强化学习之路3——Sarsa(lambda)算法

Sarsa(lambda)算法

知识点

最近在学强化学习,看了不少的教程,还是觉得莫烦大神的强化学习教程写的不错。所以,特意仔细研究莫烦的RL代码。在这贴上自己的理解。

莫烦RL教程:https://morvanzhou.github.io/tutorials/machine-learning/reinforcement-learning/

代码:https://github.com/MorvanZhou/Reinforcement-learning-with-tensorflow/tree/master/contents

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其实 lambda 就是一个衰变值, 他可以让你知道离奖励越远的步可能并不是让你最快拿到奖励的步, 所以我们想象我们站在宝藏的位置, 回头看看我们走过的寻宝之路, 离宝藏越近的脚印越看得清, 远处的脚印太渺小, 我们都很难看清, 那我们就索性记下离宝藏越近的脚印越重要, 越需要被好好的更新. 和之前我们提到过的 奖励衰减值 gamma 一样, lambda 是脚步衰减值, 都是一个在 0 和 1 之间的数.

下面是Sarsa(lambda)算法的伪代码:


Sarsa(lambda)算法伪代码

2.迷宫游戏——Sarsa(lambda)算法

import numpy as np
import pandas as pd


class RL(object):
    def __init__(self, action_space, learning_rate=0.01, reward_decay=0.9, e_greedy=0.9):
        self.actions = action_space  # a list
        self.lr = learning_rate
        self.gamma = reward_decay
        self.epsilon = e_greedy

        self.q_table = pd.DataFrame(columns=self.actions, dtype=np.float64)

    def check_state_exist(self, state):
        if state not in self.q_table.index:
            # append new state to q table
            self.q_table = self.q_table.append(
                pd.Series(
                    [0]*len(self.actions),
                    index=self.q_table.columns,
                    name=state,
                )
            )

    def choose_action(self, observation):
        self.check_state_exist(observation)
        # action selection
        if np.random.rand() < self.epsilon:
            # choose best action
            state_action = self.q_table.loc[observation, :]
            # some actions may have the same value, randomly choose on in these actions
            action = np.random.choice(state_action[state_action == np.max(state_action)].index)
        else:
            # choose random action
            action = np.random.choice(self.actions)
        return action

    def learn(self, *args):
        pass


# backward eligibility traces
class SarsaLambdaTable(RL):
    def __init__(self, actions, learning_rate=0.01, reward_decay=0.9, e_greedy=0.9, trace_decay=0.9):
        # 继承RL父类
        super(SarsaLambdaTable, self).__init__(actions, learning_rate, reward_decay, e_greedy)

        # backward view, eligibility trace.
        self.lambda_ = trace_decay
        self.eligibility_trace = self.q_table.copy()    # 记录回合的每一步
    # 检查State是否存在于Q表
    def check_state_exist(self, state):
        if state not in self.q_table.index:
            # 添加新的状态到Q表
            to_be_append = pd.Series(
                    [0] * len(self.actions),
                    index=self.q_table.columns,
                    name=state,
                )
            self.q_table = self.q_table.append(to_be_append)

            # 同时将State更新到eligibility_trace
            self.eligibility_trace = self.eligibility_trace.append(to_be_append)

    def learn(self, s, a, r, s_, a_):
        self.check_state_exist(s_)
        q_predict = self.q_table.loc[s, a]
        if s_ != 'terminal':
            q_target = r + self.gamma * self.q_table.loc[s_, a_]  # next state is not terminal
        else:
            q_target = r  # next state is terminal
        error = q_target - q_predict

        # increase trace amount for visited state-action pair

        # Method 1: 对于经历过的 state-action, 让他+1, 证明他是得到 reward 路途中不可或缺的一环
        # self.eligibility_trace.loc[s, a] += 1

        # Method 2:对于最近经历过的一次 (s,a1), 让他+1, (s,a0)置0,之前经历的乘一个衰减
        # 其实Method 2相当于对Method 1进行了数值为1的限幅
        self.eligibility_trace.loc[s, :] *= 0
        self.eligibility_trace.loc[s, a] = 1

        # 更新Q表
        self.q_table += self.lr * error * self.eligibility_trace

        # 更新eligibility_trace
        self.eligibility_trace *= self.gamma*self.lambda_

Method 1和Method 2的不同之处可以用这张图来概括:


Method 1和Method 2区别

这是针对于一个 state-action 值按经历次数的变化. 最上面是经历 state-action 的时间点, 第二张图是使用这种方式所带来的 “不可或缺性值”:

self.eligibility_trace.ix[s, a] += 1

下面图是使用这种方法带来的 “不可或缺性值”:

self.eligibility_trace.ix[s, :] *= 0; self.eligibility_trace.ix[s, a] = 1

实验证明选择下面这种方法会有更好的效果. 大家也可以自己玩一玩, 试试两种方法的不同表现.

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