TensorFlow 2.0深度强化学习指南

摘要： 用深度强化学习来展示TensorFlow 2.0的强大特性！

在本教程中，我将通过实施Advantage Actor-Critic(演员-评论家，A2C)代理来解决经典的CartPole-v0环境，通过深度强化学习（DRL）展示即将推出的TensorFlow2.0特性。虽然我们的目标是展示TensorFlow2.0，但我将尽最大努力让DRL的讲解更加平易近人，包括对该领域的简要概述。

事实上，由于2.0版本的焦点是让开发人员的生活变得更轻松，所以我认为现在是使用TensorFlow进入DRL的好时机，本文用到的例子的源代码不到150行！代码可以在这里或者这里获取。

建立

由于TensorFlow2.0仍处于试验阶段，我建议将其安装在独立的虚拟环境中。我个人比较喜欢Anaconda，所以我将用它来演示安装过程：

> conda create -n tf2 python=3.6
> source activate tf2
> pip install tf-nightly-2.0-preview # tf-nightly-gpu-2.0-preview for GPU version

让我们快速验证一切是否按能够正常工作：

>>> import tensorflow as tf
>>> print(tf.__version__)
1.13.0-dev20190117
>>> print(tf.executing_eagerly())
True

不要担心1.13.x版本，这只是意味着它是早期预览。这里要注意的是我们默认处于eager模式！

>>> print(tf.reduce_sum([1, 2, 3, 4, 5]))
tf.Tensor(15, shape=(), dtype=int32)

如果你还不熟悉eager模式，那么实质上意味着计算是在运行时被执行的，而不是通过预编译的图（曲线图）来执行。你可以在TensorFlow文档中找到一个很好的概述。

深度强化学习

一般而言，强化学习是解决连续决策问题的高级框架。RL通过基于某些agent进行导航观察环境，并且获得奖励。大多数RL算法通过最大化代理在一轮游戏期间收集的奖励总和来工作。

基于RL的算法的输出通常是policy（策略）-将状态映射到函数有效的策略中，有效的策略可以像硬编码的无操作动作一样简单。在某些状态下，随机策略表示为行动的条件概率分布。

演员，评论家方法（Actor-Critic Methods）

RL算法通常基于它们优化的目标函数进行分组。Value-based诸如DQN之类的方法通过减少预期的状态-动作值的误差来工作。

策略梯度（Policy Gradients）方法通过调整其参数直接优化策略本身，通常通过梯度下降完成的。完全计算梯度通常是难以处理的，因此通常要通过蒙特卡罗方法估算它们。

最流行的方法是两者的混合：actor-critic方法，其中代理策略通过策略梯度进行优化，而基于值的方法用作预期值估计的引导。

深度演员-批评方法

虽然很多基础的RL理论是在表格案例中开发的，但现代RL几乎完全是用函数逼近器完成的，例如人工神经网络。具体而言，如果策略和值函数用深度神经网络近似，则RL算法被认为是“深度”。

异步优势演员-评论家（actor-critical）

多年来，为了提高学习过程的样本效率和稳定性，技术发明者已经进行了一些改进。

首先，梯度加权回报：折现的未来奖励，这在一定程度上缓解了信用分配问题，并以无限的时间步长解决了理论问题。

其次，使用优势函数代替原始回报。优势在收益与某些基线之间的差异之间形成，并且可以被视为衡量给定值与某些平均值相比有多好的指标。

第三，在目标函数中使用额外的熵最大化项以确保代理充分探索各种策略。本质上，熵以均匀分布最大化来测量概率分布的随机性。

最后，并行使用多个工人加速样品采集，同时在训练期间帮助它们去相关。

将所有这些变化与深度神经网络相结合，我们得出了两种最流行的现代算法:异步优势演员评论家（actor-critical）算法，简称A3C或者A2C。两者之间的区别在于技术性而非理论性：顾名思义，它归结为并行工人如何估计其梯度并将其传播到模型中。

有了这个，我将结束我们的DRL方法之旅，因为博客文章的重点更多是关于TensorFlow2.0的功能。如果你仍然不了解该主题，请不要担心，代码示例应该更清楚。如果你想了解更多，那么一个好的资源就可以开始在Deep RL中进行Spinning Up了。

使用TensorFlow 2.0的优势演员-评论家

让我们看看实现现代DRL算法的基础是什么：演员评论家代理（actor-critic agent）。如前一节所述，为简单起见，我们不会实现并行工作程序，尽管大多数代码都会支持它，感兴趣的读者可以将其用作锻炼机会。

作为测试平台，我们将使用CartPole-v0环境。虽然它有点简单，但它仍然是一个很好的选择开始。在实现RL算法时，我总是依赖它作为一种健全性检查。

通过Keras Model API实现的策略和价值

首先，让我们在单个模型类下创建策略和价值估计NN：

import numpy as np
import tensorflow as tf
import tensorflow.keras.layers as kl

class ProbabilityDistribution(tf.keras.Model):
    def call(self, logits):
        # sample a random categorical action from given logits
        return tf.squeeze(tf.random.categorical(logits, 1), axis=-1)

class Model(tf.keras.Model):
    def __init__(self, num_actions):
        super().__init__('mlp_policy')
        # no tf.get_variable(), just simple Keras API
        self.hidden1 = kl.Dense(128, activation='relu')
        self.hidden2 = kl.Dense(128, activation='relu')
        self.value = kl.Dense(1, name='value')
        # logits are unnormalized log probabilities
        self.logits = kl.Dense(num_actions, name='policy_logits')
        self.dist = ProbabilityDistribution()

    def call(self, inputs):
        # inputs is a numpy array, convert to Tensor
        x = tf.convert_to_tensor(inputs, dtype=tf.float32)
        # separate hidden layers from the same input tensor
        hidden_logs = self.hidden1(x)
        hidden_vals = self.hidden2(x)
        return self.logits(hidden_logs), self.value(hidden_vals)

    def action_value(self, obs):
        # executes call() under the hood
        logits, value = self.predict(obs)
        action = self.dist.predict(logits)
        # a simpler option, will become clear later why we don't use it
        # action = tf.random.categorical(logits, 1)
        return np.squeeze(action, axis=-1), np.squeeze(value, axis=-1)

验证我们验证模型是否按预期工作：

import gym
env = gym.make('CartPole-v0')
model = Model(num_actions=env.action_space.n)
obs = env.reset()
# no feed_dict or tf.Session() needed at all
action, value = model.action_value(obs[None, :])
print(action, value) # [1] [-0.00145713]

这里要注意的事项：

• 模型层和执行路径是分开定义的；
• 没有“输入”图层，模型将接受原始numpy数组；
• 可以通过函数API在一个模型中定义两个计算路径；
• 模型可以包含一些辅助方法，例如动作采样；
• 在eager的模式下，一切都可以从原始的numpy数组中运行；

随机代理

现在我们可以继续学习一些有趣的东西A2CAgent类。首先，让我们添加一个贯穿整集的test方法并返回奖励总和。

class A2CAgent:
    def __init__(self, model):
        self.model = model
    def test(self, env, render=True):
        obs, done, ep_reward = env.reset(), False, 0
        while not done:
            action, _ = self.model.action_value(obs[None, :])
            obs, reward, done, _ = env.step(action)
            ep_reward += reward
            if render:
                env.render()
        return ep_reward

让我们看看我们的模型在随机初始化权重下得分多少：

agent = A2CAgent(model)
rewards_sum = agent.test(env)
print("%d out of 200" % rewards_sum) # 18 out of 200

离最佳转台还有很远，接下来是训练部分！

损失/目标函数

正如我在DRL概述部分所描述的那样，代理通过基于某些损失（目标）函数的梯度下降来改进其策略。在演员评论家中，我们训练了三个目标：用优势加权梯度加上熵最大化来改进策略，并最小化价值估计误差。

import tensorflow.keras.losses as kls
import tensorflow.keras.optimizers as ko
class A2CAgent:
    def __init__(self, model):
        # hyperparameters for loss terms
        self.params = {'value': 0.5, 'entropy': 0.0001}
        self.model = model
        self.model.compile(
            optimizer=ko.RMSprop(lr=0.0007),
            # define separate losses for policy logits and value estimate
            loss=[self._logits_loss, self._value_loss]
        )

    def test(self, env, render=True):
        # unchanged from previous section
        ...

    def _value_loss(self, returns, value):
        # value loss is typically MSE between value estimates and returns
        return self.params['value']*kls.mean_squared_error(returns, value)

    def _logits_loss(self, acts_and_advs, logits):
        # a trick to input actions and advantages through same API
        actions, advantages = tf.split(acts_and_advs, 2, axis=-1)
        # polymorphic CE loss function that supports sparse and weighted options
        # from_logits argument ensures transformation into normalized probabilities
        cross_entropy = kls.CategoricalCrossentropy(from_logits=True)
        # policy loss is defined by policy gradients, weighted by advantages
        # note: we only calculate the loss on the actions we've actually taken
        # thus under the hood a sparse version of CE loss will be executed
        actions = tf.cast(actions, tf.int32)
        policy_loss = cross_entropy(actions, logits, sample_weight=advantages)
        # entropy loss can be calculated via CE over itself
        entropy_loss = cross_entropy(logits, logits)
        # here signs are flipped because optimizer minimizes
        return policy_loss - self.params['entropy']*entropy_loss

我们完成了目标函数！请注意代码的紧凑程度：注释行几乎比代码本身多。

代理训练循环

最后，还有训练回路本身，它相对较长，但相当简单：收集样本，计算回报和优势，并在其上训练模型。

class A2CAgent:
    def __init__(self, model):
        # hyperparameters for loss terms
        self.params = {'value': 0.5, 'entropy': 0.0001, 'gamma': 0.99}
        # unchanged from previous section
        ...

   def train(self, env, batch_sz=32, updates=1000):
        # storage helpers for a single batch of data
        actions = np.empty((batch_sz,), dtype=np.int32)
        rewards, dones, values = np.empty((3, batch_sz))
        observations = np.empty((batch_sz,) + env.observation_space.shape)
        # training loop: collect samples, send to optimizer, repeat updates times
        ep_rews = [0.0]
        next_obs = env.reset()
        for update in range(updates):
            for step in range(batch_sz):
                observations[step] = next_obs.copy()
                actions[step], values[step] = self.model.action_value(next_obs[None, :])
                next_obs, rewards[step], dones[step], _ = env.step(actions[step])

                ep_rews[-1] += rewards[step]
                if dones[step]:
                    ep_rews.append(0.0)
                    next_obs = env.reset()

            _, next_value = self.model.action_value(next_obs[None, :])
            returns, advs = self._returns_advantages(rewards, dones, values, next_value)
            # a trick to input actions and advantages through same API
            acts_and_advs = np.concatenate([actions[:, None], advs[:, None]], axis=-1)
            # performs a full training step on the collected batch
            # note: no need to mess around with gradients, Keras API handles it
            losses = self.model.train_on_batch(observations, [acts_and_advs, returns])
        return ep_rews

    def _returns_advantages(self, rewards, dones, values, next_value):
        # next_value is the bootstrap value estimate of a future state (the critic)
        returns = np.append(np.zeros_like(rewards), next_value, axis=-1)
        # returns are calculated as discounted sum of future rewards
        for t in reversed(range(rewards.shape[0])):
            returns[t] = rewards[t] + self.params['gamma'] * returns[t+1] * (1-dones[t])
        returns = returns[:-1]
        # advantages are returns - baseline, value estimates in our case
        advantages = returns - values
        return returns, advantages
    def test(self, env, render=True):
        # unchanged from previous section
        ...
    def _value_loss(self, returns, value):
        # unchanged from previous section
        ...

    def _logits_loss(self, acts_and_advs, logits):
        # unchanged from previous section
        ...

训练和结果

我们现在已经准备好在CartPole-v0上训练我们的单工A2C代理了！训练过程不应超过几分钟，训练完成后，你应该看到代理成功达到200分中的目标。

rewards_history = agent.train(env)
print("Finished training, testing...")
print("%d out of 200" % agent.test(env)) # 200 out of 200

在源代码中，我包含了一些额外的帮助程序，可以打印出运行的奖励和损失，以及rewards_history的基本绘图仪。

静态计算图

有了所有这种渴望模式的成功的喜悦，你可能想知道静态图形执行是否可以。当然！此外，我们还需要多一行代码来启用它！

with tf.Graph().as_default():
    print(tf.executing_eagerly()) # False
    model = Model(num_actions=env.action_space.n)
    agent = A2CAgent(model)
    rewards_history = agent.train(env)
    print("Finished training, testing...")
    print("%d out of 200" % agent.test(env)) # 200 out of 200

有一点需要注意，在静态图形执行期间，我们不能只有Tensors，这就是为什么我们在模型定义期间需要使用CategoricalDistribution的技巧。事实上，当我在寻找一种在静态模式下执行的方法时，我发现了一个关于通过Keras API构建的模型的一个有趣的低级细节。

还有一件事…

还记得我说过TensorFlow默认是运行在eager模式下吧，甚至用代码片段证明它吗？好吧，我错了。

如果你使用Keras API来构建和管理模型，那么它将尝试将它们编译为静态图形。所以你最终得到的是静态计算图的性能，具有渴望执行的灵活性。

你可以通过model.run_eagerly标志检查模型的状态，你也可以通过设置此标志来强制执行eager模式变成True，尽管大多数情况下你可能不需要这样做。但如果Keras检测到没有办法绕过eager模式，它将自动退出。

为了说明它确实是作为静态图运行，这里是一个简单的基准测试：

# create a 100000 samples batch
env = gym.make('CartPole-v0')
obs = np.repeat(env.reset()[None, :], 100000, axis=0)

Eager基准

%%time
model = Model(env.action_space.n)
model.run_eagerly = True
print("Eager Execution:  ", tf.executing_eagerly())
print("Eager Keras Model:", model.run_eagerly)
_ = model(obs)
######## Results #######
Eager Execution:   True
Eager Keras Model: True
CPU times: user 639 ms, sys: 736 ms, total: 1.38 s

静态基准

%%time
with tf.Graph().as_default():
    model = Model(env.action_space.n)
    print("Eager Execution:  ", tf.executing_eagerly())
    print("Eager Keras Model:", model.run_eagerly)
    _ = model.predict(obs)
######## Results #######
Eager Execution:   False
Eager Keras Model: False
CPU times: user 793 ms, sys: 79.7 ms, total: 873 ms

默认基准

%%time
model = Model(env.action_space.n)
print("Eager Execution:  ", tf.executing_eagerly())
print("Eager Keras Model:", model.run_eagerly)
_ = model.predict(obs)
######## Results #######
Eager Execution:   True
Eager Keras Model: False
CPU times: user 994 ms, sys: 23.1 ms, total: 1.02 s

正如你所看到的，eager模式是静态模式的背后，默认情况下，我们的模型确实是静态执行的。

结论

希望本文能够帮助你理解DRL和TensorFlow2.0。请注意，TensorFlow2.0仍然只是预览版本，甚至不是候选版本，一切都可能发生变化。如果TensorFlow有什么东西你特别不喜欢，让它的开发者知道！

人们可能会有一个挥之不去的问题：TensorFlow比PyTorch好吗？也许，也许不是。它们两个都是伟大的库，所以很难说这样谁好，谁不好。如果你熟悉PyTorch，你可能已经注意到TensorFlow 2.0不仅赶上了它，而且还避免了一些PyTorch API的缺陷。

在任何一种情况下，对于开发者来说，这场竞争都已经为双方带来了积极的结果，我很期待看到未来的框架将会变成什么样。

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