0 復習

由于actor-critic 是 policy gradient 和DQN的一個結合，所以我們先對這兩個進行一個簡單的復習：

0.1 policy gradient

強化學習筆記：Policy-based Approach_UQI-LIUWJ的博客-CSDN博客

? ? ? ? ?在policy network中，我們使用梯度上升的方法更新參數。梯度計算方法如下：（這里的N是采樣次數，我們為了更新θ，采樣N次）

?????????這個式子是在說，我們先讓 agent 去跟環境互動（采樣），那我們可以計算出在某一個狀態 s，采取了某一個動作 a 的概率。

????????接下來，我們去計算在某一個狀態 s 采取了某一個動作 a 之后，到游戲結束為止，累積獎勵有多大。我們把從時間 t 到時間 T 的獎勵通通加起來，并且會在前面乘一個折扣因子γ。

????????我們會減掉一個 baseline b，減掉這個值 b 的目的，是希望括號這里面這一項是有正有負的。如果括號里面這一項是正的，我們就要通過更新θ來增加在這個狀態采取這個動作的機率；如果括號里面是負的，我們就要通過更新θ來減少在這個狀態采取這個動作的機率。

?????????我們把用 G 來表示累積獎勵。

????????但 G 這個值，其實是非常不穩定的。因為互動（采樣）的過程本身是有隨機性的，所以在某一個狀態 s 采取某一個動作 a，然后計算累積獎勵，每次算出來的結果都是不一樣的（因為后續各狀態選取action都是按照概率選取的，所以之后各個狀態、各個action的路徑是不一樣的）?。

????????假設我們可以采樣足夠的次數，在每次更新參數之前，我們都可以采樣足夠的次數，那其實沒有什么問題。但問題就是我們每次做 policy gradient，每次更新參數之前都要做一些采樣，這個采樣的次數其實是不可能太多的，我們只能夠做非常少量的采樣。所以會有一定的誤差。這也是policy gradient的不足之處

0.2 DQN

? ? ? ? 那么針對之前所說的policy gradient的不足之處，有沒有什么辦法可以讓整個訓練過程變得穩定一些呢？?

????????

?????????我們在狀態 s 采取動作 a 的時候，直接用一個網絡去估測在狀態 s 采取動作 a 的時候，G 的期望值。如果這件事情是可行的，那之后訓練的時候，就用期望值來代替采樣的值，這樣會讓訓練變得比較穩定。

????????這邊就需要引入基于價值的(value-based)的方法。基于價值的方法就是 Q-learning。Q-learning 有兩種函數，有兩種 critics：

• 第一種 critic 是，它的意思是說，假設 actor 是?π，拿?π?去跟環境做互動，當我們看到狀態 s 的時候，接下來累積獎勵 的期望值有多少。

• 還有一個 critic 是。把 s 跟 a 當作輸入，它的意思是說，在狀態 s 采取動作 a，接下來都用 actor π?來跟環境進行互動，累積獎勵的期望值是多少。

????????可以用 TD 或 MC 來估計。用 TD 比較穩定，用 MC 比較精確。

DQN 筆記 State-action Value Function(Q-function)_UQI-LIUWJ的博客-CSDN博客

1 actor-critic

?隨機變量?G的期望值正好就是 Q

????????Q-function 的定義就是在某一個狀態 s，采取某一個動作 a，假設 policy 就是 π?的情況下會得到的累積獎勵的期望值有多大，而這個東西就是 G 的期望值。

????????所以假設用來代表這一項的話，把 Q-function 套在這里就結束了，我們就可以把 Actor 跟 Critic 這兩個方法結合起來。

?????????有不同的方法來表示 baseline，但一個常見的做法是用價值函數來表示 baseline。

????????價值函數是說，假設 policy 是π，在某一個狀態 s 一直互動到游戲結束，期望獎勵(expected reward)有多大。沒有涉及到動作，涉及到動作。

???????會是的期望值（關于不同action的期望值），所以會有正有負，所以代換后的?這一項就會是有正有負的。合理。

????????

所以我們就把 policy gradient 里面?這一項換成了。

2 advantage?actor-critic (A2C)

2.1 大致思想

?

????????如果你這么實現的話，有一個缺點是：你要估計 2 個 網絡：Q-network 和 V-network。不僅耗時，而且不確定性大。

????????事實上在這個 Actor-Critic 方法里面。你可以只估測 V 這個網絡，你可以用 V 的值來表示 Q 的值，可以寫成的期望值，即

????????

?????????你在狀態 s 采取動作 a，會得到獎勵 r，然后跳到狀態。但是你會得到什么樣的獎勵 r，跳到什么樣的狀態，它本身是有隨機性的。所以要把右邊這個式子，取期望值它才會等于 Q-function。

? ? ? ? ?但是在A3C 論文里面，通過實驗發現，把期望值直接摘掉，效果更好，于是就有：

????????因為叫做?Advantage function。所以這整個方法就叫?Advantage Actor-Critic。

?2.2 大體流程

?????????我們有一個 初始的 actor? π，用他去跟環境做互動，先采樣收集資料。

????????在 policy gradient 方法里面收集資料以后，你就要拿去通過梯度上升的方法更新 policy。

????????但是在 actor-critic 方法里面，你先拿這些采樣得到的資料去估計價值函數V（用 TD 或 MC 來估計價值函數） 。接下來，你再基于價值函數，套用下面這個式子去更新?π，得到新的actor π'。

? ??

????????然后你有了新的?π?以后，再去跟環境互動，再收集新的資料，去估計價值函數。然后再用新的價值函數 去更新 policy，去更新 actor。

2.3 tips

2.3.1 前幾層共享參數

????????我們需要估計兩個網絡：V function 、?policy 的網絡（也就是 actor）。?

• Critic 網絡輸入一個狀態，輸出一個標量。
• Actor 網絡π(s)?輸入一個狀態，
  • 如果動作是離散的，輸出就是一個動作的概率分布。
  • 如果動作是連續的，輸出就是一個連續的向量。
• 這兩個網絡，actor 和 critic 的輸入都是 s，所以它們前面幾個層是可以共享的。

????????假設你今天是玩 Atari 游戲，輸入都是圖像。輸入的圖像都非常復雜，圖像很大，通常你前面都會用一些 CNN 來處理，把那些圖像抽象成高級的信息。把像素級別的信息抽象成高級信息這件事情，其實對 actor 跟 critic 來說是可以共用的。所以通常你會讓 actor 跟 critic 的前面幾個層共用同一組參數，那這一組參數可能是 CNN 的參數。

? ? ? ? 換句話說，先把輸入的像素變成比較高級的信息，然后再給 actor 去決定說它要采取什么樣的行為；給?critic去計算V function。

2.3.2 探索機制exploration

????????在做 Actor-Critic 的時候，有一個常見的探索的方法是去約束 π?的輸出的分布。

????????這個約束是希望這個分布的熵(entropy)不要太小，希望這個分布的熵可以大一點，也就是希望不同的動作它的被采用的概率平均一點。

????????這樣在測試的時候，它才會多嘗試各種不同的動作，才會把這個環境探索的比較好，才會得到比較好的結果。

3 A3C

3.1 大體思想（來自李宏毅教授）

????????強化學習有一個問題就是它很慢，那怎么增加訓練的速度呢？李宏毅教授舉了一個很直觀的例子：

????????有一次鳴人說，他想要在一周之內打敗曉，所以要加快修行的速度，他老師就教他一個方法：用影分身進行同樣修行。兩個一起修行的話，經驗值累積的速度就會變成 2 倍，所以鳴人就開了 1000 個影分身來進行修行。這個其實就是?Asynchronous(異步的) Advantage Actor-Critic，也就是 A3C 這個方法的精神。

?3.2 主體框架

????????A3C 這個方法就是同時開很多個 worker，那每一個 worker 其實就是一個影分身。那最后這些影分身會把所有的經驗，通通集合在一起。你如果沒有很多個 CPU，可能也是不好實現的，你可以實現 A2C 就好。

• A3C 一開始有一個 global network。假設 global network 的參數是θ1?，你會開很多個 worker。每一個 worker 就用一張 CPU 去跑。比如你就開 8 個 worker，那你至少 8 張 CPU。每一個 worker 工作前都會將 global network 的參數復制過來。

• 接下來你就去跟環境做互動。每一個 actor 跟環境做互動，互動完之后，你就會計算出梯度。計算出梯度以后，用你的梯度去更新 global network 的參數。（就是這個 worker 算出梯度以后，就把梯度傳回給中央的控制中心，然后中央的控制中心就會拿這個梯度去更新原來的參數。）

• 下一步，這個worker將更新完的參數θ2復制回來，繼續同樣的過程。

????????注意，所有的 actor 都是平行跑的，每一個 actor 就是各做各的，不管彼此。

????????所以每個人都是去要了一個參數以后，做完就把參數傳回去。

? ? ? ? 因此當第一個 worker 做完想要把參數傳回去的時候，本來它要的參數是θ1?，等它要把梯度傳回去的時候。可能別人已經把原來的參數覆蓋掉，變成θ2?了。但是沒有關系，global network 對θ2進行更新（使用worker傳回的梯度）。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的强化学习笔记：Actor-critic的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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