Module): def __init__(self, n_states, n_hiddens, n_actions, action_bound): super(PolicyNet, self).__init__() # 环境可以接受的动作最大值 self.action_bound = action_bound # 只包含一个隐含层 self.fc1 = nn.Linear(n_states, n_hiddens) self.fc2 = nn.Linear(n_hiddens, n_actions) # 前向传播 def forward(self, x): x = self.fc1(x) # [b,n_states]-->[b,n_hiddens] x = F.relu(x) x = self.fc2(x) # [b,n_hiddens]-->[b,n_actions] x= torch.tanh(x) # 将数值调整到 [-1,1] x = x * self.action_bound # 缩放到 [-action_bound, action_bound] return x# ------------------------------------- ## 价值网络# ------------------------------------- #class QValueNet(nn.Module): def __init__(self, n_states, n_hiddens, n_actions): super(QValueNet, self).__init__() # self.fc1 = nn.Linear(n_states + n_actions, n_hiddens) self.fc2 = nn.Linear(n_hiddens, n_hiddens) self.fc3 = nn.Linear(n_hiddens, 1) # 前向传播 def forward(self, x, a): # 拼接状态和动作 cat = torch.cat([x, a], dim=1) # [b, n_states + n_actions] x = self.fc1(cat) # -->[b, n_hiddens] x = F.relu(x) x = self.fc2(x) # -->[b, n_hiddens] x = F.relu(x) x = self.fc3(x) # -->[b, 1] return x# ------------------------------------- ## 算法主体# ------------------------------------- #class DDPG: def __init__(self, n_states, n_hiddens, n_actions, action_bound, sigma, actor_lr, critic_lr, tau, gamma, device): # 策略网络--训练 self.actor = PolicyNet(n_states, n_hiddens, n_actions, action_bound).to(device) # 价值网络--训练 self.critic = QValueNet(n_states, n_hiddens, n_actions).to(device) # 策略网络--目标 self.target_actor = PolicyNet(n_states, n_hiddens, n_actions, action_bound).to(device) # 价值网络--目标 self.target_critic = QValueNet(n_states, n_hiddens, n_actions).to(device ) # 初始化价值网络的参数，两个价值网络的参数相同 self.target_critic.load_state_dict(self.critic.state_dict()) # 初始化策略网络的参数，两个策略网络的参数相同 self.target_actor.load_state_dict(self.actor.state_dict()) # 策略网络的优化器 self.actor_optimizer = torch.optim.Adam(self.actor.parameters(), lr=actor_lr) # 价值网络的优化器 self.critic_optimizer = torch.optim.Adam(self.critic.parameters(), lr=critic_lr) # 属性分配 self.gamma = gamma # 折扣因子 self.sigma = sigma # 高斯噪声的标准差，均值设为0 self.tau = tau # 目标网络的软更新参数 self.n_actions = n_actions self.device = device # 动作选择 def take_action(self, state): # 维度变换 list[n_states]-->tensor[1,n_states]-->gpu state = torch.tensor(state, dtype=torch.float).view(1,-1).to(self.device) # 策略网络计算出当前状态下的动作价值 [1,n_states]-->[1,1]-->int action = self.actor(state).item() # 给动作添加噪声，增加搜索 action = action + self.sigma * np.random.randn(self.n_actions) return action # 软更新, 意思是每次learn的时候更新部分参数 def soft_update(self, net, target_net): # 获取训练网络和目标网络需要更新的参数 for param_target, param in zip(target_net.parameters(), net.parameters()): # 训练网络的参数更新要综合考虑目标网络和训练网络 param_target.data.copy_(param_target.data*(1-self.tau) + param.data*self.tau) # 训练 def update(self, transition_dict): # 从训练集中取出数据 states = torch.tensor(transition_dict['states'], dtype=torch.float).to(self.device) # [b,n_states] actions = torch.tensor(transition_dict['actions'], dtype=torch.float).view(-1,1).to(self.device) # [b,1] rewards = torch.tensor(transition_dict['rewards'], dtype=torch.float).view(-1,1).to(self.device) # [b,1] next_states = torch.tensor(transition_dict['next_states'], dtype=torch.float).to(self.device) # [b,next_states] dones = torch.tensor(transition_dict['dones'], dtype=torch.float).view(-1,1).to(self.device) # [b,1] # 价值目标网络获取下一时刻的动作[b,n_states]-->[b,n_actors] next_q_values = self.target_actor(next_states) # 策略目标网络获取下一时刻状态选出的动作价值 [b,n_states+n_actions]-->[b,1] next_q_values = self.target_critic(next_states, next_q_values) # 当前时刻的动作价值的目标值 [b,1] q_targets = rewards + self.gamma * next_q_values * (1-dones) # 当前时刻动作价值的预测值 [b,n_states+n_actions]-->[b,1] q_values = self.critic(states, actions) # 预测值和目标值之间的均方差损失 critic_loss = torch.mean(F.mse_loss(q_values, q_targets)) # 价值网络梯度 self.critic_optimizer.zero_grad() critic_loss.backward() self.critic_optimizer.step() # 当前状态的每个动作的价值 [b, n_actions] actor_q_values = self.actor(states) # 当前状态选出的动作价值 [b,1] score = self.critic(states, actor_q_values) # 计算损失 actor_loss = -torch.mean(score) # 策略网络梯度 self.actor_optimizer.zero_grad() actor_loss.backward() self.actor_optimizer.step() # 软更新策略网络的参数 self.soft_update(self.actor, self.target_actor) # 软更新价值网络的参数 self.soft_update(self.critic, self.target_critic)4. 案例演示
基于 OpenAI 的 gym 环境完成一个推车游戏，目标是将小车推到山顶旗子处。动作维度为1，属于连续值；状态维度为 2，分别是 x 坐标和小车速度。
代码如下：
import numpy as npimport torchimport matplotlib.pyplot as pltimport gymfrom parsers import argsfrom RL_brain import ReplayBuffer, DDPGdevice = torch.device('cuda') if torch.cuda.is_available() else torch.device('cpu')# -------------------------------------- ## 环境加载# -------------------------------------- #env_name = "MountainCarContinuous-v0" # 连续型动作env = gym.make(env_name, render_mode="human")n_states = env.observation_space.shape[0] # 状态数 2n_actions = env.action_space.shape[0] # 动作数 1action_bound = env.action_space.high[0] # 动作的最大值 1.0# -------------------------------------- ## 模型构建# -------------------------------------- ## 经验回放池实例化replay_buffer = ReplayBuffer(capacity=args.buffer_size)# 模型实例化agent = DDPG(n_states = n_states, # 状态数 n_hiddens = args.n_hiddens, # 隐含层数 n_actions = n_actions, # 动作数 action_bound = action_bound, # 动作最大值 sigma = args.sigma, # 高斯噪声 actor_lr = args.actor_lr, # 策略网络学习率 critic_lr = args.critic_lr, # 价值网络学习率 tau = args.tau, # 软更新系数 gamma = args.gamma, # 折扣因子 device = device )# -------------------------------------- ## 模型训练# -------------------------------------- #return_list = [] # 记录每个回合的returnmean_return_list = [] # 记录每个回合的return均值for i in range(10): # 迭代10回合 episode_return = 0 # 累计每条链上的reward state = env.reset()[0] # 初始时的状态 done = False # 回合结束标记 while not done: # 获取当前状态对应的动作 action = agent.take_action(state) # 环境更新 next_state, reward, done, _, _ = env.step(action) # 更新经验回放池 replay_buffer.add(state, action, reward, next_state, done) # 状态更新 state = next_state # 累计每一步的reward episode_return += reward # 如果经验池超过容量，开始训练 if replay_buffer.size() > args.min_size: # 经验池随机采样batch_size组 s, a, r, ns, d = replay_buffer.sample(args.batch_size) # 构造数据集 transition_dict = { 'states': s, 'actions': a, 'rewards': r, 'next_states': ns, 'dones': d, } # 模型训练 agent.update(transition_dict) # 保存每一个回合的回报 return_list.append(episode_return) mean_return_list.append(np.mean(return_list[-10:])) # 平滑 # 打印回合信息 print(f'iter:{i}, return:{episode_return}, mean_return:{np.mean(return_list[-10:])}')# 关闭动画窗格env.close()# -------------------------------------- ## 绘图# -------------------------------------- #x_range = list(range(len(return_list)))plt.subplot(121)plt.plot(x_range, return_list) # 每个回合returnplt.xlabel('episode')plt.ylabel('return')plt.subplot(122)plt.plot(x_range, mean_return_list) # 每回合return均值plt.xlabel('episode')plt.ylabel('mean_return')
