在OpenAI Gym中使用Keras進行Q學習

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在OpenAI Gym中使用Keras進行Q學習

目錄

  1. 引言
  2. 使用深度強化學習進行遊戲訓練
  3. Cue Learning和深度學習
  4. 安裝和設定環境
  5. Car Pole範例介紹
  6. 訓練代理人
  7. 評估和測試結果
  8. 應用於Atari遊戲的Q學習
  9. 解決環境問題
  10. 結論

使用深度強化學習進行遊戲訓練 🎮

在本章中,我們將探索如何使用深度Q學習(DQN)來訓練計算機玩遊戲。我們將從一個相對簡單的例子開始,使用TensorFlow Agents來訓練一個能夠平穩運動的小推車。接下來,我們將擴展到更複雜的執行環境,比如Atari遊戲。最後,我們將看一個更涉及金融模擬的例子。如果你對Kaggle、深度學習和其他人工智慧話題感興趣,請訂閱我的頻道,並打開鈴鐺以接收新視頻的通知。

import tensorflow as tf
import tf_agents as tfa

Cue Learning和深度學習

Cue學習是一種強化學習方法,它建立了一個表格,其中列出了可能的狀態和對應的預期獎勵。在深度強化學習中,我們使用深度神經網絡(DNN)來替代表格,從而能夠處理更大的狀態空間並更準確地預測獎勵。深度Q網絡(DQN)是一個用於深度強化學習的經典算法,它使用DNN來逼近理論的Q值函數。

安裝和設定環境

在開始之前,需要確保你的環境中安裝了必要的庫和軟件包。你可以使用以下命令進行安裝:

pip install tensorflow tf_agents

請注意,這些庫和軟件包可能需要一些驗證和設置,具體步驟可以參考官方文檔。

Car Pole範例介紹

我們將使用"Car Pole"這個簡單的執行環境來展示如何使用DQN進行遊戲訓練。"Car Pole"是一個物理模擬遊戲,玩家需要通過施加力來保持小推車上的桿子保持平衡。遊戲觀察到的狀態包括小推車的速度、桿子的角度和角速度。獎勵是基於保持桿子直立的持續時間計算的。

import gym

# 創建Car Pole環境
env = gym.make('CartPole-v0')
observation = env.reset()

# 查看環境
print('觀察值空間:', env.observation_space)
print('動作空間:', env.action_space)

# 開始遊戲
done = False
while not done:
    # 隨機選取動作
    action = env.action_space.sample()

    # 執行動作並觀察結果
    observation, reward, done, info = env.step(action)

    # 打印遊戲資訊
    print('--')
    print('位置:', observation[0])
    print('速度:', observation[1])
    print('角度:', observation[2])
    print('角速度:', observation[3])
    print('獎勵:', reward)

# 重置環境
env.reset()

訓練代理人

現在,我們將介紹如何使用DQN來訓練代理人。我們將使用TensorFlow Agents庫來實現訓練過程。首先,我們需要定義一些超參數:

  • num_iterations: 訓練迭代次數。
  • initial_collect_steps: 初始數據收集步數。
  • collect_steps_per_iteration: 每次迭代的數據收集步數。
  • batch_size: 訓練時的批次大小。
  • learning_rate: 學習率。
num_iterations = 20000
initial_collect_steps = 1000
collect_steps_per_iteration = 1
batch_size = 64
learning_rate = 1e-3

接下來,我們將創建DQN代理人和環境:

from tf_agents.agents.dqn.dqn_agent import DqnAgent
from tf_agents.networks.q_network import QNetwork
from tf_agents.environments import tf_py_environment

# 將Python環境轉換為TensorFlow環境
train_env = tf_py_environment.TFPyEnvironment(env)

# 創建Q網絡作為DQN的底層網絡
q_net = QNetwork(
    train_env.observation_spec(),
    train_env.action_spec()
)

# 創建DQN代理人
agent = DqnAgent(
    train_env.time_step_spec(),
    train_env.action_spec(),
    q_network=q_net,
    optimizer=tf.compat.v1.train.AdamOptimizer(learning_rate=learning_rate)
)

我們還需要創建一個緩衝區來存儲訓練數據:

from tf_agents.replay_buffers import tf_uniform_replay_buffer

# 創建緩衝區
replay_buffer = tf_uniform_replay_buffer.TFUniformReplayBuffer(
    data_spec=agent.collect_data_spec,
    batch_size=batch_size,
    max_length=100000
)

現在,我們可以開始訓練代理人。在每次迭代中,我們將執行以下步驟:

  1. 收集數據: 從環境中收集數據並將其添加到緩衝區中。
  2. 從緩衝區中抽樣: 從緩衝區中抽樣一個批次的數據。
  3. 計算Q值: 使用DQN網絡計算數據中每個狀態的Q值。
  4. 計算損失: 根據預測的Q值和目標Q值計算損失。
  5. 更新網絡: 使用優化器更新網絡的權重。
from tf_agents.policies.random_tf_policy import RandomTFPolicy
from tf_agents.metrics import tf_metrics

# 創建隨機策略
random_policy = RandomTFPolicy(train_env.time_step_spec(), train_env.action_spec())

# 收集初始數據
for _ in range(initial_collect_steps):
    time_step = train_env.reset()
    action_step = random_policy.action(time_step)
    next_time_step = train_env.step(action_step.action)
    trajectory = trajectory.from_transition(time_step, action_step, next_time_step)
    replay_buffer.add_batch(trajectory)

# 定義計算平均回報的函數
def compute_average_return(environment, policy, num_episodes=10):
    total_return = 0.0
    for _ in range(num_episodes):
        time_step = environment.reset()
        episode_return = 0.0
        while not time_step.is_last():
            action_step = policy.action(time_step)
            time_step = environment.step(action_step.action)
            episode_return += time_step.reward
        total_return += episode_return
    average_return = total_return / num_episodes
    return average_return.numpy()[0]

# 定義評估代理人的函數
eval_metrics = [
    tf_metrics.AverageReturnMetric(),
    tf_metrics.MaxReturnMetric()
]

def evaluate_agent(environment, agent, num_episodes=10):
    reset_env = tf_py_environment.TFPyEnvironment(lambda: environment.pyenv.envs[0])
    policy = agent.policy
    metrics = tf_metrics.tf_metrics.TFAllMetrics(eval_metrics)

    for _ in range(num_episodes):
        time_step = reset_env.reset()
        policy_state = policy.get_initial_state(reset_env.batch_size)
        metrics.reset()
        while not time_step.is_last():
            action_step = policy.action(time_step, policy_state)
            policy_state = action_step.state
            time_step = reset_env.step(action_step.action)
            for eval_metric in eval_metrics:
                eval_metric(time_step)

    results = {eval_metric.name: eval_metric.result() for eval_metric in eval_metrics}
    return results

# 訓練代理人
for iteration in range(num_iterations):
    # 從環境收集數據
    for _ in range(collect_steps_per_iteration):
        time_step = train_env.current_time_step()
        action_step = agent.collect_policy.action(time_step)
        next_time_step = train_env.step(action_step.action)
        trajectory = trajectory.from_transition(time_step, action_step, next_time_step)
        replay_buffer.add_batch(trajectory)

    # 從緩衝區抽樣
    experience = replay_buffer.get_next()

    # 計算Q值
    q_values = q_net(experience.observation)
    next_q_values = q_net(experience.next_observation)

    # 計算損失
    loss = agent.train(experience)

    # 更新代理人
    agent.update_target()

    # 記錄訓練進度
    if iteration % log_interval == 0:
        average_return = compute_average_return(train_env, agent.policy)
        print('iteration:', iteration, 'loss:', loss, 'average return:', average_return)

    # 評估代理人
    if iteration % eval_interval == 0:
        eval_results = evaluate_agent(eval_env, agent)
        print('iteration:', iteration, 'evaluation results:', eval_results)

應用於Atari遊戲的Q學習 🕹️

在上一部分中,我們介紹了如何使用DQN來訓練代理人玩Car Pole遊戲。現在,我們將將相同的技術應用於Atari遊戲。

import gym

# 創建Atari環境
env = gym.make('SpaceInvaders-v0')

# 設置遊戲環境
env.reset()
for _ in range(3000):
    env.step(env.action_space.sample())
env.render()

# 顯示遊戲畫面
observation = env.reset()
for t in range(1000):
    env.render()
    action = env.action_space.sample()
    observation, reward, done, info = env.step(action)
    if done:
        print("Episode finished after {} timesteps".format(t + 1))
        break

env.close()

我們將使用相同的原理和技術來訓練代理人玩Atari遊戲。你可以根據需要調整超參數和網絡結構,以獲得更好的表現。請注意,由於Atari遊戲的複雜性,訓練過程可能需要較長的時間。

解決環境問題 🛠️

在訓練過程中,你可能會遇到一些環境問題,例如性能問題、版本問題或軟件包相容性問題。為了解決這些問題,你可以嘗試以下方法:

  1. 更新軟件包:請確保所有使用的軟件包和庫都是最新版本,並按照官方文檔進行更新。

  2. 更改環境:嘗試在不同的執行環境中運行代碼,例如本地環境、虛擬環境或雲環境。

  3. 更換代碼:如果你確定使用的代碼沒有問題,那麼可能是環境本身的問題。嘗試使用其他環境或替換相關的代碼。

  4. 請求幫助:如果你無法解決問題,請咨詢相關的技術支持或社區,他們可能會提供解決方案或建議。

結論

在本章中,我們介紹了深度強化學習中的DQN算法和其在遊戲訓練中的應用。我們通過Car Pole和Atari遊戲的例子展示了如何訓練代理人,並解決可能遇到的環境問題。深度強化學習是一個非常有價值且有趣的領域,我們鼓勵你繼續探索並開發更強大的算法和應用。


FAQ:

Q: 這個方法適用於所有類型的遊戲嗎? A: 這個方法適用於大多數類型的遊戲,特別是那些具有離散動作空間的遊戲。對於連續動作空間的遊戲,可以使用其他算法,如DDPG。

Q: 我需要多少數據才能訓練好一個代理人? A: 訓練一個好的代理人需要大量的數據,通常需要數千到數萬個數據點。然而,這也取決於遊戲的複雜性和代理人的網絡結構。

Q: 如何評估代理人的性能? A: 一種常見的評估方法是計算平均回報,即代理人在多個遊戲中的平均得分。另一種方法是計算最大回報,即最高得分。

Q: 有沒有更好的強化學習算法? A: 目前存在許多不同的強化學習算法,每個算法都有其優點和局限性。DQN是一種經典算法,但在某些情況下可能不夠高效。你可以根據具體應用和需求選擇合適的算法。


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