强化学习------PPO算法

简介

PPO 算法之所以被提出，根本原因在于 Policy Gradient 在处理连续动作空间时 Learning rate 取值抉择困难。
Learning rate 取值过小，就会导致深度强化学习收敛性较差，陷入完不成训练的局面，取值过大则导致新旧策略迭代时数据不一致，造成学习波动较大或局部震荡。除此之外，Policy Gradient 因为在线学习的性质，进行迭代策略时原先的采样数据无法被重复利用，每次迭代都需要重新采样；
同样地置信域策略梯度算法（Trust Region Policy Optimization，TRPO）虽然利用重要性采样（Important-sampling）、共轭梯度法求解提升了样本效率、训练速率等，但在处理函数的二阶近似时会面临计算量过大，以及实现过程复杂、兼容性差等缺陷。

而PPO 算法具备 Policy Gradient、TRPO 的部分优点，采样数据和使用随机梯度上升方法优化代替目标函数之间交替进行，虽然标准的策略梯度方法对每个数据样本执行一次梯度更新，但 PPO 提出新目标函数，可以实现小批量更新。

PPO 算法可依据 Actor 网络的更新方式细化为：

含有自适应 KL-散度（KL Penalty）的 PPO-Penalty
含有 Clippped Surrogate Objective 函数的 PPO-Clip

下面我们一次介绍PPO算法的基本原理，以及 PPO-Penalty 和PPO-Clip两种形式的PPO算法

一、PPO原理

1、由On-policy 转化为Off-policy

如果被训练的agent和与环境做互动的agent（生成训练样本）是同一个的话，那么叫做on-policy(同策略)。
如果被训练的agent和与环境做互动的agent（生成训练样本）不是同一个的话，那么叫做off-policy(异策略)。

PPO算法是在Policy Gradient算法的基础上由来的，Policy Gradient是一种on-policy的方法，他首先要利用现有策略和环境互动，产生学习资料，然后利用产生的资料，按照Policy Gradient的方法更新策略参数。然后再用新的策略去交互、更新、交互、更新，如此重复。这其中有很多的时间都浪费在了产生资料的过程中，所以我们应该让PPO算法转化为Off-Policy。

Off-Policy的目的就是更加充分的利用actor产生的交互资料，增加学习效率。

2、Importance Sampling（重要性采样）

重要性采样（Importance Sampling）推导过程
Importance Sampling 是一种用于估计在一个分布下的期望值的方法。在强化学习中，我们需要估计由当前策略产生的样本的值函数，然后利用该估计值来优化策略。然而，在训练过程中，我们通常会使用一些已经训练好的旧策略来采集样本，而不是使用当前的最新策略。这就导致了采样样本和当前策略不匹配的问题，也就是所谓的“策略偏移”。

为什么要在PPO算法中使用Importance Sampling？
我们看一下Policy Gradient的梯度公式：
在这里插入图片描述
问题在于上面的式子是基于 $τ ～p_θ (τ)$ 采样的，一旦更新了参数，从θ到θ ′ ，这个概率 $P_{\theta}$ 就不对了。而Importance Sampling解决的正是从 $\tau～p_\theta(\tau)$ 采样,计算θ '的 $\nabla\bar{R}(\tau)$ 的问题。

重要性采样（Importance Sampling）推导过程的推导可以点击链接查看，这里直接给出公式：
在这里插入图片描述

上面的式子表示，已知x服从分布p，我们要计算f(x)，但是p不方便采样，我们就可以通过q去采样，计算期望。
在这里插入图片描述
这里我们用q做采样， $\frac{p(x)}{q(x)}$ 叫做重要性权重,用来修正q与p两个分布的差异。理论上利用重要性采样的方法我们可以用任何q来完成采样，但是由于采样数量的限制，q与p的差异不能太大。如果差异过大 $_{x～q} [f(x) \frac{p(x)}{q(x)} ]$ 与 $E _{x～q} [f(x) ]$ 的差异也会很大。

3、off-policy下的梯度公式推导

在on-policy情况下，Policy Gradient公式为：
在这里插入图片描述
由上面的推导可得，我们利用 $\theta'$ ,优化 $\theta$ 时的公式为：

在这里插入图片描述
其中 $A^{\theta}(s_t, a_t)$ 为比较优势，从该项的推导过程可以知道，它是由采样样本决定的，所以应该用 $A^{\theta'}(s_t, a_t)$ 表示，所以式子变为：

将 $p_{\theta(s_t,a_t)}$ 展开可得：

我们认为某一个状态 $s_t$ 出现的概率与策略函数无关，只与环境有关，所以可以认为 $p_{\theta(s_t)} \approx p_{\theta'(s_t)}$ ，由此得出如下公式：
在这里插入图片描述
根据上面的式子，我们就可以完成off-policy的工作，反推出目标函数为：

二、PPO算法两种形式

1、PPO-Penalty

PPO-Penalty 基于 KL散度惩罚项优化目标函数。
PPO-Penalty 的主要思想是将非负约束视为一种奖惩机制。具体来说，当一个行为不符合约束条件（比如动作小于0）时，我们会对策略进行惩罚。这种惩罚采用了一种类似于强化学习中的奖励机制的方式，即在损失函数中引入一个 penalty term。

例如，在 PPO-Penalty 中，我们可以将惩罚项添加到 PPO 算法的损失函数中，可以是在 KL 散度约束项的后面添加一个 penalty term 或者在损失函数中添加一个额外的 penalty term。这个 penalty term 会根据动作的非负性来惩罚那些不符合约束条件的行为，从而强制策略学会产生符合约束条件的行为。
用拉格朗日乘数法直接将KL散度的限制放入目标函数，变成一个无约束的优化问题。同时还需要更新KL散度的系数。
在这里插入图片描述
令 $d_k=D^{v^{\pi_{\theta_k}}}_{KL}[\pi_{\theta_k}(\cdot|s), \pi_{\theta}(\cdot|s)]$

如果 $d_k < \delta /1.5$ , 那么 $\beta_{k+1} = \beta_k/2$
如果 $d_k > \delta *1.5$ , 那么 $\beta_{k+1} = \beta_k/2$
否则 $\beta_{k+1} = \beta_k$

相对PPO-Clip来说计算还是比较复杂，我们在之后的例子使用PPO-Clip

2、PPO-Clip

PPO-Clip 的目标是在优化策略的同时，控制策略更新的幅度，以避免更新过大导致策略发生剧烈变化。这可以提供算法的稳定性，并且有助于收敛到一个比较好的策略。

具体来说，PPO-Clip 在优化过程中使用一个剪切函数来限制新旧策略之间的差异。这个剪切函数用于计算出新旧策略在每个动作样本上的比例，并将其与一个预先设定的范围进行比较。

剪切函数使用的是一个剪切比例，通常表示为 clip_ratio，它是一个介于0和1之间的数值。比如，如果 clip_ratio 设置为0.2，那么在计算新旧策略比例时，会将比例限制在0.8到1.2之间。

使用剪切函数，PPO-Clip 有两个重要的优点：

剪切目标：PPO-Clip 使用剪切函数来确保新策略更新不超过一个预定的范围，从而避免了过大的策略变化。这可以防止策略的不稳定性和发散，同时保证算法的收敛性。
改进策略更新：PPO-Clip 可以通过剪切目标的方式改进策略更新的效果。在优化过程中，通过比较新旧策略在每个样本上的比例，并选择较小的那个，可以保留原始策略中已经表现良好的部分，从而提高策略的稳定性和性能。

PPO-Clip直接在目标函数中进行限制，保证新的参数和旧的参数的差距不会太大。
在这里插入图片描述
本质就是将新旧动作的差异限定在 $[1-\epsilon, 1+\epsilon]$ 。
如果A > 0，说明这个动作的价值高于平均，最大化这个式子会增大 $\frac{\pi_\theta(a|s)}{\pi_{\theta_k}(a|s)}$ 但是不会让超过 $1+\epsilon$ 。反之，A<0，最大化这个式子会减少 $\frac{\pi_\theta(a|s)}{\pi_{\theta_k}(a|s)}$ 但是不会让超过 $1-\epsilon$
可以简单绘制如下:
在这里插入图片描述
算法流程如下：

三、PPO算法实战

PPO-Clip更加简洁，同时大量的实验也表名PPO-Clip总是比PPO-Penalty 效果好。所以我们就用PPO-Clip算法进行代码实战。

我们使用使用的环境是OpenAI gym中的CartPole-v0环境
在这里插入图片描述
代码解释可以看代码中的注释，这里不再赘述
ppo_torch.py

import os
import numpy as np
import torch as T
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.distributions.categorical import Categorical


class PPOMemory:
    """
    经验池
    """
    def __init__(self, batch_size):
        self.states = []
        self.probs = []
        self.vals = []
        self.actions = []
        self.rewards = []
        self.dones = []

        self.batch_size = batch_size

    def generate_batches(self):
        n_states = len(self.states)
        batch_start = np.arange(0, n_states, self.batch_size)
        indices = np.arange(n_states, dtype=np.int64)
        np.random.shuffle(indices)
        batches = [indices[i:i + self.batch_size] for i in batch_start]

        return np.array(self.states), \
               np.array(self.actions), \
               np.array(self.probs), \
               np.array(self.vals), \
               np.array(self.rewards), \
               np.array(self.dones), \
               batches

    def store_memory(self, state, action, probs, vals, reward, done):
        self.states.append(state)
        self.actions.append(action)
        self.probs.append(probs)
        self.vals.append(vals)
        self.rewards.append(reward)
        self.dones.append(done)

    def clear_memory(self):
        self.states = []
        self.probs = []
        self.actions = []
        self.rewards = []
        self.dones = []
        self.vals = []


class ActorNetwork(nn.Module):
    """
    构建策略网络--actor
    """
    def __init__(self, n_actions, input_dims, alpha,
                 fc1_dims=256, fc2_dims=256, chkpt_dir='tmp/ppo'):
        super(ActorNetwork, self).__init__()

        self.checkpoint_file = os.path.join(chkpt_dir, 'actor_torch_ppo')
        self.actor = nn.Sequential(
            nn.Linear(*input_dims, fc1_dims),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(fc1_dims, fc2_dims),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(fc2_dims, n_actions),
            nn.Softmax(dim=-1)
        )

        self.optimizer = optim.Adam(self.parameters(), lr=alpha)
        self.device = T.device('cuda:0' if T.cuda.is_available() else 'cpu')
        self.to(self.device)

    def forward(self, state):
        """
        返回动作的概率分布
        :param state:
        :return:
        """
        dist = self.actor(state)
        dist = Categorical(dist)

        return dist  # 返回动作的概率分布

    def save_checkpoint(self):
        """
        保存模型
        :return:
        """
        T.save(self.state_dict(), self.checkpoint_file)

    def load_checkpoint(self):
        """
        加载模型
        :return:
        """
        self.load_state_dict(T.load(self.checkpoint_file))


class CriticNetwork(nn.Module):
    """
    构建价值网络--critic
    """
    def __init__(self, input_dims, alpha, fc1_dims=256, fc2_dims=256,
                 chkpt_dir='tmp/ppo'):
        super(CriticNetwork, self).__init__()

        self.checkpoint_file = os.path.join(chkpt_dir, 'critic_torch_ppo')
        self.critic = nn.Sequential(
            nn.Linear(*input_dims, fc1_dims),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(fc1_dims, fc2_dims),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(fc2_dims, 1)
        )

        self.optimizer = optim.Adam(self.parameters(), lr=alpha)
        self.device = T.device('cuda:0' if T.cuda.is_available() else 'cpu')
        self.to(self.device)

    def forward(self, state):
        value = self.critic(state)

        return value

    def save_checkpoint(self):
        """
        保存模型
        :return:
        """
        T.save(self.state_dict(), self.checkpoint_file)

    def load_checkpoint(self):
        """
        加载模型
        :return:
        """
        self.load_state_dict(T.load(self.checkpoint_file))


class Agent:
    def __init__(self, n_actions, input_dims, gamma=0.99, alpha=0.0003, gae_lambda=0.95,
                 policy_clip=0.2, batch_size=64, n_epochs=10):
        self.gamma = gamma
        self.policy_clip = policy_clip
        self.n_epochs = n_epochs
        self.gae_lambda = gae_lambda
        # 实例化策略网络
        self.actor = ActorNetwork(n_actions, input_dims, alpha)
        # 实例化价值网络
        self.critic = CriticNetwork(input_dims, alpha)
        # 实例化经验池
        self.memory = PPOMemory(batch_size)

    def remember(self, state, action, probs, vals, reward, done):
        """
        记录轨迹
        :param state:
        :param action:
        :param probs:
        :param vals:
        :param reward:
        :param done:
        :return:
        """
        self.memory.store_memory(state, action, probs, vals, reward, done)

    def save_models(self):
        print('... saving models ...')
        self.actor.save_checkpoint()
        self.critic.save_checkpoint()

    def load_models(self):
        print('... loading models ...')
        self.actor.load_checkpoint()
        self.critic.load_checkpoint()

    def choose_action(self, observation):
        """
        选择动作
        :param observation:
        :return:
        """
        # 维度变换 [n_state]-->tensor[1,n_states]
        state = T.tensor([observation], dtype=T.float).to(self.actor.device)
        # 当前状态下，每个动作的概率分布 [1,n_states]
        dist = self.actor(state)
        # 预测，当前状态的state_value  [b,1]
        value = self.critic(state)
        # 依据其概率随机挑选一个动作
        action = dist.sample()

        probs = T.squeeze(dist.log_prob(action)).item()
        action = T.squeeze(action).item()
        value = T.squeeze(value).item()

        return action, probs, value

    def learn(self):
        # 每次学习需要更新n_epochs次参数
        for _ in range(self.n_epochs):
            # 提取数据集
            state_arr, action_arr, old_prob_arr, vals_arr, \
            reward_arr, dones_arr, batches = \
                self.memory.generate_batches()

            values = vals_arr
            advantage = np.zeros(len(reward_arr), dtype=np.float32)
            # 计算优势函数
            for t in range(len(reward_arr) - 1): # 逆序时序差分值 axis=1轴上倒着取 [], [], []
                discount = 1
                a_t = 0
                for k in range(t, len(reward_arr) - 1):
                    a_t += discount * (reward_arr[k] + self.gamma * values[k + 1] * \
                                       (1 - int(dones_arr[k])) - values[k])
                    discount *= self.gamma * self.gae_lambda
                advantage[t] = a_t
            advantage = T.tensor(advantage).to(self.actor.device)
            # 估计状态的值函数的数组
            values = T.tensor(values).to(self.actor.device)
            for batch in batches:
                # 获取数据
                states = T.tensor(state_arr[batch], dtype=T.float).to(self.actor.device)
                old_probs = T.tensor(old_prob_arr[batch]).to(self.actor.device)
                actions = T.tensor(action_arr[batch]).to(self.actor.device)
                # 用当前网络进行预测
                dist = self.actor(states)
                critic_value = self.critic(states)

                critic_value = T.squeeze(critic_value)
                # 每一轮更新一次策略网络预测的状态
                new_probs = dist.log_prob(actions)
                # 新旧策略之间的比例
                prob_ratio = new_probs.exp() / old_probs.exp()
                # prob_ratio = (new_probs - old_probs).exp()
                # 近端策略优化裁剪目标函数公式的左侧项
                weighted_probs = advantage[batch] * prob_ratio
                # 公式的右侧项，ratio小于1-eps就输出1-eps，大于1+eps就输出1+eps
                weighted_clipped_probs = T.clamp(prob_ratio, 1 - self.policy_clip,
                                                 1 + self.policy_clip) * advantage[batch]
                # 计算损失值进行梯度下降
                actor_loss = -T.min(weighted_probs, weighted_clipped_probs).mean()
                returns = advantage[batch] + values[batch]
                critic_loss = (returns - critic_value) ** 2
                critic_loss = critic_loss.mean()

                total_loss = actor_loss + 0.5 * critic_loss
                self.actor.optimizer.zero_grad()
                self.critic.optimizer.zero_grad()
                total_loss.backward()
                self.actor.optimizer.step()
                self.critic.optimizer.step()

        self.memory.clear_memory()

main.py

import gym
import numpy as np
from ppo_torch import Agent
from utils import plot_learning_curve

if __name__ == '__main__':
    print('开始训练！')
    env = gym.make('CartPole-v0')
    # 每经过N步就更新一次网络
    N = 20
    batch_size = 5
    # 每次更新的次数
    n_epochs = 4
    # 学习率
    alpha = 0.0003
    # 初始化智能体
    agent = Agent(n_actions=env.action_space.n, batch_size=batch_size,
                    alpha=alpha, n_epochs=n_epochs,
                    input_dims=env.observation_space.shape)
    # 训练轮数
    n_games = 300

    # 统计图
    figure_file = 'plots/cartpole.png'
    # 存储最佳得分
    best_score = env.reward_range[0]
    # 存储历史分数
    score_history = []
    # 更新网络的次数
    learn_iters = 0
    # 每一轮的得分
    avg_score = 0
    # 总共在环境中走的步数
    n_steps = 0

    # 开始玩游戏
    for i in range(n_games):
        observation = env.reset()
        done = False
        score = 0
        while not done:
            action, prob, val = agent.choose_action(observation)
            observation_, reward, done, info = env.step(action)
            env.render()
            n_steps += 1
            score += reward
            # 存储轨迹
            agent.remember(observation, action, prob, val, reward, done)
            if n_steps % N == 0:
                # 更新网络
                agent.learn()
                learn_iters += 1
            observation = observation_
        score_history.append(score)
        avg_score = np.mean(score_history[-100:])

        # 比较最佳得分  保存最优的策略
        if avg_score > best_score:
            best_score = avg_score
            agent.save_models()

        print('episode', i, 'score %.1f' % score, 'avg score %.1f' % avg_score,
                'time_steps', n_steps, 'learning_steps', learn_iters)
    x = [i+1 for i in range(len(score_history))]
    plot_learning_curve(x, score_history, figure_file)

画图工具
utils.py

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def plot_learning_curve(x, scores, figure_file):
    running_avg = np.zeros(len(scores))
    for i in range(len(running_avg)):
        running_avg[i] = np.mean(scores[max(0, i-100):(i+1)])
    plt.plot(x, running_avg)
    plt.title('Running average of previous 100 scores')
    plt.savefig(figure_file)