DQN（Deep Q-learning）入門教程（六）之DQN Play Flappy-bird ，MountainCar

在DQN（Deep Q-learning）入門教程（四）之Q-learning Play Flappy Bird中，我們使用q-learning演算法去對Flappy Bird進行強化學習，而在這篇部落格中我們將使用神經網路模型來代替Q-table，關於DQN的介紹，可以參考我前一篇部落格：DQN（Deep Q-learning）入門教程（五）之DQN介紹

在這篇部落格中將使用DQN做如下操作：

• Flappy Bird
• MountainCar-v0

再回顧一下DQN的演算法流程：

專案地址：Github

MountainCar-v0

MountainCar的訓練好的Gif示意圖如下所示，汽車起始位置位於山的底部，最終目標是駛向右邊山的插旗的地方，其中，汽車的引擎不能夠直接駛向終點，必須藉助左邊的山體的重力加速度才能夠駛向終點。

MountainCar-v0由OpenAI提供，python包為gym，官網網站為https://gym.openai.com/envs/MountainCar-v0/。在Gym包中，提供了很多可以用於強化學習的環境（env）：

在MountainCar-v0中，狀態有2個變數，car position（汽車的位置），car vel（汽車的速度），action一共有3種： Accelerate to the Left， Don't accelerate，Accelerate to the Right，然後當車達到旗幟的地方（position = 0.5）會得到\(reward = 1\)的獎勵，如果沒有達到則為\(-1\)。但是如果當你執行步驟超過200次的時候，遊戲就會結束。詳情可以參考原始碼（ps：官方文件中沒有這些說明）。

下面介紹一下gym中幾個常用的函式：

• env = gym.make("MountainCar-v0")
  

  這個就是建立一個MountainCar-v0的遊戲環境。

• state = env.reset()
  

  重置環境，返回重置後的state

• env.render()
  

  將執行畫面展示在螢幕上面，當我們在訓練的時候可以不使用這個來提升速度。

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

  執行action動作，返回下一個狀態，獎勵，是否完成，info。

初始化Agent

初始化Agent直接使用程式碼說明吧，這個還是比較簡單的：

import keras
import random
from collections import deque

import gym
import numpy as np
from keras.layers import Dense
from keras.models import Sequential


class Agent():
    def __init__(self, action_set, observation_space):
        """
        初始化
        :param action_set: 動作集合
        :param observation_space: 環境屬性，我們需要使用它得到state的shape
        """
        # 獎勵衰減
        self.gamma = 1.0
        # 從經驗池中取出資料的數量
        self.batch_size = 50
        # 經驗池
        self.memory = deque(maxlen=2000000)
        # 探索率
        self.greedy = 1.0
        # 動作集合
        self.action_set = action_set
        # 環境的屬性
        self.observation_space = observation_space
        # 神經網路模型
        self.model = self.init_netWork()

    def init_netWork(self):
        """
        構建模型
        :return: 模型
        """
        model = Sequential()
        # self.observation_space.shape[0]，state的變數的數量
        model.add(Dense(64 * 4, activation="tanh", input_dim=self.observation_space.shape[0]))
        model.add(Dense(64 * 4, activation="tanh"))
        # self.action_set.n 動作的數量
        model.add(Dense(self.action_set.n, activation="linear"))
        model.compile(loss=keras.losses.mean_squared_error,
                      optimizer=keras.optimizers.RMSprop(lr=0.001))
        return model

我們使用佇列來儲存經驗，這樣的話新的資料就會覆蓋遠古的資料。此時我們定義一個函式，專門用來將資料儲存到經驗池中，然後定義一個函式用來更新\(\epsilon\)探索率。

def add_memory(self, sample):
    self.memory.append(sample)

def update_greedy(self):
    # 小於最小探索率的時候就不進行更新了。
    if self.greedy > 0.01:
        self.greedy *= 0.995

訓練模型

首先先看程式碼：

def train_model(self):
    # 從經驗池中隨機選擇部分資料
    train_sample = random.sample(self.memory, k=self.batch_size)

    train_states = []
    next_states = []
    for sample in train_sample:
        cur_state, action, r, next_state, done = sample
        next_states.append(next_state)
        train_states.append(cur_state)

    # 轉成np陣列
    next_states = np.array(next_states)
    train_states = np.array(train_states)
    # 得到next_state的q值
    next_states_q = self.model.predict(next_states)

    # 得到state的預測值
    state_q = self.model.predict_on_batch(train_states)

    # 計算Q現實
    for index, sample in enumerate(train_sample):
        cur_state, action, r, next_state, done = sample
        if not done:
            state_q[index][action] = r + self.gamma * np.max(next_states_q[index])
        else:
            state_q[index][action] = r
    
    self.model.train_on_batch(train_states, state_q)

大家肯定從上面的程式碼發現一些問題，使用了兩個for迴圈，why？首先先說一下兩個for迴圈分別的作用：

• 第一個for迴圈：得到train_states和next_states，其中next_states是為了計算Q現實。
• 第二個for迴圈：計算Q現實

可能有人會有一個疑問，為什麼我不寫成一個for迴圈呢？實際上寫成一個for迴圈是完全沒有問題的，很?，但是寫成一個for迴圈意味著我們要多次呼叫model.predict_on_batch，這樣會耗費一定的時間（親身試驗過，這樣會比較慢），因此，我們寫成了兩個for迴圈，然後只需要呼叫一次predict

執行動作與選擇最佳動作

執行動作的程式碼如下所示：

def act(self, env, action):
    """
    執行動作
    :param env: 執行環境
    :param action: 執行的動作
    :return: ext_state, reward, done
    """
    next_state, reward, done, _ = env.step(action)

    if done:
        if reward < 0:
            reward = -100
        else:
            reward = 10
    else:
        if next_state[0] >= 0.4:
            reward += 1

    return next_state, reward, done

其中，我們可以修改獎勵以加快網路收斂。

選擇最好的動作的動作如下所示，會以一定的探索率隨機選擇動作。

def get_best_action(self, state):
    if random.random() < self.greedy:
        return self.action_set.sample()
    else:
        return np.argmax(self.model.predict(state.reshape(-1, 2)))

開始訓練

關於具體的解釋，在註釋中已經詳細的說明了：

if __name__ == "__main__":
    # 訓練次數
    episodes = 10000
    # 例項化遊戲環境
    env = gym.make("MountainCar-v0")
    # 例項化Agent
    agent = Agent(env.action_space, env.observation_space)
    # 遊戲中動作執行的次數（最大為200）
    counts = deque(maxlen=10)

    for episode in range(episodes):
        count = 0
        # 重置遊戲
        state = env.reset()

        # 剛開始不立即更新探索率
        if episode >= 5:
            agent.update_greedy()

        while True:
            count += 1
            # 獲得最佳動作
            action = agent.get_best_action(state)
            next_state, reward, done = agent.act(env, action)
            agent.add_memory((state, action, reward, next_state, done))
            # 剛開始不立即訓練模型，先填充經驗池
            if episode >= 5:
                agent.train_model()
            state = next_state
            if done:
                # 將執行的次數新增到counts中
                counts.append(count)
                print("在{}輪中，agent執行了{}次".format(episode + 1, count))

                # 如果近10次，動作執行的平均次數少於160，則儲存模型並退出
                if len(counts) == 10 and np.mean(counts) < 160:
                    agent.model.save("car_model.h5")
                    exit(0)
                break

訓練一定的次數後，我們就可以得到模型了。然後進行測試。

模型測試

測試的程式碼沒什麼好說的，如下所示：

import gym
from keras.models import load_model
import numpy as np
model = load_model("car_model.h5")

env = gym.make("MountainCar-v0")

for i in range(100):
    state = env.reset()
    count = 0
    while True:
        env.render()
        count += 1
        action = np.argmax(model.predict(state.reshape(-1, 2)))
        next_state, reward, done, _ = env.step(action)
        state = next_state
        if done:
            print("遊戲的次數:", count)
            break

部分的結果如下：

Flappy Bird

FlappyBird的程式碼我就不過多贅述了，裡面的一些函式介紹可以參照這個來看：DQN（Deep Q-learning）入門教程（四）之Q-learning Play Flappy Bird，程式碼思想與訓練Mountain-Car基本是一致的。

import random
from collections import deque

import keras
import numpy as np
from keras.layers import Dense
from keras.models import Sequential
from ple import PLE
from ple.games import FlappyBird


class Agent():
    def __init__(self, action_set):
        self.gamma = 1
        self.model = self.init_netWork()
        self.batch_size = 128
        self.memory = deque(maxlen=2000000)
        self.greedy = 1
        self.action_set = action_set

    def get_state(self, state):
        """
        提取遊戲state中我們需要的資料
        :param state: 遊戲state
        :return: 返回提取好的資料
        """
        return_state = np.zeros((3,))
        dist_to_pipe_horz = state["next_pipe_dist_to_player"]
        dist_to_pipe_bottom = state["player_y"] - state["next_pipe_top_y"]
        velocity = state['player_vel']
        return_state[0] = dist_to_pipe_horz
        return_state[1] = dist_to_pipe_bottom
        return_state[2] = velocity
        return return_state

    def init_netWork(self):
        """
        構建模型
        :return:
        """
        model = Sequential()
        model.add(Dense(64 * 4, activation="tanh", input_shape=(3,)))
        model.add(Dense(64 * 4, activation="tanh"))
        model.add(Dense(2, activation="linear"))

        model.compile(loss=keras.losses.mean_squared_error,
                      optimizer=keras.optimizers.RMSprop(lr=0.001))
        return model

    def train_model(self):
        if len(self.memory) < 2500:
            return

        train_sample = random.sample(self.memory, k=self.batch_size)
        train_states = []
        next_states = []

        for sample in train_sample:
            cur_state, action, r, next_state, done = sample
            next_states.append(next_state)
            train_states.append(cur_state)
        # 轉成np陣列
        next_states = np.array(next_states)
        train_states = np.array(train_states)

        # 得到下一個state的q值
        next_states_q = self.model.predict(next_states)
        # 得到預測值
        state_q = self.model.predict_on_batch(train_states)

        for index, sample in enumerate(train_sample):
            cur_state, action, r, next_state, done = sample
            # 計算Q現實
            if not done:
                state_q[index][action] = r + self.gamma * np.max(next_states_q[index])
            else:
                state_q[index][action] = r
        self.model.train_on_batch(train_states, state_q)

    def add_memory(self, sample):
        self.memory.append(sample)

    def update_greedy(self):
        if self.greedy > 0.01:
            self.greedy *= 0.995

    def get_best_action(self, state):
        if random.random() < self.greedy:
            return random.randint(0, 1)
        else:
            return np.argmax(self.model.predict(state.reshape(-1, 3)))

    def act(self, p, action):
        """
        執行動作
        :param p: 通過p來向遊戲發出動作命令
        :param action: 動作
        :return: 獎勵
        """
        r = p.act(self.action_set[action])
        if r == 0:
            r = 1
        if r == 1:
            r = 100
        else:
            r = -1000
        return r


if __name__ == "__main__":
    # 訓練次數
    episodes = 20000
    # 例項化遊戲物件
    game = FlappyBird()
    # 類似遊戲的一個介面，可以為我們提供一些功能
    p = PLE(game, fps=30, display_screen=False)
    # 初始化
    p.init()
    # 例項化Agent，將動作集傳進去
    agent = Agent(p.getActionSet())
    max_score = 0
    scores = deque(maxlen=10)

    for episode in range(episodes):
        # 重置遊戲
        p.reset_game()
        # 獲得狀態
        state = agent.get_state(game.getGameState())
        if episode > 150:
            agent.update_greedy()
        while True:
            # 獲得最佳動作
            action = agent.get_best_action(state)
            # 然後執行動作獲得獎勵
            reward = agent.act(p, action)
            # 獲得執行動作之後的狀態
            next_state = agent.get_state(game.getGameState())
            agent.add_memory((state, action, reward, next_state, p.game_over()))
            agent.train_model()
            state = next_state
            if p.game_over():
                # 獲得當前分數
                current_score = p.score()
                max_score = max(max_score, current_score)
                scores.append(current_score)
                print('第%s次遊戲，得分為: %s,最大得分為: %s' % (episode, current_score, max_score))
                if len(scores) == 10 and np.mean(scores) > 150:
                    agent.model.save("bird_model.h5")
                    exit(0)
                break

該部分相比較於Mountain-Car需要更長的時間，目前的我還沒有訓練出比較好的效果，截至寫完這篇部落格，最新的資料如下所示：

emm，我又不想讓我的電腦一直開著，?。

總結

上面的兩個例子便是DQN最基本最基本的使用，我們還可以將上面的FlappyBird的問題稍微複雜化一點，比如說我們無法直接的知道環境的狀態，我們則可以使用CNN網路去從遊戲圖片入手（關於這種做法，網路上有很多人寫了相對應的部落格）。

專案地址：Github

參考

• openai-gym
• MountainCar-v0 ——src code
• DQN（Deep Q-learning）入門教程（四）之Q-learning Play Flappy Bird