强化学习—— SARSA 和 SARSA lambda 玩 Mo

landscape photography of road between mountains

Image from unsplash.com by Jonatan Pie

上一篇文章我们介绍了用 Q-learning 的算法完成了小车爬坡上山的游戏，这篇文章我们来讲讲如何用 SARSA 算法完成同样挑战。

1. Q-Learning 和 SARSA 异同

Q - Learning 和 SARSA 有很多相似之处，他们均属于单步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:

不同之处在于，SARSA 是On-policy 的算法，即只有一个策略指挥行动并同时被更新。Q - Learning 是 Off-Policy 的算法， 探索的时候采用max 的策略来更新Policy(Q表)，但行动的时候未必会走 max 奖励的那条路 (epsilon-greedy 策略)。

由于两者的相似度很高，在代码中仅需要小小的改动即可实现 SARSA 算法。

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

3. SARSA 算法实现

Q表的建立，帮助函数等都与Q-Learning 一模一样，这里就不赘述了。仅仅在训练阶段有所不同。

首先，在初始化环境(state = env.reset()) 的同时，需要初始化 action (action = take_epilon_greedy_action(state, epsilon))

其次，获取 next_action (next_action = take_epilon_greedy_action(next_state, epsilon))

然后，依据前面的公式， td_target 中的 max 部分由下一个状态的 q[next_sate, next_action] 替换。

最后，action = next_action 将本循环中的 next_action 带入到下一个循环中

完整核心代码如下

for episode in range(EPISODES):

    state = env.reset()
    action = take_epilon_greedy_action(state, epsilon)
    
    done = False
    while not done:

        next_state, reward, done, _ = env.step(action)

        ep_reward += reward
        
        next_action = take_epilon_greedy_action(next_state, epsilon)

        if not done:

            td_target = reward + DISCOUNT * q_table[get_discrete_state(next_state)][next_action]

            q_table[get_discrete_state(state)][action] += LEARNING_RATE * (td_target - q_table[get_discrete_state(state)][action])

        elif next_state[0] >= 0.5:
            q_table[get_discrete_state(state)][action] = 0


        state = next_state
        action = next_action

Code from Github Repo with MIT license

4. SARSA lambda 算法

Q learning 和 SARSA 都是单步更新(TD(0))的算法。单步跟新的算法缺点就是在没有到达目标之前的那些『原地打转』的行动也被记录在案，每走一步，脚下的Q-表也被更新了，虽然这些行动是毫无意义的。

SARSA Lambda(λ)， 即引入 λ 这个衰减系数，来解决这个问题。与γ用来衰减未来预期Q的值一样，λ是当智能体获得到达目标之后，在更新Q表的时候，给机器人一个回头看之前走过的路程的机会。相当于，机器人每走一步就会在地上插一杆旗子，然后机器人每走一步旗子就会变小一点。

于是我们需要另一个表，来记录每一个 state 的查旗子的状态(大小)，这就需要一个与Q-表相同的eligibility trace 表 (E表)。

LAMBDA = 0.95

e_trace = np.zeros((DISCRETE_OS_SIZE + [env.action_space.n]))

与Q learning 和 SARSA 智能体每走一步仅更新脚下的Q表 (当前状态的Q(S, A))不同，SARSA lambda 每走一步，整个Q 表(和 E 表)都会被更新。完整算法如下：

image-20190708124040344

Image from [1] by Sutton R.S.

首先，每一个回合均需要将 eligibility trace 表初始化为0。

其次，用 delta 来表示下一个状态的Q值和当前状态Q值的差值，并在当前状态"插旗"(E(S,A) += 1)。

最后，更新Q表和E表。

完整核心代码如下：

for episode in range(EPISODES):

    state = env.reset()
    action = take_epilon_greedy_action(state, epsilon)
    
#   reset e_trace IMPORTANT
    e_trace = np.zeros(DISCRETE_OS_SIZE + [env.action_space.n])
    
    done = False
    while not done:

        next_state, reward, done, _ = env.step(action)

        ep_reward += reward
        
        next_action = take_epilon_greedy_action(next_state, epsilon)

        if not done:
            
            delta = reward + DISCOUNT * q_table[get_discrete_state(next_state)][next_action] - q_table[get_discrete_state(state)][action]

            e_trace[get_discrete_state(state)][action] += 1
            
            q_table += LEARNING_RATE * delta * e_trace
            
            e_trace = DISCOUNT * LAMBDA * e_trace
            
        elif next_state[0] >= 0.5:
            q_table[get_discrete_state(state)][action] = 0


        state = next_state
        action = next_action

    # Decaying is being done every episode if episode number is within decaying range
    if END_EPSILON_DECAYING >= episode >= START_EPSILON_DECAYING:
        epsilon -= epsilon_decay_value

Code from Github Repo with MIT license

4. Q-Learning, SARSA, SARSA lambda 对比

为了方便对比，我们将初始Q表的值均设置为0，表的长度均为20，跑10,000个回合, 每200个回合计算一下最小，平均和最大奖励。结果如下图所示：

episodes vs rewards

可以看出，三个算法均在4000 个回合开始 Converge。 但是由于是 Off - Policy 的算法，Q-learning 在最小奖励的表现不如SARSA算法，说明Q-learning 的智能体，更加大胆，勇于探索最大化奖励，SARSA 算法表现得更加谨慎，时刻遵守Policy的指导，平均奖励优于Q-learning.

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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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