【学习强化学习】九、Actor-Critic算法原理及实现_actor-critic框架

参考资料

1. https://datawhalechina.github.io/easy-rl/#/chapter9/chapter9

代码实现见github仓库

1. Actor-Critic框架原理

1.1 基本介绍

在 REINFORCE 算法中，每次需要根据一个策略采集一条完整的轨迹，并计算这条轨迹上的回报。这种采样方式的方差比较大，学习效率也比较低。我们可以借鉴时序差分学习的思想，使用动态规划方法来提高采样的效率，即从状态 s 开始的总回报可以通过当前动作的即时奖励 r(s,a,s’) 和下一个状态 s′ 的值函数来近似估计。

演员-评论家算法(Actor-Critic Algorithm)是一种结合策略梯度和时序差分学习的强化学习方法，其中：

• 演员(Actor)是指策略函数${\pi }_{\theta }(a|s)$，即学习一个策略来得到尽量高的回报。
• 评论家(Critic)是指值函数$V^{\pi }(s)$，对当前策略的值函数进行估计，即评估演员的好坏。
• 借助于值函数，演员-评论家算法可以进行单步更新参数，不需要等到回合结束才进行更新。

1.2 原理分析

• 如图，随机变量 G 的期望值是 Q ，即
  $$E\left[G_t^n\right]=Q^{{\pi }_{\theta }}\left(s_t^n,a_t^n\right)$$
  因为这个就是 Q 的定义。Q-function 的定义就是在某一个状态 s，采取某一个动作 a，假设 policy 就是 $\pi$ 的情况下会得到的累积奖励的期望值有多大，所以就是 G 的期望值。
  所以假设用$E\left[G_t^n\right]$ 来代表 ${\sum }_{t^{\prime }=t}^{T_n}{\gamma }^{t^{\prime }-t}{r}_{t^{\prime }}^n$​ 这一项的话，把 Q-function 套在这里就结束了，我们就可以把 Actor 跟 Critic 这两个方法结合起来。

• baseline可以用不同方法表示，一个常见的做法是用价值函数 $V^{{\pi }_{\theta }}\left(s_t^n\right)$ 来表示 baseline。价值函数是说：假设 policy 是 $\pi$，在某一个状态 s 一直互动到游戏结束，期望奖励(expected reward)有多大。

• 其实$V^{{\pi }_{\theta }}\left(s_t^n\right)$是 $Q^{{\pi }_{\theta }}\left(s_t^n,a_t^n\right)$ 的期望值，所以 $Q^{{\pi }_{\theta }}\left(s_t^n,a_t^n\right)-V^{{\pi }_{\theta }}\left(s_t^n\right)$有正有负，所以 ${\sum }_{t^{\prime }=t}^{T_n}{\gamma }^{t^{\prime }-t}{r}_{t^{\prime }}^n-b$这一项有正有负。

1.3 Advantage Actor-Critic

1. A2C引入

如上图所示，如果这么实现的话，就要估计 2 个 网络：Q-network 和 V-network，估测不准的风险就变成两倍。

事实上在这个 Actor-Critic 方法里面。可以只估测 V 网络，然后用 V 的值来表示 Q 的值，$Q^{\pi }\left(s_t^n,a_t^n\right)$可以写成 $r_t^n+V^{\pi }\left(s_{t+1}^n\right)$ 的期望值，即
$$Q^{\pi }\left(s_t^n,a_t^n\right)=E\left[r_t^n+V^{\pi }\left(s_{t+1}^n\right)\right]$$
你在状态 s 采取动作 a，会得到奖励 r，然后跳到状态$s_{t+1}$。但是你会得到什么样的奖励 r，跳到什么样的状态 $s_{t+1}$​，它本身是有随机性的。所以要把右边这个式子，取期望值它才会等于 Q-function。但我们现在把期望值去掉，即
$$Q^{\pi }\left(s_t^n,a_t^n\right)=r_t^n+V^{\pi }\left(s_{t+1}^n\right)$$

我们就可以把 Q-function 用 r + V 取代，然后得到下式：
$$r_t^n+V^{\pi }\left(s_{t+1}^n\right)-V^{\pi }\left(s_t^n\right)$$

把这个期望值去掉的好处就是不需要估计 Q 了，只需要估计 V 就够了。但这样就引入了一个 r ，它是一个随机变量。但是这个随机变量，相较于累积奖励 G 可能还好，因为它是某一个步骤会得到的奖励，而 G 是所有未来会得到的奖励的总和。G 的方差比较大，r 虽然也有一些方差，但它的方差会比 G 要小。所以把原来方差比较大的 G 换成方差比较小的 r 也是合理的。

因为 $r_t^n+V^{\pi }\left(s_{t+1}^n\right)-V^{\pi }\left(s_t^n\right)$ 叫做 Advantage function。所以这整个方法就叫 Advantage Actor-Critic。

2. A2C流程

整个流程是这样的。

• 初始的 actor 去跟环境做互动收集数据。在 policy gradient 方法里面收集数据以后，就要拿去更新 policy。但是在 actor-critic 方法里面，不是直接拿数据去更新 policy，而是先拿这些数据去估计价值函数，这边可以用 TD 或 MC 来估计价值函数 。接下来，再基于价值函数，套用下面这个式子去更新 $\pi$。
  $$\nabla {\bar{R}}_{\theta }\approx \frac{1}{N}\sum _{n=1}^N\sum _{t=1}^{T_n}\left(r_t^n+V^{\pi }\left(s_{t+1}^n\right)-V^{\pi }\left(s_t^n\right)\right)\nabla \log p_{\theta }\left(a_t^n\mid s_t^n\right)$$

• 有了新的 $\pi$ 后，再跟环境互动，收集新的数据，去估计价值函数。然后再用新的价值函数 去更新 actor。

3. tips

实现 Actor-Critic 的时候，有两个一定会用的 tip。

• 第一个 tip ，由于我们需要估计两个网络：V function 和 policy 的网络（也就是 actor）。

  • Critic 网络 $V^{\pi }(s)$ 输入一个状态，输出一个标量。
  • Actor 网络 $\pi (s)$ 输入一个状态，
    如果动作是离散的，输出就是一个动作的分布。
    如果动作是连续的，输出就是一个连续的向量。
    这两个网络，actor 和 critic 的输入都是 s，所以它们前面几个层(layer)，其实是可以共享的。

• 第二个 tip ，是我们需要探索(exploration)的机制。在做 Actor-Critic 的时候，有一个常见的探索的方法是对 $\pi$ 的输出的分布做一个约束。这个约束是希望这个分布的熵(entropy)不要太小，希望这个分布的熵可以大一点，也就是希望不同的动作它被采用的概率平均一点。这样在测试的时候，它才会多尝试各种不同的动作，才会把这个环境探索的比较好，才会得到比较好的结果。

2. A3C

2.1 A3C理解

强化学习有一个问题就是训练很慢，那怎么增加训练的速度呢？由此引出了Asynchronous(异步的) Advantage Actor-Critic，也就是 A3C。

A3C 这个方法就是同时开很多个 worker，这些worker 会把所有的经验，通通集合在一起。如果电脑没有很多个 CPU，可能也是不好实现的。

2.2 A3C运作机理

• A3C 一开始有一个 global network，它包含 policy 的部分和 value 的部分。 policy network 跟 value network 是绑在一起的，它们的前几个层是共享的。

• 假设 global network 的参数是${\theta }_1$​，你会开很多个 worker。每一个 worker 就用一张 CPU 去跑。比如开 8 个 worker，那至少需要 8 张 CPU。每一个 worker 工作前都会把 global network 的参数复制过来。

• 接下来跟环境做互动，每一个 actor 去跟环境做互动的时候，要收集到比较多样性的数据。

• 每一个 actor 跟环境互动完之后，计算梯度。计算出梯度以后，拿梯度去更新 global network 的参数。也就是这个 worker 算出梯度以后，把梯度传回给中央的控制中心，然后中央的控制中心就会拿这个梯度去更新原来的参数。

• 注意，所有的 actor 都是平行跑的，每一个 actor 就是各做各的，不管彼此。所以每个人都是去要了一个参数以后，做完就把参数传回去。所以当第一个 worker 做完想要把参数传回去的时候，本来它要的参数是 ${\theta }_1$，等它要把梯度传回去的时候。可能别人已经把原来的参数覆盖掉，变成 ${\theta }_2$​了。但是没有关系，它一样会把这个梯度覆盖过去就是了。这就是Asynchronous actor-critic 的运行方式。

2.3 算法大纲

3. Pathwise Derivative Policy Gradient

这部分可参考伯克利课件

这个方法可以看成是DQN 解连续动作的一种特别的方法，也可以看成是一种特别的 Actor-Critic 的方法。Pathwise Derivative Policy Gradient 中的 critic会直接告诉 actor 做什么样的动作才可以得到比较大的 value。

假设我们学习了一个 Q-function，那接下来，我们要学习一个 actor，这个 actor 的工作是解这个 arg max 的问题。这个 actor 的工作就是输入一个状态 s，希望可以输出一个动作 a。这个动作 a 被丢到 Q-function 以后，可以让 $Q^{\pi }(s,a)$ 的值越大越好。

那实际上在训练的时候，其实就是把 Q 跟 actor 接起来变成一个比较大的网络。Q 是一个网络，输入 s 跟 a，输出一个 value。Actor 在训练的时候，它要做的事情就是输入 s，输出 a。把 a 丢到 Q 里面，希望输出的值越大越好。在训练的时候会把 Q 跟 actor 接起来，当作是一个大的网络。然后固定住 Q 的参数，只去调 actor 的参数，用 gradient ascent 的方法去最大化 Q 的输出。

3.1 算法流程

我们来看一下 pathwise derivative policy gradient 的算法。

一开始有一个 actor $\pi$去跟环境互动，然后用它去估计 Q value。估计完 Q value 以后，就把 Q value 固定，只去学习一个 actor。假设这个 Q 估得很准，它知道在某一个状态采取什么样的动作会得到很大的 value。接下来就学习这个 actor，actor的目的是 在给定 s 的时候，它采取了a，可以让最后 Q-function 算出来的 value 越大越好。通过这个去更新 actor $\pi$。然后有新的 $\pi$ 去跟环境做互动，再估计 Q，最后得到新的 $\pi$ 去最大化 Q 的输出。DQN用得上的技巧，在这边也几乎都用得上，比如说 replay buffer、exploration 等等。

3.2算法相对于DQN的改变

接下来我们把 DQN 改成 Pathwise Derivative Policy Gradient，这边需要做四个改变。

• 第一个改变是，原本是用 Q 来决定在状态 $s_t$​ 产生那一个动作, ​ 现在是直接用 $\pi$ 。我们不用再解 arg max 的问题了，我们直接学习了一个 actor。这个 actor 输入 $s_t$ 就会告诉我们应该采取哪一个 $a_t$​。
• 第二个改变是，原本这个地方是要计算在$s_{i+1}$​，根据 policy 采取某一个动作 a 会得到多少的 Q value。那你采取让 $\hat{Q}$ 最大的那个动作 a。现在由 policy $\pi$ 来解，所以我们直接把$s_{i+1}$​ 代到 policy $\pi$ 里面。在 Q-function 里面，有两个 Q network，一个是真正的 Q network，另外一个是目标 Q network。那实际上在实现这个算法 的时候，也会有两个 actor，会有一个真正要学习的 actor $\pi$和一个目标 actor$\hat{\pi }$ 。这个原理就跟为什么要有目标 Q network 一样，我们在算目标 value 的时候，我们并不希望它一直的变动，所以我们会有一个目标的 actor 和一个目标的 Q-function，它们平常的参数是固定住的。
• 第三个不同就是之前只要学习 Q，现在多学习一个 $\pi$。
• 第四个步骤，就跟原来的 Q-function 一样。你要把目标的 Q network 取代掉，现在也要把目标 policy 取代掉。

4. 练习

1. A3C在训练时有很多的worker进行异步的工作。那么其具体的如何运作的呢？

答：A3C一开始会有一个 global network。它们有包含 policy 的部分和 value 的部分，假设它的参数就是${\theta }_1$​。对于每一个 worker 都用一张 CPU 训练（举例子说明），第一个 worker 就把 global network 的参数 copy 过来，每一个 worker 工作前都会global network 的参数 copy 过来。然后这个worker就要去跟environment进行交互，每一个 actor 去跟environment做互动后，就会计算出 gradient并且更新global network的参数。这里要注意的是，所有的 actor 都是平行跑的、之间没有交叉。所以每个worker都是在global network“要”了一个参数以后，做完就把参数传回去。所以当第一个 worker 做完想要把参数传回去的时候，本来它要的参数是 ${\theta }_1$​，等它要把 gradient 传回去的时候。可能别人已经把原来的参数覆盖掉，变成 ${\theta }_2$​了。但是没有关系，它一样会把这个 gradient 覆盖过去。

2. A3C是on-policy还是off-policy

答：A3C中，评论家学习值函数，同时有多个actor并行训练并且不时与全局参数同步。A3C旨在用于并行训练，是 on-policy 的方法。

3. Actor - Critic有何优点

答：

• 相比以value-based的算法，Actor - Critic应用了策略梯度的做法，这能让它在连续动作或者高维动作空间中选取合适的动作，而 Q-learning 做这件事会很困难甚至瘫痪。
• 相比单纯策略梯度，Actor - Critic应用了Q-learning或其他策略评估的做法，使得Actor Critic能进行单步更新而不是回合更新，比单纯的Policy Gradient的效率要高。

4. actor-critic框架中的critic起了什么作用？

答：critic表示了对于当前决策好坏的衡量。结合策略模块，当critic判别某个动作的选择时有益的，策略就更新参数以增大该动作出现的概率，反之降低动作出现的概率。

5. 简述A3C的优势函数？

答：$A(s,a)=Q(s,a)-V(s)$是为了解决value-based方法具有高变异性。它代表着与该状态下采取的平均行动相比所取得的进步。

如果 A(s,a)>0: 梯度被推向了该方向

如果 A(s,a)<0: (我们的action比该state下的平均值还差) 梯度被推向了反方

但是这样就需要两套 value function，所以可以使用TD error 做估计：$A(s,a)=r+\gamma V(s^{\prime })-V(s)$。