Q-learning算法实现

1、算法：
Q-learning算法实现
整个算法就是一直不断更新 Q table 里的值, 然后再根据新的值来判断要在某个 state 采取怎样的 action. Qlearning 是一个 off-policy 的算法, 因为里面的 max action 让 Q table 的更新可以不基于正在经历的经验(可以是现在学习着很久以前的经验,甚至是学习他人的经验). 不过这一次的例子, 我们没有运用到 off-policy, 而是把 Qlearning 用在了 on-policy 上, 也就是现学现卖, 将现在经历的直接当场学习并运用. On-policy 和 off-policy 的差别我们会在之后的 Deep Q network (off-policy) 学习中见识到. 而之后的教程也会讲到一个 on-policy (Sarsa) 的形式, 我们之后再对比.
2、代码实现：
maze_env ：环境模块, maze_env 模块我们可以不深入研究, 可以去看看如何使用 python 自带的简单 GUI 模块 tkinter 来编写虚拟环境.
RL_brain：这个模块是 Reinforment Learning 的大脑部分。

from maze_env import Maze
from RL_brain import QLearningTable`

算法主要部分：

def update():
    # 学习 100 回合
    for episode in range(100):
        # 初始化 state 的观测值
        observation = env.reset()

        while True:
            # 更新可视化环境
            env.render()

            # RL 大脑根据 state 的观测值挑选 action
            action = RL.choose_action(str(observation))

            # 探索者在环境中实施这个 action, 并得到环境返回的下一个 state 观测值, reward 和 done (是否是掉下地狱或者升上天堂)
            observation_, reward, done = env.step(action)

            # RL 从这个序列 (state, action, reward, state_) 中学习
            RL.learn(str(observation), action, reward, str(observation_))

            # 将下一个 state 的值传到下一次循环
            observation = observation_

            # 如果掉下地狱或者升上天堂, 这回合就结束了
            if done:
                break

    # 结束游戏并关闭窗口
    print('game over')
    env.destroy()

if __name__ == "__main__":
    # 定义环境 env 和 RL 方式
    env = Maze()
    RL = QLearningTable(actions=list(range(env.n_actions)))

    # 开始可视化环境 env
    env.after(100, update)
    env.mainloop()
3、QLearningTable：
3.1、主结构

class QLearningTable:
    # 初始化
    def __init__(self, actions, learning_rate=0.01, reward_decay=0.9, e_greedy=0.9):

    # 选行为
    def choose_action(self, observation):

    # 学习更新参数
    def learn(self, s, a, r, s_):

    # 检测 state 是否存在
    def check_state_exist(self, state):

3.2、预设值：

import numpy as np
import pandas as pd


class QLearningTable:
    def __init__(self, actions, learning_rate=0.01, reward_decay=0.9, e_greedy=0.9):
        self.actions = actions  # a list
        self.lr = learning_rate # 学习率
        self.gamma = reward_decay   # 奖励衰减
        self.epsilon = e_greedy     # 贪婪度
        self.q_table = pd.DataFrame(columns=self.actions)   # 初始 q_table

3.3、决定行为：
这里是定义如何根据所在的 state, 或者是在这个 state 上的观测值 (observation) 来决策.

def choose_action(self, observation):
        self.check_state_exist(observation) # 检测本 state 是否在 q_table 中存在(见后面标题内容)

        # 选择 action
        if np.random.uniform() < self.epsilon:  # 选择 Q value 最高的 action
            state_action = self.q_table.ix[observation, :]

            # 同一个 state, 可能会有多个相同的 Q action value, 所以我们乱序一下
            state_action = state_action.reindex(np.random.permutation(state_action.index))
            action = state_action.argmax()

        else:   # 随机选择 action
            action = np.random.choice(self.actions)

        return action

3.4、学习：
根据是否是 terminal state (回合终止符) 来判断应该如何更行 q_table. 更新的方式是不是很熟悉呢:

update = self.lr * (q_target - q_predict)

这可以理解成神经网络中的更新方式, 学习率 * (真实值 - 预测值). 将判断误差传递回去, 有着和神经网络更新的异曲同工之处.

def learn(self, s, a, r, s_):
        self.check_state_exist(s_)  # 检测 q_table 中是否存在 s_ (见后面标题内容)
        q_predict = self.q_table.ix[s, a]
        if s_ != 'terminal':
            q_target = r + self.gamma * self.q_table.ix[s_, :].max()  # 下个 state 不是 终止符
        else:
            q_target = r  # 下个 state 是终止符
        self.q_table.ix[s, a] += self.lr * (q_target - q_predict)  # 更新对应的 state-action 值

3.5、检测state是否存在：
这个功能就是检测 q_table 中有没有当前 state 的步骤了, 如果还没有当前 state, 那我我们就插入一组全 0 数据, 当做这个 state 的所有 action 初始 values.

 def check_state_exist(self, state):
        if state not in self.q_table.index:
            # append new state to q table
            self.q_table = self.q_table.append(
                pd.Series(
                    [0]*len(self.actions),
                    index=self.q_table.columns,
                    name=state,
                )
            )

4、附加环境env：

"""
import numpy as np
np.random.seed(1)
import tkinter as tk
import time


UNIT = 40   # pixels
MAZE_H = 4  # grid height
MAZE_W = 4  # grid width


class Maze(tk.Tk, object):
    def __init__(self):
        super(Maze, self).__init__()
        self.action_space = ['u', 'd', 'l', 'r']
        self.n_actions = len(self.action_space)
        self.title('maze')
        self.geometry('{0}x{1}'.format(MAZE_H * UNIT, MAZE_H * UNIT))
        self._build_maze()

    def _build_maze(self):
        self.canvas = tk.Canvas(self, bg='white',
                           height=MAZE_H * UNIT,
                           width=MAZE_W * UNIT)

        # create grids for c in range(0, MAZE_W * UNIT, UNIT): x0, y0, x1, y1 = c, 0, c, MAZE_H * UNIT self.canvas.create_line(x0, y0, x1, y1) for r in range(0, MAZE_H * UNIT, UNIT): x0, y0, x1, y1 = 0, r, MAZE_H * UNIT, r self.canvas.create_line(x0, y0, x1, y1) # create origin origin = np.array([20, 20]) # hell hell1_center = origin + np.array([UNIT * 2, UNIT]) self.hell1 = self.canvas.create_rectangle( hell1_center[0] - 15, hell1_center[1] - 15, hell1_center[0] + 15, hell1_center[1] + 15, fill='black') # hell hell2_center = origin + np.array([UNIT, UNIT * 2]) self.hell2 = self.canvas.create_rectangle( hell2_center[0] - 15, hell2_center[1] - 15, hell2_center[0] + 15, hell2_center[1] + 15, fill='black') # create oval oval_center = origin + UNIT * 2 self.oval = self.canvas.create_oval( oval_center[0] - 15, oval_center[1] - 15, oval_center[0] + 15, oval_center[1] + 15, fill='yellow') # create red rect self.rect = self.canvas.create_rectangle( origin[0] - 15, origin[1] - 15, origin[0] + 15, origin[1] + 15, fill='red') # pack all self.canvas.pack() def reset(self): self.update() time.sleep(0.5) self.canvas.delete(self.rect) origin = np.array([20, 20]) self.rect = self.canvas.create_rectangle( origin[0] - 15, origin[1] - 15, origin[0] + 15, origin[1] + 15, fill='red') # return observation return self.canvas.coords(self.rect) def step(self, action): s = self.canvas.coords(self.rect) base_action = np.array([0, 0]) if action == 0: # up if s[1] > UNIT: base_action[1] -= UNIT elif action == 1: # down if s[1] < (MAZE_H - 1) * UNIT: base_action[1] += UNIT elif action == 2: # right if s[0] < (MAZE_W - 1) * UNIT: base_action[0] += UNIT elif action == 3: # left if s[0] > UNIT: base_action[0] -= UNIT self.canvas.move(self.rect, base_action[0], base_action[1]) # move agent s_ = self.canvas.coords(self.rect) # next state # reward function if s_ == self.canvas.coords(self.oval): reward = 1 done = True elif s_ in [self.canvas.coords(self.hell1), self.canvas.coords(self.hell2)]: reward = -1 done = True else: reward = 0 done = False return s_, reward, done def render(self): time.sleep(0.1) self.update()

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