强化学习101: Q-Learning - 从人工智障到人工智能

嗨多磨！今天我们要切入一个相当有趣的主题:Reinforcement Learning。最后，大家可以亲眼看到，一个人工智障使用Q-Learning，最终成为人工智能的过程。

1 强化学习初见

1.1 引入

嗨多磨！今天我们要切入一个相当有趣的主题，强化学习。经过今天最后的例程，大家可以亲眼看到，一个人工智障使用Q-Learning方法，吃了不少苦头最终成为人工智能的过程。

“强化学习”一词的英文表述为Reinforcement Learning。也有人把它表述成为“增强学习”。既然这个词是舶来的，让我们先看看Reinforcement的英文表述：

the process of encouraging or establishing a belief or pattern of behavior, especially by encouragement or reward.

对某种行为模式的促进或者建立过程，尤其是使用“鼓励”和“奖励”的手段。

我国的某些俗语也反映了Reinforcement这一过程：

三天不打，上房揭瓦。

就是使用“惩罚”的手段，避免主体做出不符合期望的行动。

1.2 俄罗斯方块与玩家

其实强化学习就在我们的身边，试想以下的问题：为什么我们经过任何人的教学，就学会了玩儿“俄罗斯方块”？是什么驱使我们尽最大努力消除方块继续游戏？

我们从几个角色要素分解考虑。

• 玩家：游戏游玩者
• 玩家操作：按自己的意志操作，输入给游戏
• 游戏机：玩家面对的环境载体。
• 方块状态：让玩家获知现在的方块堆叠状态
• 特效(爆炸消除/游戏结束)：给予玩家的反馈

然后，我们用一个模板，套入这个场景

• 玩家：Agent。可以翻译为“智能体”，一般是场景中行动主体。
• 玩家操作：Action，行动。
• 游戏机：Environment，环境。
• 方块状态：Observation，观察值，反馈给Agent。
• 特效(爆炸消除/游戏结束)：Reward，反馈。

在这个过程中。玩家Agent根据方块状态Observation不断地在游戏机Envrionment上操作，一下消除4行让你很爽，给予你好的快感Reward，堆满方块导致游戏失败让你不甘心、不爽，因此给你消极Reward。

这就形成了经典的强化学习模式。学习的目标是：最大化获得的汇报。

1.3 强化学习的特点和评价

不断试错

Agent不知道自己给出行动会收到怎样的奖励，因此Agent必须不断尝试（Trial & Error），才能得到成功。

长期回报

Agent在不断试错之中，更加看中长时间尺度内能获得的回报，即使会遇到更多失败挫折。

因此评价强化学习的效果，常常看训练样本中学习的学习时间和学习效果。两者通常是Trade-off的关系。

1.4 强化学习与机器学习

强化学习是机器学习的一种。随着人工智能领域的发展，各分支开花结果。

人工智能、强化学习、深度学习，参考 https://zhuanlan.zhihu.com/p/36597546。

2 Q-Learning

好吧，你用心理学阐述的道理我都懂，那么，有没有一种算法，能让我立刻从数学的角度来看看强化学习的实现呢？那么请我们的Reinforcement Learning 101，Q-Learning登场。

2.1 Q-Learning决策

以将我们上述的俄罗斯方块进行量化：

在某个状态，我能做出以下操作Action，并得到以下反馈Reward：

• 一下消除4行！结果爽到！！
• 一下消除1行，感觉还行。
• 一行都没消除！你在逗我？距离Gameover又近了一步！

我是如何做出这些判断的呢？我的依据其实就是脑子中的一个叫做“Q-table”Q表的矩阵！

Q表：描述我在所有状态中所有行动的数值矩阵，我不管，我就在Q表中选这其中的最大值行动。

2.2 Q-Learning 更新

之前我们说了，我们是在不断地试错中学习，实际上就是在不断地以某种策略更新这个Q表。这个更新策略也是Q-Learning的特色。

经过在做了，我们有什么收获呢？

首先当然是Reward 。

但是，我们不能太短视，我们也要考虑下一步会给我带来的收益（依据Q表之前的经验）！我们选取下一状态下，所有可能动作Aciton的Q值中最大的那个，代表我对下一步的远见。表示为： $latex $ 。我对这个远见要有一定的接受度，也就是说我要对这个远见有一定的加权系数处理，用 表示。

因此我在获得的对Q表中 的总刺激就是 。

我不能一下就将一下的刺激更新成我的Q表，因为可能有尖刺的数据。我总是要多试几次，逐渐迭代更新我的Q值。因此我设置一个学习率， 。

因此我的Q值更新公式为：

2.3 Q-Learning算法流程

Q-Learning算法流程如上图。在一定的episode里，我不断地重复、试错，更新Q表，直到某个时间点收敛。

2.4 Q-Learning性质

• 无环境模型 - QL不理解所处环境，没有对环境进行建模。是根据环境反馈，学习做出决策。
• 基于价值 - QL一定是选当前价值最高的action，十分“贪婪”。其他有基于概率的算法，如Policy Gradients。
• 单步更新 - QL在每走一步就更新Q表。有的算法是回合结束后更新。

3 实验

多说无益，Show me your code。

我参考了许多教程，大家一般是以“人工智障自己走迷宫”作为第一个RL实验。

我非常喜欢莫凡做的RL教程，通俗易懂。当然深入学习需要数学推导和专著论文的支持。我们可以来看下莫凡的基于Q-Learning的迷宫实验。

https://morvanzhou.github.io/tutorials/machine-learning/reinforcement-learning/2-2-tabular-q1/

当然，做完上述迷宫实验后，我提出自己的问题，尝试用RL解决。

我的代码详见：

https://github.com/sptuan/RL-playground/tree/master/01_Q-learning/ex2

3.1 问题描述

现在我们有这样的问题：

一个摩托车骑手，准备从A点出发，前往H点。各点之间的距离如下图所示。但他根本不知道道路，只能闷头尝试。能不能自己探索出一条相对短的路，从A点到H点？

3.2 问题抽象

env_tk.py

在此我们先建立我们的Environment。

我们将问题这样处理：是一个图。初始化有，给出一个目前的Observation。接收到action后，返回下一个Observation和这步action的Reward。在每步的action空间都为“上下左右”

关于Reward，我在本实验中，如下处理：将路的长度乘以-1作为reward。如A到了D，则给予-8的奖励（或者说是8的惩罚）。到达H后，给予100的奖励，结束回合。若做出不可能的动作，如A向上走，则给予-10000的奖励，结束回合。

RL_brain.py

"""
Reinforcement learning maze example.
This script is our Q-Learning brain.
This script is modified from https://morvanzhou.github.io/tutorials/
"""

import numpy as np
import pandas as pd
import os


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
        self.gamma = reward_decay
        self.epsilon = e_greedy
        self.q_table = pd.DataFrame(columns=self.actions, dtype=np.float64)

    def choose_action(self, observation):
        self.check_state_exist(observation)
        # action selection
        if np.random.uniform() < self.epsilon:
            # choose best action
            state_action = self.q_table.loc[observation, :]
            #state_action = state_action.reindex(np.random.permutation(state_action.index))     # some actions have same value
            action = state_action.idxmax()
        else:
            # choose random action
            action = np.random.choice(self.actions)
        return action

    def learn(self, s, a, r, s_):
        self.check_state_exist(s_)
        q_predict = self.q_table.loc[s, a]
        if s_ != 'H1':
            q_target = r + self.gamma * self.q_table.loc[s_, :].max()  # next state is not terminal
        else:
            q_target = r  # next state is terminal
        self.q_table.loc[s, a] += self.lr * (q_target - q_predict)  # update
        os.system('cls')
        print(self.q_table)

    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,
                )
            )

主要是对Q-Learning算法功能上的实现。分为决策choose_action()，Q-table更新learn()。

main.py

调度RL-brain和env_tk。主要是对Q-Learning算法流程上的实现

"""
Reinforcement learning maze example.
This script is our main script, in which a bike driver tries to arrive at FINAL POINT.
This script is modified from https://morvanzhou.github.io/tutorials/
"""

from env_tk import Maze
from RL_brain import QLearningTable


def update():
    for episode in range(10000):
        # initial observation
        # return state, format "A B C ..."
        action_space = env.action_space
        observation = env.reset()

        while True:
            # fresh env, tkinter
            env.render()

            # RL choose action based on observation

            #while True:
            action = RL.choose_action(str(observation))
            if action == 0:
                action_step = 'UP'
            elif action == 1:
                action_step = 'DOWN'
            elif action == 2:
                action_step = 'RIGHT'
            elif action == 3:
                action_step = 'LEFT'
                #if action_step in action_space:
                 #   break

            # RL take action and get next observation and reward
            observation_, reward, done, action_space = env.step(action_step)

            # RL learn from this transition
            RL.learn(str(observation), action, reward, str(observation_))

            # swap observation
            observation = observation_

            # break while loop when end of this episode
            if done:
                break

    # end of game
    print('game over')
    env.destroy()


if __name__ == "__main__":
    env = Maze()
    RL = QLearningTable(actions=list(range(4)))

    env.after(50, update)
    env.mainloop()

3.3 实验结果

约100秒后结果收敛。

• 成功找到了终点。
• 但是结果不是最优解，陷入了局部最优解中。

虽然不是最优解，但人工智障经过不停地碰壁后，成为了合格的人工智能！

4 总结

本文从例子引入强化学习，先从心理学分析了Reinforcement Learning。然后以“俄罗斯方块”为线索，介绍了Q-Learning的基本算法。最后通过实验，解决“摩托车手最短路径问题”。人工智障经过不停地碰壁后，成为了合格的人工智能！可喜可贺，可喜可贺！

5参考资料

[1] 莫凡的强化学习教程 https://morvanzhou.github.io/tutorials/machine-learning/reinforcement-learning/

[2] Q-Learning Tutorial by Kardi Teknomo - Published by Revoledu.com

[3] Reinforcement Learning: An Introduction.  Richard S. Sutton and Andrew G. Barto