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简介

在学习强化学习算法：sarsa、dqn、ddqn、qac、a2c、trpo、ppo时，由于有大量数据公式的推导，觉得十分晦涩，且听过就忘记了。
但是当把算法应用于实战时，代码的实现要比数据推导要直观很多。
接下来通过不同的算法实现gym中的CartPole-v1游戏。

游戏介绍

CartPole（推车倒立摆） 是强化学习中经典的基准测试任务，因为其直观可视、方便调试、状态和动作空间小等特性，常用于入门教学和算法验证。它的目标是训练一个智能体（agent）通过左右移动小车，使车顶的杆子尽可能长时间保持竖直不倒。

• 环境：小车（cart）可以在水平轨道上左右移动，顶部通过关节连接一根自由摆动的杆子（pole）。
• 目标：通过左右移动小车，使杆子的倾斜角度不超出阈值（±12°或±15°），同时小车不超出轨道范围（如轨道长度的±2.4单位）。简单理解为，就是杆子不会倒下里，小车不会飞出屏幕。
• 状态：状态空间包含4个连续变量，分别是小车位置（x），小车速度（v），杆子角度（θ），杆子角速度（ω）
• 动作：动作空间只有2个离线动作，分别是0（向左移动）或1（向右移动）
  奖励机制：每成功保持杆子不倒+1分，目前是让奖励最大化，即杆子永远不倒

DQN&DDQN&Dueling DQN

DQN

构建价值网络

DQN需要一个价值网络和目标网络，用来评估执行的动作得到的动作价值。这两个网络使用的是同一个网络结构，通常使用神经网络来实现。
输入的维度是状态空间的4个变量，分别是小车位置（x），小车速度（v），杆子角度（θ），杆子角速度（ω）。输出的维度是动作空间的维度，分别表示向左、向右移动的动作价值。
代码如下：

class QNetWork(nn.Module):def __init__(self, state_dim, action_dim):super().__init__()self.fc = nn.Sequential(nn.Linear(state_dim, 64),nn.ReLU(),nn.Linear(64, 64),nn.ReLU(),nn.Linear(64, action_dim))def forward(self,x):return self.fc(x)

构建DQN智能体

DQN智能体具备如下功能：

1. 选择动作
2. 存储经验
3. 训练上面的神经网络：目的是返回给定状态下尽可能接近真实的动作价值
4. 模型保存
5. 评估价值网络

初始化参数

初始化q网络、目标网络、设置优化器、设置经验回放使用的缓存大小、训练的batch_size
dqn的折扣因子、探索率、更新目标网络的频率、智能体步数计数器初始化、记录最佳网络分数值参数初始化、评估轮数设置

    def __init__(self,state_dim, action_dim):# 神经网络网络相关self.q_net = QNetWork(state_dim,action_dim)self.target_net = QNetWork(state_dim,action_dim)self.target_net.load_state_dict(self.q_net.state_dict())self.optimizer = optim.Adam(self.q_net.parameters(), lr=1e-3)self.replay_buffer = deque(maxlen=10000)self.batch_size = 64# DQN相关self.gamma = 0.99self.epsilon = 0.1self.update_target_freq = 100self.step_count=0self.best_avg_reward = 0self.eval_episodes=5

动作选择

在DQN算法中，会采用epsilon参数来增加智能体选择动作的探索性，因此，动作选择的代码逻辑为：

• 以epsilon的概率随机选择一个动作
• 以1-epsilon的概率来选择价值网络返回结果中动作价值更大的动作

    def choose_action(self, state):if np.random.rand() < self.epsilon:return np.random.randint(0,2) //随机选择动作else:state_tensor = torch.FloatTensor(state)q_values = self.q_net(state_tensor) //调用价值网络选择动作return q_values.cpu().detach().numpy().argmax()

存储经验

DQN中，使用经验回放，那么我们需要预留缓冲区来存放历史的轨迹数据，方便后续取出用来训练网络
存储当前的状态、选择的动作、获得的奖励、下一个状态、游戏是否结束（即杆子是不是倒下）

    def store_experience(self,state, action, reward, next_state, done):self.replay_buffer.append((state, action, reward, next_state, done))

训练神经网络⭐️

最终要的部分，不同的算法，基本上也就是这一部分存在差异。
代码流程如下：

1. 缓冲区中采样一个batch的数据
2. 计算当前q值和目标q值（不同的dqn算法，主要是这两步计算的方式不同）
3. 计算损失，除了后面ppo需要自己构造损失函数，其他的基本都是用MSELoss，也就是当前q值和目标q值的平方差，
4. 梯度下降&更新网络，这两部都有现成的库来完成，基本上也是固定代码，

    def train(self):# 判断是否有足够经验用例用来学习if len(self.replay_buffer) < self.batch_size:return# 从缓冲区随机采样batch = random.sample(self.replay_buffer, self.batch_size)states, actions, rewards, next_states, dones = zip(*batch)states = torch.FloatTensor(np.array(states))actions = torch.LongTensor(actions)rewards = torch.FloatTensor(rewards)next_states = torch.FloatTensor(np.array(next_states))dones = torch.FloatTensor(dones)# 计算当前q值，输入当前状态至q网络获得所有q值，使用历史经验中选择的动作的q值作为当前q值current_q = self.q_net(states).gather(1, actions.unsqueeze(1)).squeeze()# 计算目标q值with torch.no_grad():# 使用目标网络计算下一个状态的所有q值，直接选择最大的q值作为下一状态的q值# 这里其实隐含着两个步骤：使用目标网络选择动作+计算下一状态q值next_q = self.target_net(next_states).max(1)[0]# 计算目标q值，1-dones表示当前状态执行动作后如果杆子倒了，那么为1-dones=0，否则为1target_q = rewards + self.gamma * next_q * (1 - dones)# 计算损失、梯度下降、网络更新loss = nn.MSELoss()(current_q,target_q)self.optimizer.zero_grad()loss.backward()self.optimizer.step()# 计算步数，每隔一定步数更新目标网络self.step_count += 1if self.step_count % self.update_target_freq == 0:self.target_net.load_state_dict({k: v.clone() for k, v in self.q_net.state_dict().items()})

保存模型

    def save_model(self,path="./output/best_model_bak.pth"):torch.save(self.q_net.state_dict(),path)print(f"Model saved to {path}")

评估模型

这一步用来评估当前网络的好坏，我们评估得分更高的网络进行保存。
评估的逻辑如下：

1. 从初始状态开始，使用我们训练的q网络选择动作控制杆子
2. 累加轨迹下每个步骤获得的reward作为当前网络的得分
3. 一直到杆子倒下（说明网络效果不够好）
4. 或者分数足够高（说明网络可以控制杆子很长时间保持平衡，网络效果效果很好），再跳出循环
5. 评估一定轮数后，取分数均值作为评估结果，分数越高越好

代码如下：

    def evaluate(self, env):# 入参是游戏环境，需要一个新的环境进行评估# 由于模型评估不需要随机探索，因此记录当前的epsilon，并设置智能体epsilon=0origin_epsilon = self.epsilonself.epsilon = 0total_rewards = []# self.eval_episodes表示评估的轮数for _ in range(self.eval_episodes):state = env.reset()[0]episode_reward = 0while True:# 使用智能体选择动作action = self.choose_action(state)# 与环境交互next_state, reward, done, _, _ = env.step(action)# 得到reward和下一状态episode_reward += rewardstate = next_state# 判断杆子是否倒下、分数是否足够高if done or episode_reward>2e4:breaktotal_rewards.append(episode_reward)# 网络需要回到评估前的状态继续训练，因此恢复epsilon的值self.epsilon = origin_epsilon# 返回平均分数return np.mean(total_rewards)

主流程

1. 初始化游戏环境：游戏环境用于选择动作后交互，并获取reward和下一状态，初始化后获得初始状态
2. 初始化智能体：构建智能体对象，设置epsilon=1，因为初始q网络效果不好，所以设置很大的epsilon让智能体自由探索环境，设置训练的episode数目
3. 对于每个episode：
   • 对于episode中的每一步
     • 使用智能体选择动作
     • 与环境交互，并获得下一状态next_state，该动作的奖励值reward，杆子是否倒下done，存储本次经验
     • 智能体训练
   • 当一个episode结束后，更新一次epsilon参数，使epsilon慢慢衰减，这是因为随着训练，q网络效果变好，这时我们开始慢慢相信q网络给我们做出的选择
   • 每10个episode我们对q网络做一次评估，存储最佳的q网络

代码如下：

if __name__ == '__main__':env = gym.make('CartPole-v1')state_dim = env.observation_space.shape[0]action_dim = env.action_space.nagent = DQNAgent(state_dim, action_dim)config = {"episode": 600,"epsilon_start": 1.0,"epsilon_end": 0.01,"epsilon_decay": 0.995,}agent.epsilon = config["epsilon_start"]for episode in range(config["episode"]):state = env.reset()[0]total_reward = 0while True:action = agent.choose_action(state)next_state, reward, done, _, _ = env.step(action)agent.store_experience(state, action, reward, next_state, done)agent.train()total_reward += rewardstate=next_stateif done or total_reward > 2e4:breakagent.epsilon = max(config["epsilon_end"],agent.epsilon*config["epsilon_decay"])if episode % 10 == 0:eval_env = gym.make('CartPole-v1')avg_reward = agent.evaluate(eval_env)eval_env.close()if avg_reward > agent.best_avg_reward:agent.best_avg_reward = avg_rewardagent.save_model(path=f"output/best_model.pth")print(f"new best model saved with average reward: {avg_reward}")print(f"Episode: {episode},Train Reward: {total_reward},Best Eval Avg Reward: {agent.best_avg_reward}")

DDQN

DDQN与DQN的区别是：

• DQN使用目标网络选择动作并计算q值
• DDQN使用主网络（q_net)选择动作，使用目标网络计算q值

因此DDQN和DQN的代码区别仅有一行代码：

        # DQNcurrent_q = self.q_net(states).gather(1, actions.unsqueeze(1)).squeeze()with torch.no_grad():# 根据目标网络计算出来的所有Q值，选择了Q值最大的动作next_q = self.target_net(next_states).max(1)[0]target_q = rewards + self.gamma * next_q * (1 - dones)# DDQNcurrent_q = self.q_net(states).gather(1, actions.unsqueeze(1)).squeeze()with torch.no_grad():# 使用主网络选择下一状态要执行的动作next_actions = torch.LongTensor(torch.argmax(self.q_net(next_states),dim=1))# 使用目标网络计算执行这个动作后的q值next_q=self.target_net(next_states).gather(1,next_actions.unsqueeze(1)).squeeze()target_q = rewards + self.gamma * next_q * (1 - dones)

Dueling DQN

Dueling DQN与DQN的区别主要是神经网络结构不同

1. DQN简单的神经网络，输入状态，输出不同动作的价值
2. Dueling DQN的网络内有两个分支
   • 价值流：记录当前状态的状态价值，为标量
   • 优势流：表示该动作的优势，与动作价值的作用相同，都是评估动作的好坏，是一个动作维度的响亮

直接看代码，Dueling DQN的网络结构如下：

class QNetwork(nn.Module):def __init__(self, state_dim, action_dim):super(QNetwork, self).__init__()self.feature = nn.Sequential(nn.Linear(state_dim, 128),nn.ReLU())self.advantage = nn.Sequential(nn.Linear(128, 128),nn.ReLU(),nn.Linear(128, action_dim))self.value = nn.Sequential(nn.Linear(128, 128),nn.ReLU(),nn.Linear(128, 1))def forward(self, x):x = self.feature(x)# 优势流advantage = self.advantage(x)# 价值流value = self.value(x)# advantage - advantage.mean()消除优势函数基线影响return value + advantage - advantage.mean()