强化学习：Policy-based方法 Part 1

【导读】在前面两篇文章中，我们完成了基于值的（value-based）强化学习算法，可以在给定的环境下选择相应动作，并根据最高的Q-value来确定下一步的动作（最大化未来奖励期望）。可以看到，策略主要来源于对动作价值的估计过程。

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作者：Thomas Simonini

编译：专知

整理：Yongxi

本次，我们将学习一种被称为策略梯度（Policy Gradients）的基于策略的（policy-based）强化学习技术。Part1部分，我们将着重讨论基于值方法的局限性，以及基于策略方法的优势。在part2部分中，我们将具体介绍基于策略方法的实现过程，届时我们将实现两个agent，第一个将学习如何保持木棍的平衡；    

第二个将学习如何在Doom的敌对环境中，通过收集体力生存下去。

在policy-based方法中，实际上并没有学习到一个值函数，来帮助我们了解某一状态下各动作的奖励是多少。而是直接学习策略函数，将状态映射为动作。

这意味着我们将直接尝试优化策略函数π，而不需要考虑值函数。当然，仍然可以使用值函数去优化策略参数，但值函数将不会用于动作的选择过程。

在本文章中，你将学到：

    Part1：什么是策略梯度，以及优势、劣势是什么

    Part2：如何在Tensorflow中实现它

为什么使用基于策略的方法？

        

两种策略：确定的与随机的。确定策略将状态映射为动作。输入一个状态，函数将返回一个动作。

确定策略被用于确定的环境中。这些环境中，所选择的动作决定了结果。一切都是确定性的。例如，当你玩国际象棋游戏，并且将士兵从A2移动到A3，可以预期到，士兵一定会移动到A3的。

 而另一方面，一个随机策略会输出一个动作上的可能性分布。

这意味着与确定动作不同，有一定的可能采取一个相反的动作（在这个案例中，有30%的概率朝南走）。这个随机的策略将使用在不确定的环境中。我们称这种过程为部分可观测的马尔可夫过程（Partially Observable Markov Decision Process，POMDP）。大多数时间，我们使用第二种策略。

三个主要优势

趋同性（Convergence）：

基于策略的方法有更好的趋同特点。基于值的方法在训练时可能产生非常大的波动。这是由于动作估计价值的微小变化，也有可能对动作选择产生极大影响。

另一方面，策略梯度中，仅仅跟随梯度去寻找最好的参数值，可以看到每一步的更新过程都非常平滑。由于我们跟随梯度寻找参数，所以可以保证找到局部最优解（不好的结果）或全局最优解（好的结果）。

策略梯度在高维动作空间内更加高效：

第二个优势是策略梯度在高维动作空间中，或存在连续动作时更加的高效。

深度Q学习的问题是，模型为每一种可能的动作，每一个时间步，每一种给定的状态都计算了一个分数（最大未来期望）。但如果动作空间是无限的怎么办？

例如，在自动驾驶中，每一个状态都有接近无限的可选动作（轮子角度旋转15°、17.2°、按喇叭。。。），我们需要为每一个行为输出一个Q值。

另一方面，基于策略的方法中，仅直接调整参数，以帮助模型理解什么是最大化，而不是在每一步计算（估算）最大值。

策略梯度算法可以学习到随机策略

第三个优势是策略梯度可以学到随机策略，而值函数无法学习，这有两个推论：

第一个是我们不需要实现探索与开发（exploration/exploitation）的平衡。随机策略允许我们的agent不依赖于相同动作探索状态空间。这是由于输出是一个动作的可能分布情况，这一点可以很轻松的通过代码来实现。

我们也可以摆脱掉感知混淆（perceptualaliasing）的问题。感知混淆是说当我们有两个状态，看起来非常像，但却需要采取不同动作时的情况。

例子如下，我们有一个扫地机器人，目标是打扫灰尘并避免杀死仓鼠。

在基于值的RL算法中，我们学习一个准确定性模型（epsilon贪婪策略），这样做的话，agent可能需要很长时间才能找到目标灰尘。

另一方面，一个最优化随机策略将随机向左或向右移动，这将使得agent有很高的概率快速到达目标状态。

劣势：

策略梯度有一个很大的劣势，很多次，它们收敛于局部最优解，而不像是深度Q学习，总是尝试到达全局最优解。

不过，对于这些劣势有一些可选的解决方案。具体的实现方法，将在后续的Part2部分：如何在Tensorflow中实现它，进行详细讲解，敬请期待。

原文链接：

https://medium.freecodecamp.org/an-introduction-to-policy-gradients-with-cartpole-and-doom-495b5ef2207f

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