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Deep Q Network

深度强化学习在很多应用场景中表现惊艳，比如DQN :cite:`dqn` 就是一个很好的例子，在Atari游戏中一鸣惊人。在本教程中，我们会逐步展示如何在Cartpole任务上使用天授训练一个DQN智能体。 完整的代码位于 test/discrete/test_dqn.py。

与现有深度强化学习平台（比如 RLlib）不同，它们将超参数、网络结构等内容整合成一个config.yaml。天授从代码层面上提供了一个简洁的搭建方式。

创建环境

首先创建与智能体交互的环境。环境接口遵循 OpenAI Gym。运行如下命令：

import gym
import tianshou as ts

env = gym.make('CartPole-v0')

CartPole-v0是一个很简单的离散动作空间场景，DQN也是为了解决这种任务。在使用不同种类的强化学习算法前，您需要了解每个算法是否能够应用在离散动作空间场景 / 连续动作空间场景中，例如DDPG :cite:`ddpg` 就只能用在连续动作空间任务中，其他基于策略梯度的算法可以用在任意这两个场景中。

并行环境装饰器

此处定义训练环境和测试环境。使用原来的 gym.Env 当然是可以的：

train_envs = gym.make('CartPole-v0')
test_envs = gym.make('CartPole-v0')

天授提供了向量化环境装饰器，比如 :class:`~tianshou.env.VectorEnv`、:class:`~tianshou.env.SubprocVectorEnv` 和 :class:`~tianshou.env.RayVectorEnv`。可以像下面这样使用：

train_envs = ts.env.DummyVectorEnv([lambda: gym.make('CartPole-v0') for _ in range(8)])
test_envs = ts.env.DummyVectorEnv([lambda: gym.make('CartPole-v0') for _ in range(100)])

此处在 train_envs 建立了8个环境，在 test_envs 建立了100个环境。接下来为了展示需要，使用第二个代码块。

建立网络

天授支持任意的用户定义的网络和优化器，但是需要遵循既定API，比如像下面这样：

import torch, numpy as np
from torch import nn

class Net(nn.Module):
    def __init__(self, state_shape, action_shape):
        super().__init__()
        self.model = nn.Sequential(*[
            nn.Linear(np.prod(state_shape), 128), nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(128, 128), nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(128, 128), nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(128, np.prod(action_shape))
        ])
    def forward(self, obs, state=None, info={}):
        if not isinstance(obs, torch.Tensor):
            obs = torch.tensor(obs, dtype=torch.float)
        batch = obs.shape[0]
        logits = self.model(obs.view(batch, -1))
        return logits, state

state_shape = env.observation_space.shape or env.observation_space.n
action_shape = env.action_space.shape or env.action_space.n
net = Net(state_shape, action_shape)
optim = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=1e-3)

定义网络的规则如下：

  • 输入
    • obs，观测值，为 numpy.ndarray、torch.Tensor、或者自定义的类、或者字典
    • state，隐藏状态表示，为RNN使用，可以为字典或者 numpy.ndarray 或者 torch.Tensor
    • info，环境信息，由环境提供，是一个字典
  • 输出
    • logits：网络的原始输出，会被用来计算Policy，比如输出Q值，然后在DQNPolicy中后续会进一步计算 \arg\max_a Q(s, a)；又比如PPO :cite:`ppo` 算法中，如果使用对角高斯策略，则 logits 为 (mu, sigma)
    • state：下一个隐藏状态，还是为了RNN

一些已经定义好并已经内置的MLP网络可以在 tianshou.utils.net.common、tianshou.utils.net.discrete 和 tianshou.utils.net.continuous 中找到。

初始化策略

我们使用上述代码中定义的 net 和 optim，以及其他超参数，来定义一个策略。此处定义了一个有目标网络（Target Network）的DQN策略：

policy = ts.policy.DQNPolicy(net, optim, discount_factor=0.9, estimation_step=3, target_update_freq=320)

定义采集器

采集器（Collector）是天授中的一个关键概念。它定义了策略与不同环境交互的逻辑。在每一回合（step）中，采集器会让策略与环境交互指定数目（至少）的步数或者轮数，并且会将产生的数据存储在重放缓冲区中。

train_collector = ts.data.Collector(policy, train_envs, ts.data.VectorReplayBuffer(20000, 10), exploration_noise=True)
test_collector = ts.data.Collector(policy, test_envs, exploration_noise=True)

使用训练器训练策略

天授提供了两种类型的训练器，:class:`~tianshou.trainer.onpolicy_trainer` 和 :class:`~tianshou.trainer.offpolicy_trainer`，分别对应同策略学习和异策略学习。 训练器会在 stop_fn 达到条件的时候停止训练。由于DQN是一种异策略算法，因此使用 :class:`~tianshou.trainer.offpolicy_trainer` 进行训练：

result = ts.trainer.offpolicy_trainer(
    policy, train_collector, test_collector,
    max_epoch=10, step_per_epoch=10000, step_per_collect=10,
    update_per_step=0.1, episode_per_test=100, batch_size=64,
    train_fn=lambda epoch, env_step: policy.set_eps(0.1),
    test_fn=lambda epoch, env_step: policy.set_eps(0.05),
    stop_fn=lambda mean_rewards: mean_rewards >= env.spec.reward_threshold)
print(f'Finished training! Use {result["duration"]}')

每个参数的具体含义如下：

  • max_epoch：最大允许的训练轮数，有可能没训练完这么多轮就会停止（因为满足了 stop_fn 的条件）
  • step_per_epoch：每个epoch要更新多少次策略网络
  • step_per_collect：每次更新前要收集多少帧与环境的交互数据。上面的代码参数意思是，每收集10帧进行一次网络更新
  • episode_per_test：每次测试的时候花几个rollout进行测试
  • batch_size：每次策略计算的时候批量处理多少数据
  • train_fn：在每个epoch训练之前被调用的函数，输入的是当前第几轮epoch和当前用于训练的env一共step了多少次。上面的代码意味着，在每次训练前将epsilon设置成0.1
  • test_fn：在每个epoch测试之前被调用的函数，输入的是当前第几轮epoch和当前用于训练的env一共step了多少次。上面的代码意味着，在每次测试前将epsilon设置成0.05
  • stop_fn：停止条件，输入是当前平均总奖励回报（the average undiscounted returns），返回是否要停止训练
  • logger：天授支持 TensorBoard，可以像下面这样初始化：
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from tianshou.utils import TensorboardLogger
writer = SummaryWriter('log/dqn')
logger = TensorboardLogger(writer)

把logger送进去，训练器会自动把训练日志记录在里面。

训练器返回的结果是个字典，如下所示：

{
    'train_step': 9246,
    'train_episode': 504.0,
    'train_time/collector': '0.65s',
    'train_time/model': '1.97s',
    'train_speed': '3518.79 step/s',
    'test_step': 49112,
    'test_episode': 400.0,
    'test_time': '1.38s',
    'test_speed': '35600.52 step/s',
    'best_reward': 199.03,
    'duration': '4.01s'
}

可以看出大概4秒就在CartPole任务上训练出来一个DQN智能体，在100轮测试中平均总奖励回报为199.03。

存储、导入策略

因为策略继承了 torch.nn.Module，所以存储和导入策略和PyTorch中的网络并无差别，如下所示：

torch.save(policy.state_dict(), 'dqn.pth')
policy.load_state_dict(torch.load('dqn.pth'))

可视化智能体的表现

采集器 :class:`~tianshou.data.Collector` 支持渲染智能体的表现。下面的代码展示了以35FPS的帧率查看智能体表现：

policy.eval()
policy.set_eps(0.05)
collector = ts.data.Collector(policy, env, exploration_noise=True)
collector.collect(n_episode=1, render=1 / 35)

定制化训练器

天授为了能够支持用户的定制化训练器，在Trainer做了尽可能少的封装。使用者可以自由地编写自己所需要的训练策略，比如：

# 在正式训练前先收集5000帧数据
train_collector.collect(n_step=5000, random=True)

policy.set_eps(0.1)
for i in range(int(1e6)):  # 训练总数
    collect_result = train_collector.collect(n_step=10)

    # 如果收集的episode平均总奖励回报超过了阈值，或者每隔1000步，
    # 就会对policy进行测试
    if collect_result['rews'].mean() >= env.spec.reward_threshold or i % 1000 == 0:
        policy.set_eps(0.05)
        result = test_collector.collect(n_episode=100)
        if result['rews'].mean() >= env.spec.reward_threshold:
            print(f'Finished training! Test mean returns: {result["rews"].mean()}')
            break
        else:
            # 重新设置eps为0.1，表示训练策略
            policy.set_eps(0.1)

    # 使用采样出的数据组进行策略训练
    losses = policy.update(64, train_collector.buffer)