python 人工智能 【深度强化学习】(4) Actor-Critic 模型解析，附Pytorch完整代码

大家好，今天和各位分享一下深度强化学习中的 Actor-Critic 演员评论家算法，Actor-Critic 算法是一种综合了策略迭代和价值迭代的集成算法。我将使用该模型结合 OpenAI 中的 Gym 环境完成一个小游戏，完整代码可以从我的 GitHub 中获得：

https://github.com/LiSir-HIT/Reinforcement-Learning/tree/main/Model

1. 算法原理

根据 agent 选择动作方法的不同，可以把强化学习方法分为三大类：行动者方法(Actor-only)，评论家方法(Critic-only)，行动者评论家方法(Actor-critic)。

行动者方法中不会对值函数进行估计，直接按照当前策略和环境进行交互。通过交互后得到的立即奖赏值直接优化当前策略。例如：Policy Gradients

评论家方法没有需要维护的策略，评论家方法的策略是直接通过当前的值函数获得的，并通过值函数获得的策略与环境交互。交互得到的立即奖赏值用来优化当前值函数。例如：DQN

行动者评论家方法是由行动者和评论家两个部分构成。行动者用于选择动作，评论家评论选择动作的好坏。行动者选择动作的方法不是依据当前的值函数，而是依据存储的策略。评论家的评论一般采用时间差分误差的形式，时间差分误差是根据当前的值函数计算获得的。时间差分误差是是评论家的唯一输出，并且驱动了行动者和评论家之间的所有学习。

2. 公式推导

根据策略梯度算法的定义，策略优化目标函数如下：

令 ，，称  为优势函数。采用 n 步时序差分法求解时， 可以表示如下：

当 n 为一个完整的状态序列大小时，该算法与蒙特卡洛算法等价。

Actor-Critic 算法一共分为两个部分，Critic 和 Actor 网络。

Critic 是评判网络，当输入为环境状态时，它可以评估当前状态的价值，当输入为环境状态和采取的动作时，它可以评估当前状态下采取该动作的价值。

Actor 为策略网络，以当前的状态作为输入，输出为动作的概率分布或者连续动作值，再由 Critic 网络来评价该动作的好坏从而调整策略。Actor-Critic算法将动作价值评估和策略更新过程分开，Actor 可以对当前环境进行充分探索并缓慢进行策略更新，Critic 只需要负责评价策略的好坏，所以这种集成算法有相对较好的性能。

Critic 网络的输入一般有两种形式，（1）如果输入为状态，则该评价网络的作用为评价当前状态价值；（2）如果输入为状态和动作，则该评价网络的作用为评价当前状态的动作价值。

如果评价网络 Critic 为状态价值 state value 的评价网络，输入为状态。Critic 网络的损失函数计算公式采用均方误差损失函数，即 TD 误差值的累计平方值的均值，表达式如下：

Actor 网络的优化目标可以如下：

其中， 代表最优策略，由于该公式表达的含义为当 TD 误差值大于 0 时增强该动作选择概率，当 TD 误差值小于 0 时减小该动作选择概率，所以目标为最小化损失函数 

如果评价网络 Critic 为动作价值 action value 的评价网络，即输入为状态和动作，则Critic 网络的损失函数如下：

其中， 的表达式变换如下：

Actor-Critic 算法流程如下：

3. 代码实现

Actor-Critic 模型部分的实现方式如下：

import torch

from torch import nn

from torch.nn import functional as F

import numpy as np

# ------------------------------------ #

# 策略梯度Actor，动作选择

# ------------------------------------ #

class PolicyNet(nn.Module):

def __init__(self, n_states, n_hiddens, n_actions):

super(PolicyNet, self).__init__()

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]

# 每个状态对应的动作的概率

x = F.softmax(x, dim=1) # [b,n_actions]-->[b,n_actions]

return x

# ------------------------------------ #

# 值函数Critic，动作评估输出 shape=[b,1]

# ------------------------------------ #

class ValueNet(nn.Module):

def __init__(self, n_states, n_hiddens):

super(ValueNet, self).__init__()

self.fc1 = nn.Linear(n_states, n_hiddens)

self.fc2 = nn.Linear(n_hiddens, 1)

# 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,1]

return x

# ------------------------------------ #

# Actor-Critic

# ------------------------------------ #

class ActorCritic:

def __init__(self, n_states, n_hiddens, n_actions,

actor_lr, critic_lr, gamma):

# 属性分配

self.gamma = gamma

# 实例化策略网络

self.actor = PolicyNet(n_states, n_hiddens, n_actions)

# 实例化价值网络

self.critic = ValueNet(n_states, n_hiddens)

# 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)

# 动作选择

def take_action(self, state):

# 维度变换numpy[n_states]-->[1,n_sates]-->tensor

state = torch.tensor(state[np.newaxis, :])

# 动作价值函数，当前状态下各个动作的概率

probs = self.actor(state)

# 创建以probs为标准类型的数据分布

action_dist = torch.distributions.Categorical(probs)

# 随机选择一个动作 tensor-->int

action = action_dist.sample().item()

return action

# 模型更新

def update(self, transition_dict):

# 训练集

states = torch.tensor(transition_dict['states'], dtype=torch.float)

actions = torch.tensor(transition_dict['actions']).view(-1,1)

rewards = torch.tensor(transition_dict['rewards'], dtype=torch.float).view(-1,1)

next_states = torch.tensor(transition_dict['next_states'], dtype=torch.float)

dones = torch.tensor(transition_dict['dones'], dtype=torch.float).view(-1,1)

# 预测的当前时刻的state_value

td_value = self.critic(states)

# 目标的当前时刻的state_value

td_target = rewards + self.gamma * self.critic(next_states) * (1-dones)

# 时序差分的误差计算，目标的state_value与预测的state_value之差

td_delta = td_target - td_value

# 对每个状态对应的动作价值用log函数

log_probs = torch.log(self.actor(states).gather(1, actions))

# 策略梯度损失

actor_loss = torch.mean(-log_probs * td_delta.detach())

# 值函数损失，预测值和目标值之间

critic_loss = torch.mean(F.mse_loss(self.critic(states), td_target.detach()))

# 优化器梯度清0

self.actor_optimizer.zero_grad() # 策略梯度网络的优化器

self.critic_optimizer.zero_grad() # 价值网络的优化器

# 反向传播

actor_loss.backward()

critic_loss.backward()

# 参数更新

self.actor_optimizer.step()

self.critic_optimizer.step()

4. 案例演示

我们使用 OpenAI 的 gym 库中的环境，完成一个小案例。我们的目的是左右移动黑色小车使得黄色的杆子保持竖直。状态 state 的维度为 4，动作 action 有 2 个。

环境交互与训练部分的代码如下：

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

import gym

import torch

from RL_brain import ActorCritic

# ----------------------------------------- #

# 参数设置

# ----------------------------------------- #

num_episodes = 100 # 总迭代次数

gamma = 0.9 # 折扣因子

actor_lr = 1e-3 # 策略网络的学习率

critic_lr = 1e-2 # 价值网络的学习率

n_hiddens = 16 # 隐含层神经元个数

env_name = 'CartPole-v1'

return_list = [] # 保存每个回合的return

# ----------------------------------------- #

# 环境加载

# ----------------------------------------- #

env = gym.make(env_name, render_mode="human")

n_states = env.observation_space.shape[0] # 状态数 4

n_actions = env.action_space.n # 动作数 2

# ----------------------------------------- #

# 模型构建

# ----------------------------------------- #

agent = ActorCritic(n_states=n_states, # 状态数

n_hiddens=n_hiddens, # 隐含层数

n_actions=n_actions, # 动作数

actor_lr=actor_lr, # 策略网络学习率

critic_lr=critic_lr, # 价值网络学习率

gamma=gamma) # 折扣因子

# ----------------------------------------- #

# 训练--回合更新

# ----------------------------------------- #

for i in range(num_episodes):

state = env.reset()[0] # 环境重置

done = False # 任务完成的标记

episode_return = 0 # 累计每回合的reward

# 构造数据集，保存每个回合的状态数据

transition_dict = {

'states': [],

'actions': [],

'next_states': [],

'rewards': [],

'dones': [],

}

while not done:

action = agent.take_action(state) # 动作选择

next_state, reward, done, _, _ = env.step(action) # 环境更新

# 保存每个时刻的状态\动作\...

transition_dict['states'].append(state)

transition_dict['actions'].append(action)

transition_dict['next_states'].append(next_state)

transition_dict['rewards'].append(reward)

transition_dict['dones'].append(done)

# 更新状态

state = next_state

# 累计回合奖励

episode_return += reward

# 保存每个回合的return

return_list.append(episode_return)

# 模型训练

agent.update(transition_dict)

# 打印回合信息

print(f'iter:{i}, return:{np.mean(return_list[-10:])}')

# -------------------------------------- #

# 绘图

# -------------------------------------- #

plt.plot(return_list)

plt.title('return')

plt.show()

绘制每回合的回报 return

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