Q-Learning演演算法
理論
Q-Learning是一種強化學習演演算法，用於學習在給定狀態下采取不同行動的最佳策略。其公式如下：
\(Q(s,a) \leftarrow (1 - \alpha) \cdot Q(s,a) + \alpha \cdot (r + \gamma \cdot \max_{a'} Q(s',a'))\)
其中，\(Q(s,a)\)是在狀態\(s\)下采取行動\(a\)的預期回報，\(\alpha\)是學習率，\(r\)是在狀態\(s\)下采取行動\(a\)的即時回報，\(\gamma\)是折扣因子，\(s'\)是採取行動\(a\)後得到的新狀態。\(\max_{a'} Q(s',a')\)是在新狀態\(s'\)下采取不同行動所能獲得的最大預期回報。
Q-Learning公式的意義是，在當前狀態\(s\)下采取行動\(a\)，更新當前狀態下采取行動\(a\)的預期回報\(Q(s,a)\)。更新公式中的第一項表示當前狀態下采取行動\(a\)的原始預期回報，第二項表示從當前狀態採取行動\(a\)後得到的新狀態\(s'\)的最大預期回報。透過不斷更新\(Q(s,a)\)，我們可以學習到在不同狀態下采取不同行動的最佳策略。
將理論轉換為簡單易懂的python的程式碼：
alpha = 0.1
gamma = 0.5
# s 當前狀態 就是一個位置資訊
# a 執行動作 上下左右
# newS 當前狀態執行動作後的新狀態
# r 為執行動作a後，環境給的獎勵
def updateQ(s, a, r):
newS = None
if a == 0: # 上
newS = (s[0]-1, s[1])
elif a == 1: # 下
newS = (s[0]+1, s[1])
elif a == 2: # 左
newS = (s[0], s[1]-1)
elif a == 3: # 右
newS = (s[0], s[1]+1)
Q[s][a] += alpha * (r + gamma * max(Q[newS]) - Q[s][a])
中間小插曲
剛開始看到理論後，就開始擼程式碼了，沒有看其他人的寫的程式碼， 結果翻車了。
根據我的理解，我剛開始程式碼的Q表是每個狀態的價值表。動作的變化，引發環境改變，環境改變給出一個獎勵， 然後在更新Q表。
大家一定要注意是對Q表存的是每個狀態的每個動作的評價值
不過經過翻車，也算是加深了對Qlearning的理解
實際能執行demo
#coding:utf8
import random
import math
import gym
from gym import spaces
import numpy as np
S = "S" # 起始塊
G = "G" # 目標塊
F = "F" # 凍結塊
H = "H" # 危險塊
# 這個環境規則就是， 從S點走到G點，中間走到H點就GameOver
class MyEnv(gym.Env):
metadata = {'render.modes': ['human']}
def __init__(self):
self.board = np.array([
[S, F, F, F],
[F, H, F, H],
[F, F, F, H],
[H, F, F, G],
])
self.height, self.width = self.board.shape
# 定義動作空間和觀察空間
self.action_space = spaces.Discrete(4) # 上下左右
self.observation_space = spaces.Tuple((
spaces.Discrete(self.height),
spaces.Discrete(self.width)
))
self.reset()
def step(self, action):
if action == 0: # 上
next_pos = (self.current_pos[0]-1, self.current_pos[1])
elif action == 1: # 下
next_pos = (self.current_pos[0]+1, self.current_pos[1])
elif action == 2: # 左
next_pos = (self.current_pos[0], self.current_pos[1]-1)
elif action == 3: # 右
next_pos = (self.current_pos[0], self.current_pos[1]+1)
assert self._is_valid_pos(next_pos)
# 步驟越多模型越差
self.steps += 0.1
if self.board[next_pos] == H:
reward = -self.steps -self.width*self.height
self.done = True
elif self.board[next_pos] == G:
reward = -self.steps
self.done = True
else:
reward = -self.steps - abs(next_pos[0]-3) - abs(next_pos[1]-3)
self.done = False
self.current_pos = next_pos
return self.current_pos, reward, self.done, self.board[next_pos] == H
def reset(self):
self.current_pos = (0, 0)
self.done = False
self.steps = 0
return self.current_pos
def render(self, mode='human'):
for i in range(self.height):
for j in range(self.width):
if (i, j) == self.current_pos:
print("*", end="")
else:
print(self.board[i][j], end="")
print()
print()
def _is_valid_pos(self, pos):
if pos[0] < 0 or pos[0] >= self.height or pos[1] < 0 or pos[1] >= self.width:
return False
return True
def softmax(x):
exp_x = np.exp(x)
return exp_x / np.sum(exp_x)
# 定義獲取當前位置動作的函式
def get_actions(row, col):
actions = []
if row < 3: # 如果不在最後一行，則可以向下移動
actions.append(1)
if col < 3: # 如果不在最後一列，則可以向右移動
actions.append(3)
if row > 0: # 如果不在第一行，則可以向上移動
actions.append(0)
if col > 0: # 如果不在第一列，則可以向左移動
actions.append(2)
return actions
env = MyEnv()
ACTIONS = np.arange(4)
ACTIONS_STR = '上|下|左|右'.split('|')
Q = np.random.rand(4, 4, 4)
for i in range(4):
for j in range(4):
actions = get_actions(i, j)
for k in range(4):
if k not in actions:
# 經過soeftmax之後，執行這個動作的機率為0
Q[(i, j, k)] = -float("inf")
else:
Q[(i, j, k)] = 0
def printQ():
for i in range(4):
for j in range(4):
print("{}_{}: ".format(i,j), Q[(i,j)])
def getAction(s):
action = np.argmax(softmax(Q[s]))
return action
def train():
alpha = 0.1
gamma = 0.95
# 90%機率
useQ = 0.9
for i in range(100):
s = env.reset()
while True:
env.render()
# 根據狀態獲取s, 選擇一個動作
can_actions = get_actions(s[0], s[1])
action = getAction(s) if np.random.uniform() < useQ else np.random.choice(can_actions)
assert action in can_actions
nextPos, reward, done, isH = env.step(action)
if done: # game over 沒有下一個狀態
Q[s][action] += alpha * (reward - Q[s][action])
break
else:
Q[s][action] += alpha * (reward + gamma * max(Q[nextPos]) - Q[s][action])
s = nextPos
def play():
s = env.reset()
env.render()
while True:
# 根據狀態獲取s, 選擇一個動作
action = getAction(s)
print('執行了動作:', ACTIONS_STR[action])
nextPos, reward, done, _ = env.step(action)
s = nextPos
env.render()
if done:
print(reward)
break
train()
printQ()
play()
展望
寫這個花費了很久，第一個原因是Q表建立錯誤， 第二個是中間非常容易死迴圈。
寫這個需要考慮到底需要迭代多少次合適，以及獎勵應該怎麼定合適，一定要有機率不按Q表選擇動作， 因為容易出現死迴圈。訓練步驟不能太少，Q表資訊不夠，也是容易出現死迴圈。
這個例子環境是固定的，環境變化，必須重新訓練
獎勵函式現在是 -step - 曼哈頓距離， 也就是說步驟越少以及距離越小，函式值越大
對無效動作給了-float("inf")， 充當動作的MASK， 使用softmax去對映，會得到0
