深度强化学习——DQN
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2021-02-24
21:38:29
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深度强化学习深度强化学习——DQN
一、DRL
原因：在普通的Q-learning中，当状态和动作空间是离散且维数不高时可使用Q-Table储存每个状态动作对的Q值，而当状态
和动作空间是高维连续时，使用Q-Table不现实。
通常做法是把Q-Table的更新问题变成一个函数拟合问题，相近的状态得到相近的输出动作。如下式，通过更新参数 θθ 使Q函
数逼近最优Q值
Q(s,a;θ)≈Q′(s,a)
而深度神经网络可以自动提取复杂特征，因此，面对高维且连续的状态使用深度神经网络最合适不过了。
DRL是将深度学习（DL）与强化学习（RL）结合，直接从高维原始数据学习控制策略。而DQN是DRL的其中一种算法，它要
做的就是将卷积神经网络（CNN）和Q-Learning结合起来，CNN的输入是原始图像数据（作为状态State），输出则是每个动
作Action对应的价值评估Value Function（Q值）。
二、DL与RL结合的问题
DL需要大量带标签的样本进行监督学习；RL只有reward返回值，而且伴随着噪声，延迟（过了几十毫秒才返回），稀疏（很
多State的reward是0）等问题；
DL的样本独立；RL前后state状态相关；
DL目标分布固定；RL的分布一直变化，比如你玩一个游戏，一个关卡和下一个关卡的状态分布是不同的，所以训练好了前一
个关卡，下一个关卡又要重新训练；
过往的研究表明，使用非线性网络表示值函数时出现不稳定等问题。
三、DQN解决问题方法
通过Q-Learning使用reward来构造标签（对应问题1）
通过experience replay（经验池）的方法来解决相关性及非静态分布问题（对应问题2、3）
使用一个CNN（MainNet）产生当前Q值，使用另外一个CNN（Target）产生Target Q值（对应问题4）
1、构造标签
前面提到DQN中的CNN作用是对在高维且连续状态下的Q-Table做函数拟合，而对于函数优化问题，监督学习的一般方法是
先确定Loss Function，然后求梯度，使用随机梯度下降等方法更新参数。DQN则基于Q-Learning来确定Loss Function。
Q-Learning
有关RL的基础知识不再啰嗦，直接看Q-Learning的更新公式：
Q?(s,a)=Q(s,a)+α(r+γmaxa′Q(s′,a′)?Q(s,a))
而DQN的Loss Function为
L(θ)=E[(TargetQ?Q(s,a;θ))2]
其中 θθ 是网络参数，目标为
TargetQ=r+γmaxa′Q(s′,a′;θ)
显然Loss Function是基于Q-Learning更新公式的第二项确定的，两个公式意义相同，都是使当前的Q值逼近Target Q值。
接下来，求 L(θ)L(θ) 关于 θθ 的梯度，使用SGD等方法更新网络参数 θθ。
2、经验池（experience replay）
经验池的功能主要是解决相关性及非静态分布问题。具体做法是把每个时间步agent与环境交互得到的转移样本 (st,at,rt,st+1)
(st,at,rt,st+1) 储存到回放记忆单元，要训练时就随机拿出一些（minibatch）来训练。（其实就是将游戏的过程打成碎片存
储，训练时随机抽取就避免了相关性问题）
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