强化学习实战——Q-Learing和SASAR悬崖探宝
Stormtrooper minifigure walking on the sand
image source from unsplash.com by Daniel Cheung
之前我们介绍了[Q-learning]https://www.jianshu.com/p/1db893f2c8e4)和S[ASAR算法]https://www.jianshu.com/p/9bbe5aa3924b)的理论，这篇文章就理论结合实际用Q-learning 和SASAR算法指导智能体，完成悬崖探宝任务。
同样的，为了方便与读者交流，所有的代码都放在了这里：
https://github.com/zht007/tensorflow-practice
1. 环境简介
智能体在下图4 *12的格子世界中活动，"x"代表起点和智能体当前的位置，"T"代表终点，"C"代表悬崖，"o"代表其他位置。
o o o o o o o o o o o o
o o o o o o o o o o o o
o o o o o o o o o o o o
x C C C C C C C C C C T
状态(States)：当前位置
奖励(Rewards)：终点为1，悬崖为-100，其他地方为1
行动(Action)：上下左右，四个方向
2. SARSA算法
SARSA全称State–Action–Reward–State–Action，是on-policy的算法，即只有一个策略指挥行动并同时被更新。顾名思义，该算法需要5个数据，当前的 state, reward，action和下一步state和action。两步action和state均由epsilon greedy策略指导。
2.1 定义epsilon greedy的策略
为了保证On-Policy的算法能访问到所有的状态，SARSA所有的行动策略必须是epsilon greedy的，这里定义的epsilon greedy策略与前文中是一样的。
def make_epsilon_greedy_policy(Q, epsilon, nA):
def policy_fn(observation):
A = np.ones(nA, dtype=float) * epsilon / nA
best_action = np.argmax(Q[observation])
A[best_action] += (1.0 - epsilon)
return A
return policy_fn
该部分代码参考github with MIT license
2.2 定义SARSA算法
首先，根据当前策略迈出第一步，获得当前的S和A。
policy = make_epsilon_greedy_policy(Q, epsilon, env.action_space.n)
for i_episode in range(num_episodes):
# First action
state = env.reset()
action_probs = policy(state)
action = np.random.choice(np.arange(len(action_probs)), p=action_probs)
该部分代码参考github with MIT license
然后，进入循环，直到游戏结束(if done: break)。该循环是为了获得当前的R和下一步的S‘，和A‘。并带入公式更新Q(S ,A)，由于策略是通过Q(S, A)生成的，所以更新Q(S,A)的同时，策略也更新了。
while True:
next_state, reward, done, _ = env.step(action)
next_action_probs = policy(next_state)
next_action = np.random.choice(np.arange(len(action_probs)), p=next_action_probs)
Q[state][action] += alpha * (reward + discount_factor * Q[next_state][next_action] - Q[state][action])
if done:
break
state = next_state
action = next_action
return Q
该部分代码参考github with MIT license
将当前S和A替换成下一步S‘和A‘，直到游戏结束，最终得到优化后的Q表。
3. Q-Learning算法
Q-learning 与 SASAR有非常多的相似之处，但是本质上，Q-learning是Off-Policy的算法。也就是说Q-learning有两套Policy，Behavior Policy 和 Target Policy, 一个用于探索另一个用于优化。
与SARSA一样Q-Learning 也需要定义相同的epsilon greedy的策略，这里略过，我们看看算法本身的代码。
policy = make_epsilon_greedy_policy(Q, epsilon, env.action_space.n)
for i_episode in range(num_episodes):
state = env.reset()
while True:
action_probs = policy(state)
action = np.random.choice(np.arange(len(action_probs)), p=action_probs)
next_state, reward, done, _ = env.step(action)
best_action = np.argmax(Q[state])
Q[state][action] += alpha * (reward + discount_factor * Q[next_state][best_action] - Q[state][action])
if done:
break
state = next_state
return Q
该部分代码参考github with MIT license
该算法与SARSA的区别是，Q-Learning在行动的时候采用epsilon greedy的策略(Behavior Policy)，但是在更新 Target Policy 的Q(S,A)时候，采用的是greedy的策略，即下一步的最大回报(best_action = np.argmax(Q[state]))
4. 总结
上文介绍的SASAR和Q-learning都属于单步Temporal Difference (时间差分TD(0))算法，其通用的更新公式为
其中 td_target - Q[s,a] 部分又叫做 TD Error.
SARSA算法:
Q-learning:
关于两个算法的对比，我们可以看看两者最终的行动轨迹，首先定义渲染函数
def render_evn(Q):
state = env.reset()
while True:
next_state, reward, done, _ = env.step(np.argmax(Q[state]))
env.render()
if done:
break
state = next_state
SARSA算法
Q1, stats1 = sarsa(env, 500)
render_evn(Q1)
----output---
x x x x x x x x x x x x
x o o o o o o o o o o x
x o o o o o o o o o o x
x C C C C C C C C C C T
Q-learing
Q1, stats1 = sarsa(env, 500)
render_evn(Q1)
----output---
o o o o o o o o o o o o
o o o o o o o o o o o o
x x x x x x x x x x x x
x C C C C C C C C C C T
可以看出Q-learning得到的policy是沿着悬崖的最短(最佳)路径，获得的奖励最多，然而这样做却十分危险，因为在行动中由于采用的epsilon greedy的策略，有一定的几率掉进悬崖。SARSA算法由于是On-policy的在更新的时候意识到了掉进悬崖的危险，所以它选择了一条更加安全的路径，即多走两步，绕开悬崖。
参考资料
[1] Reinforcement Learning: An Introduction (2nd Edition)
[2] David Silver's Reinforcement Learning Course (UCL, 2015)
[3] Github repo: Reinforcement Learning
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