Redian新闻
>
强化学习第十三篇:使用深度学习解决迷宫问题,完整步骤和代码

强化学习第十三篇:使用深度学习解决迷宫问题,完整步骤和代码

科学

你好,我是郭震

前面强化学习推送到第十二篇,迷宫问题已使用Q-learning解决过,今天使用另一种方法:深度Q网络,简称DQN网络解决。

什么是DQN?

深度Q网络(Deep Q-Network, DQN)是一种结合了深度学习和强化学习的算法,旨在解决具有高维观测空间的决策问题。它是由DeepMind在2015年提出的,用于成功地在多个Atari 2600游戏上训练智能体,实现了超越人类玩家的性能。DQN成为了深度强化学习领域的一个重要里程碑,开启了使用深度学习方法解决复杂强化学习问题的新纪元。

DQN在许多领域展现了其强大的能力,包括但不限于游戏玩法、机器人控制和自动驾驶。DQN及其变种(如Double DQNDueling DQN等)为后续深度强化学习研究和应用提供了坚实的基础,推动了该领域的快速发展。

DQN 原理?

DQN的核心思想是使用一个深度神经网络来近似Q函数(动作价值函数),这个Q函数预测在给定状态下采取每个可能动作的预期回报(累积奖励)。传统的Q学习算法依赖于一个Q表来存储和更新每个状态-动作对的Q值,但这种方法在面对高维状态空间时变得不切实际。DQN通过使用深度神经网络来克服这个限制,使得可以处理复杂、高维的输入状态,如图像。

关键创新

DQN引入了几个关键的创新来增强学习的稳定性和效率:

  • 经验回放(Experience Replay):智能体的经验(状态、动作、奖励和下一个状态)在每个时间步被存储在一个回放缓冲区中。训练网络时,会从这个缓冲区中随机抽取一小批经验进行学习,这有助于打破经验之间的相关性,并使得每个经验可以被多次重复使用,提高数据效率。

  • 固定Q目标(Fixed Q-targets):为了减少训练过程中的目标Q值与预测Q值之间的相关性,DQN使用了两个网络:一个用于当前步骤的Q值预测,另一个用于计算目标Q值。目标网络的权重定期(而非每步)从预测网络复制过来,从而增加学习的稳定性。

DQN求解迷宫问题

要使用深度Q网络(DQN)解决迷宫问题,我们首先需要建立一个环境类,该类能够处理与智能体的交互:提供状态、接受动作、返回新状态和奖励等。接着,我们将使用DQN来学习在该环境中达到目标的策略。

使用模块:

import numpy as np
import torch.nn as nn
import torch
from torch.optim import Adam
from collections import deque
import random
import matplotlib.pyplot as plt

步骤一:定义迷宫环境类

class MazeEnv:
    def __init__(self):
        self.exit_coord = (3, 3)
        self.row_n, self.col_n = 4, 4
        self.walls = {(0, 3), (1, 0), (1, 2), (2, 2), (3, 0)}
        self.state = (0, 0)  # 初始状态
        self.actions = [0, 1, 2, 3]  # 上、下、左、右
        self.reset()

    def reset(self):
        self.state = (0, 0)  # 重置智能体的位置到起点
        return self.state

    def step(self, action):
        row, col = self.state
        if action == 0:  # 上
            next_state = (max(row - 1, 0), col)
        elif action == 1:  # 下
            next_state = (min(row + 1, self.row_n - 1), col)
        elif action == 2:  # 左
            next_state = (row, max(col - 1, 0))
        elif action == 3:  # 右
            next_state = (row, min(col + 1, self.col_n - 1))
        else:
            raise ValueError("Invalid action")

        reward = -1  # 默认奖励
        done = False
        if next_state in self.walls:
            reward = -10
        elif next_state == self.exit_coord:
            reward = 10
            done = True

        self.state = next_state if next_state not in self.walls else self.state
        return self.state, reward, done

    def get_state_size(self):
        return self.row_n * self.col_n

    def get_action_size(self):
        return len(self.actions)

步骤二:定义DQN神经网络模型

# DQN模型
class DQN(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim, output_dim):
        super(DQN, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(input_dim, 128)
        self.fc2 = nn.Linear(128, 128)
        self.fc3 = nn.Linear(128, output_dim)

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

步骤三:定义经验回收

# 经验回放
class ReplayBuffer:
    def __init__(self, capacity):
        self.buffer = deque(maxlen=capacity)

    def push(self, state, action, reward, next_state, done):
        self.buffer.append((state, action, reward, next_state, done))

    def sample(self, batch_size):
        state, action, reward, next_state, done = zip(*random.sample(self.buffer, batch_size))
        return np.array(state), action, reward, np.array(next_state), done

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

步骤四:定义更新DQN函数

def update_model(dqn_model, target_dqn_model, replay_buffer, optimizer, batch_size, gamma):
    # 从经验回放缓冲区中随机采样一批经验
    state, action, reward, next_state, done = replay_buffer.sample(batch_size)

    # 转换列表为Tensor
    state = torch.FloatTensor(state)
    action = torch.LongTensor(action)
    reward = torch.FloatTensor(reward)
    next_state = torch.FloatTensor(next_state)
    done = torch.FloatTensor(done)

    # 计算当前状态下,采取实际动作的Q值
    current_q_values = dqn_model(state).gather(1, action.unsqueeze(1)).squeeze(1)

    # 使用目标DQN模型计算下一状态的最大Q值
    next_q_values = target_dqn_model(next_state).max(1)[0]
    # 计算期望Q值
    expected_q_values = reward + gamma * next_q_values * (1 - done)

    # 计算损失
    loss = torch.nn.functional.mse_loss(current_q_values, expected_q_values.detach())

    # 优化器梯度归零
    optimizer.zero_grad()
    # 反向传播
    loss.backward()
    # 更新模型权重
    optimizer.step()

步骤五:训练DQN

# 训练DQN
def train_dqn(epochs=300):
    global epsilon
    for epoch in range(epochs):
        state = env.reset()
        state = np.eye(env.row_n * env.col_n)[state[0] * env.col_n + state[1]]
        total_reward = 0
        done = False

        while not done:
            if random.random() < epsilon:
                action = random.choice(env.actions)
            else:
                q_values = dqn_model(torch.FloatTensor(state).unsqueeze(0))
                action = torch.argmax(q_values).item()

            next_state, reward, done = env.step(action)
            next_state = np.eye(env.row_n * env.col_n)[next_state[0] * env.col_n + next_state[1]]
            replay_buffer.push(state, action, reward, next_state, done)
            state = next_state
            total_reward += reward

            if len(replay_buffer) > batch_size:
                update_model(dqn_model, target_dqn_model, replay_buffer, optimizer, batch_size, gamma)

        epsilon = max(epsilon_min, epsilon_decay * epsilon)
        print(f'Epoch: {epoch}, Total Reward: {total_reward}')
        reward_list.append(total_reward)

        if epoch % 10 == 0:
            target_dqn_model.load_state_dict(dqn_model.state_dict())

步骤六:结果分析

if __name__ == "__main__":
    # 初始化环境
    env = MazeEnv()

    # 初始化DQN
    state_size = env.get_state_size()
    action_size = env.get_action_size()

    dqn_model = DQN(input_dim=state_size, output_dim=action_size)
    target_dqn_model = DQN(input_dim=state_size, output_dim=action_size)
    target_dqn_model.load_state_dict(dqn_model.state_dict())

    optimizer = Adam(dqn_model.parameters(), lr=1e-4)
    replay_buffer = ReplayBuffer(10000)
    batch_size = 64
    gamma = 0.99
    epsilon = 1.0
    epsilon_min = 0.01
    epsilon_decay = 0.995

    reward_list = []

    train_dqn()

    x = range(len(reward_list))
    plt.plot(x, reward_list, label='Line', color='blue')
    plt.xlabel("step")
    plt.ylabel("reward")
    plt.title("DQN to solve the 4*4 maze problem")
    plt.show()

以上代码可运行,绘制step vs reward 折线图,看到奖励逐渐变大且最终收敛,大概在200时步。

使用得到的模型,预测最优迷宫行走路径:

def simulate_optimal_path(model, env):
    state = env.reset()
    optimal_path = [state]  # 记录最优路径的状态
    done = False
    while not done:
        state = np.eye(env.row_n * env.col_n)[state[0] * env.col_n + state[1]]
        state_tensor = torch.FloatTensor(state).unsqueeze(0)
        with torch.no_grad():
            action = model(state_tensor).max(1)[1].view(1, 1)
        next_state, _, done = env.step(action.item())
        optimal_path.append(next_state)
        state = next_state
    return optimal_path

调用:

optimal_path = simulate_optimal_path(dqn_model, env)
print(optimal_path)

打印出来的最优行走路线:

[(0, 0), (0, 1), (1, 1), (2, 1), (3, 1), (3, 2), (3, 3)]

也就是下图中的行走路线:

以上,使用DQN求解迷宫问题的完整步骤和代码。

下期再见!

微信扫码关注该文公众号作者

戳这里提交新闻线索和高质量文章给我们。
相关阅读
《幺妹和市场街》(9)直播 | 深度学习新趋势:创新教师的成长之路NUS刘老师1v1科研:使用深度学习进行投资组合优化|收获一作论文与导师推荐信!深度学习近10年,10篇必读论文总结深度学习:教育者和学习者的成长共同体NUS刘老师1v1科研:使用深度学习进行动态套期保值|收获一作论文与导师推荐信!小学英文写作课程:使用头韵(Alliteration)技巧!新加坡卫生部:使用社交媒体、展览、社区活动等方式,鼓励老年人参与活动裕锦资产 | 积极探索深度学习和强化学习Jupyter notebook 配置虚拟环境,很多人都遇到这个问题,完整解决步骤!AI大模型之路 第三篇:从零实现词嵌入模型,加深理解!提拉米苏的寂静欢喜如何用深度学习框架 PyTorch 进行数据处理? | Q 福利每日原则:使用助手来提高效率博士申请 | 美国佐治亚大学卢国玉老师招收计算机视觉/深度学习方向全奖博士生ICLR上新 | 强化学习、扩散模型、多模态语言模型,你想了解的前沿方向进展全都有从零构建现代深度学习框架(TinyDL-0.01)让 Ansible 更安全:使用 Vault 进行加密机器学习测试:使用模拟器测试训练好的功能的见解和经验探索深度学习的薄弱环节:量子启发的神经网络脆弱性分析 | NSR【化学关系】2. 化学方程式:用速记符号表示化学平衡反应港中文李教授1v1科研:基于深度学习的无人机目标识别算法研究|收获一作论文与导师推荐信!春节过年:使用红包教导孩子们认识金钱Nginx静态压缩和代码压缩,提高访问速度!准确率比现有方法高50%!谷歌DeepMind全新深度学习模型AlphaFold 3重磅论文登上《自然》从框架到经典方法,全面了解分布式深度强化学习DDRL三篇论文解决「语义分割的优化和评估」难题!鲁汶/清华/牛津等联合提出全新方法CAA模式识别与机器智能专委会:首届深度学习模型压缩与部署技术会议12年前上手深度学习,Karpathy掀起一波AlexNet时代回忆杀,LeCun、Goodfellow等都下场美股基本面 - 2024_02_03 * 晨报 * 全场高呼AVP!苹果首款头显上市,库克:这是明天的技术,定价合理。纽约社区火山引擎国际深度学习图像压缩挑战赛蝉联冠军《阴阳鱼》连载第16章:时间如刀,空间如砧板,而你我都不过是鱼肉《持恆》巴郞IJCAI 2024 | 多智能体强化学习新范式:个性化训练与蒸馏执行如何花3400配置一台室内无噪音,48GB显存的深度学习服务器?
logo
联系我们隐私协议©2024 redian.news
Redian新闻
Redian.news刊载任何文章,不代表同意其说法或描述,仅为提供更多信息,也不构成任何建议。文章信息的合法性及真实性由其作者负责,与Redian.news及其运营公司无关。欢迎投稿,如发现稿件侵权,或作者不愿在本网发表文章,请版权拥有者通知本网处理。