pytorch实现Q学习

Q学习是一种强化学习算法，用于学习一个智能体在一个环境中采取不同行动的最优策略。在Q学习中，我们学习一个Q函数，该函数给出在给定状态下采取某个行动的预期回报。在本文中，我们将介绍如何使用PyTorch实现Q学习。

首先，我们需要定义我们的环境。在这个例子中，我们将使用OpenAI Gym中的CartPole环境。我们的目标是让小车在一个平衡杆上移动，并保持平衡杆不倒。

import gym

env = gym.make('CartPole-v0')

接下来，我们需要定义我们的神经网络模型。我们的模型将接收当前状态作为输入，并预测在每个可能的行动下的预期回报。

import torch
import torch.nn as nn

class QNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(QNet, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(4, 64)
        self.fc2 = nn.Linear(64, 2)

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

在我们的模型中，我们使用了一个简单的两层全连接神经网络，其中第一层有64个隐藏单元。

接下来，我们需要定义我们的Q学习算法。我们将使用贪心策略来选择我们的行动，并使用经验回放来训练我们的模型。

class QLearning:
    def __init__(self, model, gamma, lr):
        self.model = model
        self.gamma = gamma
        self.lr = lr
        self.optimizer = torch.optim.Adam(self.model.parameters(), lr=self.lr)
        self.criterion = nn.MSELoss()

    def select_action(self, state, epsilon):
        if torch.rand(1)[0] < epsilon:
            return torch.tensor([[env.action_space.sample()]], dtype=torch.float32)
        else:
            with torch.no_grad():
                return self.model(state).argmax(dim=1).reshape(1, 1)

    def train(self, memory, batch_size):
        if len(memory) < batch_size:
            return
        transitions = memory.sample(batch_size)
        batch = Transition(*zip(*transitions))

        non_final_mask = torch.tensor(tuple(map(lambda s: s is not None,
                                                batch.next_state)), dtype=torch.bool)
        non_final_next_states = torch.cat([s for s in batch.next_state
                                           if s is not None])
        state_batch = torch.cat(batch.state)
        action_batch = torch.cat(batch.action)
        reward_batch = torch.cat(batch.reward)

        state_action_values = self.model(state_batch).gather(1, action_batch)

        next_state_values = torch.zeros(batch_size)
        next_state_values[non_final_mask] = self.model(non_final_next_states).max(1)[0].detach()

        expected_state_action_values = (next_state_values * self.gamma) + reward_batch

        loss = self.criterion(state_action_values, expected_state_action_values.unsqueeze(1))

        self.optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        self.optimizer.step()

在我们的Q学习算法中，我们使用了经验回放的概念，该概念将我们的经验存储在一个缓存区中，并从该缓存区中随机选择一些经验进行训练。

我们还使用了一个epsilon-greedy策略来选择我们的行动。这意味着我们将有一个概率选择一个随机行动，而不是选择当前预测最佳的行动。这有助于我们避免过度依赖预测，以及探索环境中的不同状态。

最后，我们需要定义我们的训练循环。

from collections import namedtuple
import random

Transition = namedtuple('Transition',
                        ('state', 'action', 'next_state', 'reward'))

memory = []

model = QNet()
q_learning = QLearning(model, gamma=0.99, lr=0.001)

for episode in range(1000):
    state = env.reset()
    state = torch.tensor(state, dtype=torch.float32).unsqueeze(0)

    for t in range(1000):
        epsilon = 0.1  # epsilon-greedy策略中的epsilon

        action = q_learning.select_action(state, epsilon)

        next_state, reward, done, _ = env.step(action.item())
        next_state = torch.tensor(next_state, dtype=torch.float32).unsqueeze(0)
        reward = torch.tensor([reward], dtype=torch.float32)

        if done:
            next_state = None

        memory.append(Transition(state, action, next_state, reward))

        state = next_state

        q_learning.train(memory, batch_size=32)

        if done:
            break

在我们的训练循环中，我们首先重置我们的环境，并将初始状态作为输入传递给我们的模型。然后，我们在每个时间步中选择一个行动，并与环境交互。我们将我们的经验添加到我们的缓存区中，并使用经验回放和Q学习算法来更新我们的模型。我们重复这个过程，直到我们完成了一个episode。

通过这种方式，我们可以使用PyTorch实现Q学习算法，并将其应用于CartPole环境。