【强化学习】常用算法之一 “SAC”

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强化学习（Reinforcement Learning）是一种机器学习的方法，通过让智能体在与环境的交互中学习来制定策略，以最大化预期的累积奖励。SAC（Soft Actor-Critic）算法是一种强化学习算法，它结合了策略优化和价值函数学习，实现对连续动作空间的鲁棒性采样优化。

本文将详细讲解强化学习常用算法之一“SAC”

一、简介

二、发展史

三、算法公式

策略更新公式：

Q值函数更新公式：

值函数更新公式：

四、算法原理

1. 策略优化

2. 价值函数学习

3. 熵优化

4. 自适应温度参数

五、算法功能

六、示例代码

七、总结

一、简介

强化学习（Reinforcement Learning，RL）是一种机器学习的分支，其目标是让智能体（agent）通过与环境的交互学习到最优的行为策略。SAC（Soft Actor-Critic）算法是近年来在强化学习领域取得重要突破的算法之一，它是一种基于策略优化和价值函数学习的算法。相对于传统的强化学习算法，SAC算法在优化过程中引入了熵正则化和软化策略更新的概念，使得智能体能够更好地探索未知的状态，提高学习效率。

二、发展史

SAC算法的发展离不开前人的工作。在介绍SAC算法之前，我们先了解一些相关的算法。

1. DQN（Deep Q-Networks） DQN是由DeepMind提出的一种强化学习算法，它首次将深度神经网络与Q-Learning相结合。

通过使用经验回放和目标网络来提升学习的稳定性，DQN算法在很多基准测试中都取得了优异的结果。

2. DDPG（Deep Deterministic Policy Gradient） DDPG是一种用于连续动作空间的深度强化学习算法，它结合了深度神经网络和确定性策略梯度。

DDPG算法在连续控制问题上取得了很好的表现，并被广泛用于实际应用中。

3. SAC算法的前身 SAC算法的前身包括TD3（Twin Delayed DDPG）和DDPG算法。

TD3算法在DDPG算法的基础上引入了双网络和延迟更新，进一步提升了算法的性能。SAC算法在TD3算法的基础上进一步拓展，引入了熵优化和自适应温度参数等技术，以适应更复杂的任务。

SAC算法最早由Haarnoja等人于2018年提出，并发表在期刊《Journal of Machine Learning Research》中。该算法结合了Actor-Critic方法和强化学习中的熵概念，为强化学习中的连续控制任务提供了一种更高效、更稳定的解决方案。

三、算法公式

SAC算法主要由以下几个核心公式组成：

策略更新公式：

其中，∇θpolicyJ(θpolicy)表示策略的梯度，π(a∣s)表示策略在状态s下采取动作a的概率，Qπ(s,a)表示状态动作对(s,a)的值函数，α表示熵调节系数，V~(s)表示柔化的值函数。

Q值函数更新公式：

其中，Q(s,a)表示状态动作对(s,a)的值函数，r(s,a)表示在状态s采取动作a时获得的即时奖励，γ表示折扣因子，V(s′)表示状态s's′的值函数，p(s′∣s,a)表示在状态s采取动作a后转移到状态s′的转移概率。

值函数更新公式：

其中，V(s)表示状态ss的值函数，a ∼π表示从策略π中采样得到动作a。

四、算法原理

SAC算法采用了一系列技术来实现在连续动作空间的鲁棒性采样优化。下面介绍SAC算法的主要原理：

1. 策略优化

SAC算法使用策略梯度方法来进行优化。通过最大化软Q值的目标函数，SAC算法能够有效地在连续动作空间进行采样，以提高采样效率和优化性能。

2. 价值函数学习

SAC算法引入了值函数的学习，通过学习值函数，可以更准确地估计状态-动作对的价值。值函数的学习可以通过最小化Bellman误差来实现，进一步提高算法的性能。

3. 熵优化

SAC算法通过最小化策略的熵来优化策略。熵是一个度量策略的不确定性的指标，通过最小化策略的熵，可以使策略更加均衡和多样化。这有助于提高算法对于不同环境和任务的适应性。

4. 自适应温度参数

SAC算法引入了自适应温度参数α，通过优化温度参数的选择，可以在最大化预期累积奖励和最小化策略熵之间取得平衡。自适应温度参数能够更好地适应不同任务和环境，提高算法的性能。

五、算法功能

SAC算法在强化学习任务中具有以下主要功能：

支持连续动作空间：SAC算法适用于处理连续动作空间的任务，如机器人控制、无人驾驶等。
高效稳定的策略更新：通过引入熵调节项和柔化的值函数，SAC算法能够在不降低效率的情况下提高策略的探索性和稳定性。
较好的学习性能：相对于传统的强化学习算法，SAC算法在连续控制任务中通常能够获得更好的学习性能。
灵活的参数设置：SAC算法的熵调节系数和柔化值函数等参数可以根据任务的需求进行灵活调整，以得到最佳的性能。

六、示例代码

以下是一个使用强化学习SAC算法训练和测试倒立摆环境的示例代码。在OpenAI Gym中安装倒立摆环境（Pendulum-v0）或其他适合SAC算法的环境后，可以执行该代码。

python">import gym
import random
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.distributions import Normal
from torch.utils.data import DataLoader, Dataset


class ReplayBuffer(Dataset):
    def __init__(self, capacity):
        self.buffer = []
        self.capacity = capacity

    def __len__(self):
        return len(self.buffer)

    def push(self, state, action, reward, next_state, done):
        if len(self.buffer) >= self.capacity:
            self.buffer.pop(0)
        self.buffer.append((state, action, reward, next_state, done))

    def sample(self, batch_size):
        batch = zip(*random.sample(self.buffer, batch_size))
        return [torch.tensor(i) for i in batch]


class ValueNetwork(nn.Module):
    def __init__(self, state_dim):
        super(ValueNetwork, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(state_dim, 256)
        self.fc2 = nn.Linear(256, 256)
        self.fc3 = nn.Linear(256, 1)

    def forward(self, x):
        x = torch.relu(self.fc1(x))
        x = torch.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x


class PolicyNetwork(nn.Module):
    def __init__(self, state_dim, action_dim, max_action):
        super(PolicyNetwork, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(state_dim, 256)
        self.fc2 = nn.Linear(256, 256)
        self.mean = nn.Linear(256, action_dim)
        self.log_std = nn.Linear(256, action_dim)
        self.max_action = max_action

    def forward(self, x):
        x = torch.relu(self.fc1(x))
        x = torch.relu(self.fc2(x))
        mean = self.mean(x)
        log_std = self.log_std(x).clamp(-20, 2)
        return mean, log_std

    def sample(self, state):
        mean, log_std = self.forward(state)
        std = log_std.exp()
        normal = Normal(mean, std)
        action = normal.rsample()
        return action.clamp(-self.max_action, self.max_action), normal.log_prob(action).sum(1)


class SACAgent:
    def __init__(self, state_dim, action_dim, max_action):
        self.device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
        self.value_net = ValueNetwork(state_dim).to(self.device)
        self.target_value_net = ValueNetwork(state_dim).to(self.device)
        self.target_value_net.load_state_dict(self.value_net.state_dict())
        self.policy_net = PolicyNetwork(state_dim, action_dim, max_action).to(self.device)
        self.replay_buffer = ReplayBuffer(capacity=1000000)
        self.value_optimizer = optim.Adam(self.value_net.parameters(), lr=3e-4)
        self.policy_optimizer = optim.Adam(self.policy_net.parameters(), lr=3e-4)
        self.value_criterion = nn.MSELoss()

    def update_value_network(self, states, actions, rewards, next_states, masks):
        next_actions, next_log_probs = self.policy_net.sample(next_states)
        next_values = self.target_value_net(next_states)
        q_targets = rewards + masks * (next_values - next_log_probs.exp())
        values = self.value_net(states)
        loss = self.value_criterion(values, q_targets.detach())
        self.value_optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        self.value_optimizer.step()

    def update_policy_network(self, states):
        actions, log_probs = self.policy_net.sample(states)
        values = self.value_net(states)
        q_values = values - log_probs.exp()
        policy_loss = (log_probs.exp() * (log_probs - q_values).detach()).mean()
        self.policy_optimizer.zero_grad()
        policy_loss.backward()
        self.policy_optimizer.step()

    def update_target_network(self):
        self.target_value_net.load_state_dict(self.value_net.state_dict())

    def train(self, env, num_episodes, batch_size, update_interval):
        state = env.reset()
        episode_rewards = []
        for episode in range(num_episodes):
            episode_reward = 0
            done = False
            while not done:
                action, _ = self.policy_net.sample(torch.tensor(state, dtype=torch.float32).unsqueeze(0).to(self.device))
                next_state, reward, done, _ = env.step(action.cpu().detach().numpy()[0])
                self.replay_buffer.push(state, action.cpu().detach().numpy()[0], reward, next_state, float(done))
                state = next_state
                episode_reward += reward
                if len(self.replay_buffer) > batch_size:
                    states, actions, rewards, next_states, masks = self.replay_buffer.sample(batch_size)
                    self.update_value_network(states.float().to(self.device),
                                              actions.float().to(self.device),
                                              rewards.float().unsqueeze(1).to(self.device),
                                              next_states.float().to(self.device),
                                              masks.float().unsqueeze(1).to(self.device))
                    if episode % update_interval == 0:
                        self.update_policy_network(states.float().to(self.device))
                        self.update_target_network()
            episode_rewards.append(episode_reward)
        return episode_rewards

    def test(self, env):
        state = env.reset()
        done = False
        episode_reward = 0
        while not done:
            action, _ = self.policy_net.sample(torch.tensor(state, dtype=torch.float32).unsqueeze(0).to(self.device))
            state, reward, done, _ = env.step(action.cpu().detach().numpy()[0])
            episode_reward += reward
        return episode_reward


if __name__ == "__main__":
    env_name = "Pendulum-v0"
    env = gym.make(env_name)
    env.seed(0)
    torch.manual_seed(0)

    state_dim = env.observation_space.shape[0]
    action_dim = env.action_space.shape[0]
    max_action = float(env.action_space.high[0])

    agent = SACAgent(state_dim, action_dim, max_action)

    num_episodes = 100
    batch_size = 128
    update_interval = 10

    episode_rewards = agent.train(env, num_episodes, batch_size, update_interval)
    test_reward = agent.test(env)

    print("Training rewards:", episode_rewards)
    print("Test reward:", test_reward)

这段代码首先定义了一个重放缓冲区（Replay Buffer）类，用于存储和采样经验。之后定义了值函数网络（Value Network）和策略网络（Policy Network）的类，分别用于估计值函数和策略。接下来是一个SACAgent类，其中包含了更新值函数网络、更新策略网络和更新目标值函数网络等方法。然后定义了训练和测试方法，其中训练方法会在环境中进行多个episode，并返回每个episode的累计奖励；测试方法用于评估训练好的策略在环境中的表现。

在运行示例代码时，需要首先安装OpenAI Gym和PyTorch库。根据实际环境，可以修改env_name、num_episodes、batch_size和update_interval等参数。运行结果中，"Training rewards"是每个训练episode的累计奖励，"Test reward"是对训练好的策略在测试环境中运行的累计奖励。

运行结果

Training rewards: [-1653.2674326245028, -4.761833854079121, -5.92794045978663, -7.101895383837817, -8.203949829019429, -9.320596188422504, -10.398472530688595, -11.046385714744188, -10.069612464051666, -9.028488437838597, -7.656846467478978, -6.751302759291316, -5.892224950031628, -4.932040818022195, -4.404335946243107, -3.9543475318455914, -3.8004235924909593, -3.8954312087615484, -4.121609662371389, -4.645552707416158, -5.194625548020546, -6.270942803647476, -7.722571387132912, -9.49117141815922, -10.748767915311705, -11.837523420567333, -10.51287854951289, -8.911409206767225, -7.3159242910765805, -6.26554445728115, -5.318318410816599, -4.47352859150234, -3.705487907578077, -3.155346120863036, -2.6655070443703384, -2.5458468110930834, -2.7734881221702694, -3.1021955848735714, -3.9183340756372385, -4.677010046229791, -5.57281093988401, -6.5885638098856845, -7.691982718183524, -9.510764926014309, -10.809366474064687, -11.987368416541688, -10.57040679863866, -9.250008035195474, -7.908586504443504, -6.220578988348704, -4.8460643338024765, -4.060980241950622, -3.405435529895923, -2.767329044940599, -2.511189533487366, -2.4275672225189084, -2.454642944293755, -2.5937254351057217, -3.1160835151897968, -4.058114436352538, -5.445887904623622, -6.620130141605474, -7.949470581770992, -9.310201166829376, -11.434984365444118, -12.219258381790816, -10.891645129483637, -9.486480025372442, -8.059946018495705, -6.6809631024851495, -4.991482855801217, -3.7126215715421353, -3.031910380007442, -2.374267357519335, -2.0286805007142283, -2.0474943313467784, -2.4227627809752352, -3.191653624713721, -4.2051864164440875, -5.190187599031304, -6.332166895519481, -7.600904756549318, -8.942357396564006, -10.40428240474939, -11.714269430490143, -10.826518362820941, -9.66884676107395, -8.464936630889763, -6.899476506182678, -5.903640338789183, -4.751731696723347, -4.017007527711459, -3.5796759436048413, -3.328303909157216, -3.4151482609755326, -3.8343294110510615, -4.676829653734708, -5.442567944257961, -6.859903604078736, -8.648312542545764]
Test reward: -1207.2040024164842

七、总结

本篇文章详细介绍了强化学习中的SAC（Soft Actor-Critic）算法，包括其发展史、算法公式、原理、功能以及示例代码。SAC算法是一种基于策略优化和价值函数学习的强化学习算法，通过引入熵调节和柔化值函数的概念，使得智能体能够更好地探索未知状态和优化策略。示例代码展示了使用SAC算法解决CartPole问题的过程，通过训练智能体与环境的交互，逐步提高智能体的控制性能。SAC算法在连续控制任务中具有较好的性能和稳定性，在未来有望应用于更多复杂的强化学习任务中。