强化学习调参技巧：DDPG、TD3、SAC算法为例：

时间：2022-12-15 17:02:10

1.训练环境如何正确编写

强化学习里的 env.reset() env.step() 就是训练环境。其编写流程如下：

1.1 初始阶段：

先写一个简化版的训练环境。把任务难度降到最低，确保一定能正常训练。记录正常训练的智能体的分数，与随机动作、传统算法得到的分数做比较。 DRL算法的分数应该明显高于随机动作（随机执行动作）。DRL算法不应该低于传统算法的分数。如果没有传统算法，那么也需要自己写一个局部最优的算法

评估策略的性能: 大部分情况下，可以直接是对Reward Function 给出的reward 进行求和得到的每轮收益episode return作为策略评分。有时候可以需要直接拿策略的实际分数作为评分 需要保证这个简化版的代码：高效、简洁、可拓展

1.2 改进阶段：

让任务难度逐步提高，对训练环境env 进行缓慢的修改，时刻保存旧版本的代码同步微调 Reward Function，可以直接代入自己的人类视角，为某些行为添加正负奖励。注意奖励的平衡（有正有负）。注意不要为Reward Function 添加太多额外规则，时常回过头取消一些规则，避免过度矫正。 同步微调 DRL算法，只建议微调超参数，但不建议对算法核心进行修改。因为任务变困难了，所以需要调整超参数让训练变快。同时摸清楚在这个训练环境下，算法对哪几个超参数是敏感的。有时候为了节省时间，甚至可以为 off-policy 算法保存一些典型的 trajectory（不建议在最终验证阶段使用）。 每一次修改，都需要跑一下记录不同方法的分数，确保：随机动作 < 传统方法 < DRL算法。这样才能及时发现代码逻辑上的错误。要极力避免代码中出现复数个的错误，因为极难排查。

1.3 收尾阶段：

尝试慢慢删掉Reward Function 中一些比较复杂的东西，删不掉就算了。 选择<font color="red">高低两组超参数</font>再跑一次，确认没有优化空间。

2. 超参数解释分析

2.1 off-policy算法中常见的超参数

  • 网络宽度： network dimension number。DRL 全连接层的宽度（特征数量）
  • 网络层数： network layer number。一个输入张量到输出需要乘上w的次数
  • 随机失活： dropout
  • 批归一化： batch normalization
  • 记忆容量： 经验回放缓存 experimence replay buffer 的最大容量 max capacity
  • 批次大小： batch size。使用优化器更新时，每次更新使用的数据数量
  • 更新次数：update times。使用梯度下降更新网络的次数
  • 折扣因子： discount factor、gamma

【网络宽度、网络层数】 越复杂的函数就需要越大容量的神经网络去拟合。在需要训练1e6步的任务中，我一般选择 宽度128、256，层数小于8的网络（请注意，乘以一个w算一层，一层LSTM等于2层）。使用ResNet等结构会有很小的提升。一般选择一个略微冗余的网络容量即可，把调整超参数的精力用在这上面不划算，我建议这些超参数都粗略地选择2的N次方，

因为：防止过度调参，超参数选择x+1 与 x-1并没有什么区别，但是 x与2x一定会有显著区别
2的N次方大小的数据，刚好能完整地放进CPU或GPU的硬件中进行计算，如Tensor Core
过大、过深的神经网络不适合DRL，

因为：深度学习可以在整个训练结束后再使用训练好的模型。
而强化学习需要在几秒钟的训练后马上使用刚训好的模型。
这导致DRL只能用比较浅的网络来保证快速拟合（10层以下）
并且强化学习的训练数据不如有监督学习那么稳定，无法划分出训练集测试集去避免过拟合，
因此DRL也不能用太宽的网络（超过1024），避免参数过度冗余导致过拟合

【dropout、批归一化】 她们在DL中得到广泛地使用，可惜不适合DRL。如果非要用，那么也要选择非常小的 dropout rate（0~0.2），而且要注意在使用的时候关掉dropout。我不用dropout。

好处：在数据不足的情况下缓解过拟合；像Noisy DQN那样去促进策略网络探索 坏处：影响DRL快速拟合的能力；略微增加训练时间

【批归一化】 经过大量实验，DRL绝对不能直接使用批归一化，如果非要用，那么就要修改Batch Normalization的动量项超参数。

【记忆容量】 经验回放缓存 experimence replay buffer 的最大容量 max capacity，如果超过容量限制，它就会删掉最早的记忆。在简单的任务中（训练步数小于1e6），对于探索能力强的DRL算法，通常在缓存被放满前就训练到收敛了，不需要删除任何记忆。然而，过大的记忆也会拖慢训练速度，我一般会先从默认值 2 ** 17 ~ 2 ** 20 开始尝试，如果环境的随机因素大，我会同步增加记忆容量 与 batch size、网络更新次数，直到逼近服务器的内存、显存上限（放在显存训练更快）

【批次大小、更新次数】 一般我会选择与网络宽度相同、或略大的批次大小batch size。我一般从128、256 开始尝试这些2的N次方。在off-policy中，每往Replay 更新几个数据，就对应地更新几次网络，这样做简单，但效果一般。（深度学习里）更优秀的更新方法是：根据Replay中数据数量，成比例地修改更新次数。Don't Decay the Learning Rate, Increase the Batch Size. ICLR. 2018 。，经过验证，DRL也适用。

【折扣因子】 discount factor、discount-rate parameter 或者叫 gamma 。0.99

2.2 on-policy算法中常见的超参数

同策略（A3C、PPO、PPO+GAE）与异策略（DQN、DDPG、TD3、SAC）的主要差异是：

  • 异策略off-policy：ReplayBuffer内可以存放“由不同策略”收集得到的数据用于更新网络

  • 同策略on-policy：ReplayBuffer内只能存放“由相同策略”收集得到的数据用于更新网络 因此以下超参数有不同的选择方法：

  • 记忆容量：经验回放缓存 experimence replay buffer 的最大容量 max capacity

  • 批次大小：batch size。使用优化器更新时，每次更新使用的数据数量

  • 更新次数：update times。使用梯度下降更新网络的次数

【记忆容量】 on-policy 算法每轮更新后都需要删除“用过的数据”，所以on-policy的记忆容量应该大于等于【单轮更新的采样步数】，随机因素更多的任务需要更大的单层采样步数才能获得更多的 轨迹 trajectory，才能有足够的数据去表达环境与策略的互动关系。详见下面PPO算法的【单轮更新的采样步数】

【批次大小】 on-policy 算法比off-policy更像深度学习，它可以采用稍大一点的学习率（2e-4）。因为【单轮更新的采样步数】更大，所以它也需要搭配更大的batch size（29 ~ 212）。如果内存显存足够，我建议使用更大的batch size，我发现一些很难调的任务，在很大的batch size（2 ** 14） 面前更容易获得单调上升的学习曲线（训练慢但是及其稳定，多GPU分布式）。请自行取舍。

【更新次数】 一般我们不直接设置更新次数，而是通过【单轮更新的采样步数】、【批次大小】和【数据重用次数】一同算出【更新次数】，详见下面PPO算法的【数据重用次数】

3. TD3特有的超参数

  • 探索噪声方差 exploration noise std
  • 策略噪声方差 policy noise std
  • 延迟更新频率 delay update frequency

如果你擅长调参，那么可以可以考虑TD3算法。如果你的算法的最优策略通常是边界值，那么你首选的算法就是TD3----<font color="red">最佳策略总在动作边界</font>

【TD3的探索方式】 让其很容易在探索「边界动作」：

  • 策略网络输出张量，经过激活函数 tanh 调整到 (-1, +1)
  • 为动作添加一个clip过的高斯噪声，噪声大小由人类指定
  • 对动作再进行一次clip操作，调整到 (-1， +1)

好处： 一些任务的最优策略本就存在存在大量边界动作，TD3可以很快学得很快。 坏处： 边界动作都是 -1或 +1，这会降低策略的多样性，网络需要在多样性好数据上训练才不容易过拟合。对于clip 到正负1之间的action，过大的噪声方差会产生大量边界动作 。 强化学习调参技巧：DDPG、TD3、SAC算法为例：

【探索噪声方差 exploration noise std】 就是上图中的s。需要先尝试小的噪声方差（如0.05），然后逐渐加大。大的噪声方差刻意多探索边界值，特定任务下能让探索更快。且高噪声下训练出来的智能体更robust（稳健、耐操）。 请注意：过大的噪声方差（大于上图蓝线的0.5）并不会让探索动作接近随机动作，而是让探索动作更接近单一的边界动作。此外，过大的噪声会影响智能体性能，导致她不容易探索到某些state。

因此，合适的探索噪声方差只能慢慢试出来，TD3适合愿意调参的人使用。在做出错误动作后容易挽回的环境，可以直接尝试较大的噪声。 我们也可以模仿 epslion-Greedy，设置一个使用随机动作的概率，或者每间隔几步探索就不添加噪声，甚至也在TD3中使用探索衰减。这些操作都会增加超参数的数量，慎用。

【策略噪声方差 policy noise std】 确定了探索噪声后，策略噪声只需要比探索噪声稍大**（1~2倍）**。TD3对策略噪声的解释是“计算Q值时，因为相似的动作的Q值也是相似的，所以TD3也为动作加一个噪声，这能使Q值函数更加光滑，提高训练稳定性 我们还能多使用几个添加噪声的动作，甚至使用加权重要性采样去算出更稳定的Q值期望。在确定策略梯度算法里的这种“在计算Q值时，为动作加noise的操作”，让TD3变得有点像随机策略梯度。无论是否有clip，策略噪声方差最大也不该超过0.5。

【延迟更新频率 delay update frequency】 TD3认为：引入目标网络进行 soft update 就是为了提高训练稳定性，那么既然 network 不够稳定，那么我们应该延迟更新目标网络 target network，即多更新几次 network，然后再更新一次target network。从这个想法再拓展出去，我们甚至可以模仿TTUR的思想做得更细致一点，针对双层优化问题我们能做：

环境随机因素多，则需要尝试更大的延迟更新频率，可尝试的值有 1~8，默认值为2 提供策略梯度的critic可以多更新几次，再更新一次actor，可尝试的值有 1~4<

提供策略梯度的critic可以设计更大的学习率，例如让critic的学习率是actor 的1~10倍

由于critic 需要处理比 actor 更多的数据，因此建议让critic网络的宽度略大于actor

4. SAC特有的超参数

尽管下面列举了4个超参数，但是后三个超参数可以直接使用默认值（默认值只会有限地影响训练速度），第一个超参数甚至可以直接通过计算选择出来，不需要调整。

  • reward scale 按比例调整奖励
  • alpha 温度系数 或 target entropy 目标 策略熵
  • learning rate of alpha 温度系数 alpha 的学习率
  • initialization of alpha 温度系数 alpha 的初始值 SAC有极少的超参数，甚至这些超参数可以在训练开始前就凭经验确定。 强化学习调参技巧：DDPG、TD3、SAC算法为例：任何存在多个loss相加的目标函数，一定需要调整系数 lambda，例如SAC算法、共享了actor critic 网络的A3C或PPO，使用了辅助任务的PPG。我们需要确定好各个 lambda 的比例。SAC的第二篇论文加入了自动调整 温度系数 alpha 的机制，处于lambda2位置的温度alpha 已经用于自动调整策略熵了，所以我们只能修改lambda1。

reward scaling 是指直接让reward 乘以一个常数k (reward scale)，在不破坏reward function 的前提下调整reward值，从而间接调整Q值到合适的大小。 修改reward scale，相当于修改lambda1，从而让可以让 reward项 和 entropy项 它们传递的梯度大小接近。与其他超参数不同，只要我们知晓训练环境的累计收益范围，我们就能在训练前，直接随意地选定一个reward scaling的值，让累计收益的范围落在 -1000~1000以内即可，不需要精细调整：

【温度系数、目标策略熵】 Temperature parameters (alpha)、target 'policy entropy'。SAC的第二篇论文加入了自动调整 温度系数 alpha 的机制：通过自动调整温度系数，做到让策略的熵维持在目标熵的附近（不让alpha过大而影响优化，也不让alpha过小而影响探索）

策略熵的默认值是 动作的个数 的负log，详见SAC的第二篇论文 section 5 Automating Entropy Adjustment for Maximum Entropy 。SAC对这个超参数不敏感，一般不需要修改。有时候策略的熵太大将导致智能体无法探索到某些有优势的state，此时需要将目标熵调小。

【温度系数 alpha 的学习率】 learning rate of alpha 温度系数alpha 最好使用 log 形式进行优化，因为alpha是表示倍数的正数。一般地，温度系数的学习率和网络参数的学习率保持一致（一般都是1e-4）。当环境随机因素过大，导致每个batch 算出来的策略熵 log_prob 不够稳定时，我们需要调小温度系数的学习率。

【温度系数 alpha 的初始值】 initialization of alpha 温度系数的初始值可以随便设置，只要初始值不过于离奇，它都可以被自动调整为合适的值。一般偷懒地将初始值设置为 log(0) 其实过大了，这会延长SAC的预热时间，我一般设置成更小的数值，详见 The alpha loss calculating of SAC is different from other repo · Issue #10 · Yonv1943/ElegantRL 。

5. 自己模型训练调参记录（TD3）

5.1 模型环境参数

常规参数：

无人机初始位置 用户初始位置 无人机覆盖半径(米) 最大关联数 UAV飞行距离
【20，180】 【20，180】 【75，100】 【20，30】 【0，30】

时延记录:

前景（MB） 0.125 0.5 1 1.25 1.5
背景(MB) 0.5 2 4 5 6
local(ms) 13 52 105 --- 150
UAV(ms) 47 29.4 39.7 --- 50.6
coop(ms) 44 29.6 38.2 ---- 47

超参数：

ACTOR_LR CRITIC_LR BATCH_SIZE GAMMA TAU
【1e-4 ，1e-5】 【1e-3 ，1e-4】 【256，512】 0.99】 0.005
EXPL_NOISE policy_noise noise_clip policy_freq hid_size
0.1、0.05 0.2、0.1 0.5 【1，8】默认：2 【128，512】

目前采用组合有如下：

  • ACTOR_LR = 1e-4 # Actor网络的 learning rate 学习率 1e-3
  • CRITIC_LR = 1e-3 # Critic网络的 learning rate 1e-3
  • EXPL_NOISE = 0.05 # 动作噪声方差
  • self.hid_size=256
  • self.hid1_size=128
  • policy_noise=0.1,
  • noise_clip=0.5,
  • policy_freq=2

5.2 调参效果：

可以看到模型训练的稳定性和收敛效果越来越好，调多了你也就知道哪些超参数影响的大了

5.3 造成波动的原因，然后采用对应的解决方案：

  • 如果在策略网络没有更新的情况下，Agent在环境中得到的分数差异过大。那么这是环境发生改变造成的： -1. 每一轮训练都需要 env.reset()，然而，有时候重置环境会改变难度，这种情况下造成的波动无法消除。 -2. 有时候是因为DRL算法的泛化性不够好。此时我们需要调大相关参数增加探索，以训练出泛化性更好的策略。
  • 如果在策略网络没有更新的情况下，Agent在环境中得到的分数差异较小。等到更新后，相邻两次的分数差异很大。那么这是环境发生改变造成的： 1. 把 learning rate 调小一点。2. 有时候是因为算法过度鼓励探索而导致的，调小相关参数即可。
标签：

相关文章