用Q-learning算法实现自动走迷宫机器人的方法示例

项目描述：

在该项目中，你将使用强化学习算法，实现一个自动走迷宫机器人。

如上图所示，智能机器人显示在右上角。在我们的迷宫中，有陷阱（红色×××）及终点（蓝色的目标点）两种情景。机器人要尽量避开陷阱、尽快到达目的地。

小车可执行的动作包括：向上走 u、向右走 r、向下走 d、向左走l。

执行不同的动作后，根据不同的情况会获得不同的奖励，具体而言，有以下几种情况。

• 撞到墙壁：-10
• 走到终点：50
• 走到陷阱：-30
• 其余情况：-0.1

我们需要通过修改 robot.py 中的代码，来实现一个 q learning 机器人，实现上述的目标。

section 1 算法理解

1.1 强化学习总览

强化学习作为机器学习算法的一种，其模式也是让智能体在“训练”中学到“经验”，以实现给定的任务。但不同于监督学习与非监督学习，在强化学习的框架中，我们更侧重通过智能体与环境的交互来学习。通常在监督学习和非监督学习任务中，智能体往往需要通过给定的训练集，辅之以既定的训练目标（如最小化损失函数），通过给定的学习算法来实现这一目标。然而在强化学习中，智能体则是通过其与环境交互得到的奖励进行学习。这个环境可以是虚拟的（如虚拟的迷宫），也可以是真实的（自动驾驶汽车在真实道路上收集数据）。

在强化学习中有五个核心组成部分，它们分别是：环境（environment）、智能体（agent）、状态（state）、动作（action）和奖励（reward）。在某一时间节点t：

智能体在从环境中感知其所处的状态

智能体根据某些准则选择动作

环境根据智能体选择的动作，向智能体反馈奖励

通过合理的学习算法，智能体将在这样的问题设置下，成功学到一个在状态 选择动作 的策略 。

1.2 计算q值

在我们的项目中，我们要实现基于 q-learning 的强化学习算法。q-learning 是一个值迭代（value iteration）算法。与策略迭代（policy iteration）算法不同，值迭代算法会计算每个”状态“或是”状态-动作“的值（value）或是效用（utility），然后在执行动作的时候，会设法最大化这个值。因此，对每个状态值的准确估计，是我们值迭代算法的核心。通常我们会考虑最大化动作的长期奖励，即不仅考虑当前动作带来的奖励，还会考虑动作长远的奖励。

在 q-learning 算法中，我们把这个长期奖励记为 q 值，我们会考虑每个 ”状态-动作“ 的 q 值，具体而言，它的计算公式为：

也就是对于当前的“状态-动作” ，我们考虑执行动作 后环境给我们的奖励，以及执行动作 到达 后，执行任意动作能够获得的最大的q值，为折扣因子。

不过一般地，我们使用更为保守地更新 q 表的方法，即引入松弛变量 alpha，按如下的公式进行更新，使得 q 表的迭代变化更为平缓。

根据已知条件求。

已知：如上图，机器人位于 s1，行动为 u，行动获得的奖励与题目的默认设置相同。在 s2 中执行各动作的 q 值为：u: -24，r: -13，d: -0.29、l: +40，γ取0.9。

1.3 如何选择动作

在强化学习中，「探索-利用」问题是非常重要的问题。具体来说，根据上面的定义，我们会尽可能地让机器人在每次选择最优的决策，来最大化长期奖励。但是这样做有如下的弊端：

• 在初步的学习中，我们的 q 值会不准确，如果在这个时候都按照 q 值来选择，那么会造成错误。
• 学习一段时间后，机器人的路线会相对固定，则机器人无法对环境进行有效的探索。

因此我们需要一种办法，来解决如上的问题，增加机器人的探索。由此我们考虑使用 epsilon-greedy 算法，即在小车选择动作的时候，以一部分的概率随机选择动作，以一部分的概率按照最优的 q 值选择动作。同时，这个选择随机动作的概率应当随着训练的过程逐步减小。

在如下的代码块中，实现 epsilon-greedy 算法的逻辑，并运行测试代码。

import random
import operator

actions = ['u','r','d','l']
qline = {'u':1.2, 'r':-2.1, 'd':-24.5, 'l':27}
epsilon = 0.3 # 以0.3的概率进行随机选择

def choose_action(epsilon):
  action = none
   if random.uniform(0,1.0) <= epsilon: # 以某一概率
    action = random.choice(actions)# 实现对动作的随机选择
   else:
     action = max(qline.items(), key=operator.itemgetter(1))[0] # 否则选择具有最大 q 值的动作
   return action

range(100):

  res += choose_action(epsilon)

print(res)

res = ''

for i in range(100):

   res += choose_action(epsilon)

print(res)
 ldllrrllllrlldlldllllllllllddulldlllllldllllludlldllllluudllllllulllllllllllullullllllllldlulllllrlr

section 2 代码实现

2.1 maze 类理解

我们首先引入了迷宫类 maze，这是一个非常强大的函数，它能够根据你的要求随机创建一个迷宫，或者根据指定的文件，读入一个迷宫地图信息。

• 使用 maze("file_name") 根据指定文件创建迷宫，或者使用 maze(maze_size=(height, width))来随机生成一个迷宫。
• 使用 trap number 参数，在创建迷宫的时候，设定迷宫中陷阱的数量。
• 直接键入迷宫变量的名字按回车，展示迷宫图像（如 g=maze("xx.txt")，那么直接输入 g 即可。
• 建议生成的迷宫尺寸，长在 6~12 之间，宽在 10～12 之间。

在如下的代码块中，创建你的迷宫并展示。

from maze import maze
%matplotlib inline
%confer inlinebackend.figure_format = 'retina'
  ## to-do: 创建迷宫并展示
g=maze(maze_size=(6,8), trap_number=1)
g
maze of size (12, 12
)

你可能已经注意到，在迷宫中我们已经默认放置了一个机器人。实际上，我们为迷宫配置了相应的 api，来帮助机器人的移动与感知。其中你随后会使用的两个 api 为 maze.sense_robot() 及 maze.move_robot() 。

• maze.sense_robot() 为一个无参数的函数，输出机器人在迷宫中目前的位置。
• maze.move_robot(direction) 对输入的移动方向，移动机器人，并返回对应动作的奖励值。

随机移动机器人，并记录下获得的奖励，展示出机器人最后的位置。

rewards = []
 ## 循环、随机移动机器人10次，记录下奖励
for i in range(10):
  res = g.move_robot(random. choice(actions))
   rewards.append(res)
 ## 输出机器人最后的位置
print(g.sense_robot())
## 打印迷宫，观察机器人位置
g

(0,9)

2.2 robot 类实现

robot 类是我们需要重点实现的部分。在这个类中，我们需要实现诸多功能，以使得我们成功实现一个强化学习智能体。总体来说，之前我们是人为地在环境中移动了机器人，但是现在通过实现 robot 这个类，机器人将会自己移动。通过实现学习函数，robot 类将会学习到如何选择最优的动作，并且更新强化学习中对应的参数。

首先 robot 有多个输入，其中 alpha=0.5, gamma=0.9, epsilon0=0.5 表征强化学习相关的各个参数的默认值，这些在之前你已经了解到，maze 应为机器人所在迷宫对象。

随后观察 robot.update 函数，它指明了在每次执行动作时，robot 需要执行的程序。按照这些程序，各个函数的功能也就明了了。

运行如下代码检查效果（记得将 maze 变量修改为你创建迷宫的变量名）。

import random
import operator

 class robot(object):

  def __init__(self, maze, alpha=0.5, gamma=0.9, epsilon0=0.5):

     self. maze = maze
     self.valid_actions = self.maze.valid_actions

     self.state = none
     self.action = none

     # set parameters of the learning robot
     self.alpha = alpha
     self.gamma = gamma

     self.epsilon0 = epsilon0
     self. epsilon = epsilon0
     self.t = 0

     self.qtable = {}
     self. reset()

  def. reset(self):
     """
         reset the robot
     """
     self.state = self.sense_state()
     self.create_qtable_line(self.state)

  def. set status(self, learning=false, testing=false):
     """
     determine whether the robot is learning its q table, or
     executing the testing procedure.
     """
     self. learning = learning
     self.testing = testing

   def. update_parameter(self):
     """
     some of the paramters of the q learning robot can be altered,
     update these parameters when necessary.
     """
     if self.testing:
       # todo 1. no random choice when testing
      self. epsilon = 0
     else:
       # todo 2. update parameters when learning
       self. epsilon *= 0.95

    return self. epsilon

   def. sense_state(self):
     """
     get the current state of the robot. in this
     """

      # todo 3. return robot's current state
          return self.maze.sense_robot()

   def. create_qtable_line(self, state):
    """
     create the qtable with the current state
    """
     # todo 4. create qtable with current state
     # our qtable should be a two level dict,
     # qtable[state] ={'u':xx, 'd':xx, ...}
     # if qtable[state] already exits, then do
     # not change it.
     self.qtable.setdefault(state, {a: 0.0 for a in self.valid_actions})
   def. choose_action(self):
     """
    return an action according to given rules
     """
     def. is_random_exploration():

       # todo 5. return whether do random choice
       # hint: generate a random number, and compare
       # it with epsilon
      return random.uniform(0, 1.0) <= self. epsilon

     if self. learning:
       if is_random_exploration():
        # todo 6. return random choose aciton
         return random. choice(self.valid_actions)
       else:
         # todo 7. return action with highest q value
         return max(self.qtable[self.state].items(), key=operator.itemgetter(1))[0]
     elif self.testing:
       # todo 7. choose action with highest q value
       return max(self.qtable[self.state].items(), key=operator.itemgetter(1))[0]
     else:
       # todo 6. return random choose aciton
      return random. choice(self.valid_actions)

  def. update_qtable(self, r, action, next_state):
     """
     update the qtable according to the given rule.
     """
     if self. learning:
       # todo 8. when learning, update the q table according
       # to the given rules
      self.qtable[self.state][action] = (1 - self.alpha) * self.qtable[self.state][action] + self.alpha * (
             r + self.gamma * max(self.qtable[next_state].values()))

  def. update(self):
       """
     describle the procedure what to do when update the robot.
    called every time in every epoch in training or testing.
     return current action and reward.
     """
     self.state = self.sense_state() # get the current state
     self.create_qtable_line(self.state) # for the state, create q table line

    action = self.choose_action() # choose action for this state
     reward = self.maze.move_robot(action) # move robot for given action

    next_state = self.sense_state() # get next state
     self.create_qtable_line(next_state) # create q table line for next state

     if self. learning and not self.testing:
       self.update_qtable(reward, action, next_state) # update q table
      self.update_parameter() # update parameters

    return action, reward
 # from robot import robot
 # g=maze(maze_size=(6,12), trap_number=2)
 g=maze("test_world\maze_01.txt")
 robot = robot(g) # 记得将 maze 变量修改为你创建迷宫的变量名
 robot.set_status(learning=true,testing=false)
 print(robot.update())

 g
（'d', -0.1）
maze of size (12, 12)

2.3 用 runner 类训练 robot

在完成了上述内容之后，我们就可以开始对我们 robot 进行训练并调参了。我们准备了又一个非常棒的类 runner ，来实现整个训练过程及可视化。使用如下的代码，你可以成功对机器人进行训练。并且你会在当前文件夹中生成一个名为 filename 的视频，记录了整个训练的过程。通过观察该视频，你能够发现训练过程中的问题，并且优化你的代码及参数。

尝试利用下列代码训练机器人，并进行调参。可选的参数包括：

• 训练参数
  • 训练次数 epoch
• 机器人参数：
  • epsilon0 (epsilon 初值)
  • epsilon 衰减（可以是线性、指数衰减，可以调整衰减的速度），你需要在 robot.py 中调整
  • alpha
  • gamma
• 迷宫参数:
  • 迷宫大小
  • 迷宫中陷阱的数量
• 可选的参数：
• epoch = 20
• epsilon0 = 0.5
• alpha = 0.5
• gamma = 0.9
• maze_size = (6,8)
• trap_number = 2

from runner import runner

g = maze(maze_size=maze_size,trap_number=trap_number)
r = robot(g,alpha=alpha, epsilon0=epsilon0, gamma=gamma)
r.set_status(learning=true)

 runner = runner(r, g)
runner.run_training(epoch, display_direction=true)
 #runner.generate_movie(filename = "final1.mp4") # 你可以注释该行代码，加快运行速度，不过你就无法观察到视频了。
 g

使用 runner.plot_results() 函数，能够打印机器人在训练过程中的一些参数信息。

• success times 代表机器人在训练过程中成功的累计次数，这应当是一个累积递增的图像。
• accumulated rewards 代表机器人在每次训练 epoch 中，获得的累积奖励的值，这应当是一个逐步递增的图像。
• running times per epoch 代表在每次训练 epoch 中，小车训练的次数（到达终点就会停止该 epoch 转入下次训练），这应当是一个逐步递减的图像。

使用 runner.plot_results() 输出训练结果

runner.plot_results()

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