请写出文献中算法的完整python代码

时间: 2024-10-23 19:06:43 浏览: 12
由于提供的文献主要描述了算法的设计和实验结果,并没有提供具体的Python代码实现,因此无法直接从文献中提取完整的Python代码。不过,我可以帮助您根据文献中的描述,编写一个大致的框架代码。这个框架代码将包括状态空间定义、动作空间定义、奖励函数设计以及训练过程的主要步骤。 以下是一个基于文献描述的简化版Python代码示例: ```python import numpy as np import tensorflow as tf from collections import deque import random class USVEnvironment: def __init__(self): self.state_size = 10 # Example state size self.action_size = 11 # Discrete action space self.reset() def reset(self): # Reset the environment to initial state self.os_position = np.array([10, 20]) self.os_heading = 0 self.ts_positions = [np.array([20, 5]), np.array([20, 35])] self.ts_headings = [45, -45] self.nif = self.calculate_nif() self.done = False return self.get_state() def step(self, action): # Apply action and get new state, reward, done self.update_os(action) self.update_ts() self.nif = self.calculate_nif() reward = self.calculate_reward() self.done = self.check_collision() or self.reached_target() return self.get_state(), reward, self.done def update_os(self, action): # Update own ship's position and heading based on action delta_heading = action * 5 # Example action scaling self.os_heading += delta_heading self.os_position += np.array([np.cos(np.radians(self.os_heading)), np.sin(np.radians(self.os_heading))]) * 2.6 def update_ts(self): # Update target ship positions for i, ts_heading in enumerate(self.ts_headings): self.ts_positions[i] += np.array([np.cos(np.radians(ts_heading)), np.sin(np.radians(ts_heading))]) * 1.8 def calculate_nif(self): # Calculate Navigation Impact Factor (NIF) nifs = [] for ts_pos, ts_heading in zip(self.ts_positions, self.ts_headings): distance = np.linalg.norm(self.os_position - ts_pos) bearing_angle = np.arctan2(ts_pos[1] - self.os_position[1], ts_pos[0] - self.os_position[0]) bearing_angle = np.degrees(bearing_angle) % 360 nif = self.fuzzy_inference(distance, bearing_angle) nifs.append(nif) return nifs def fuzzy_inference(self, distance, bearing_angle): # Simplified fuzzy inference for NIF if distance < 7: if 5 <= bearing_angle <= 112.5: return 1.0 # High NIF elif 112.5 < bearing_angle <= 180: return 0.5 # Medium NIF else: return 0.0 # Low NIF else: return 0.0 def calculate_reward(self): # Calculate reward based on NIF, COLREGs, etc. r_vo = self.dynamic_obstacle_avoidance_reward() r_g = self.target_reward() r_c = self.boundary_reward() r_da = self.dynamic_approach_reward() r_sa = self.static_approach_reward() r_t = self.turning_reward() r_clgs = self.colregs_reward() return r_vo + r_g + r_c + r_da + r_sa + r_t + r_clgs def dynamic_obstacle_avoidance_reward(self): # Example VO-based reward if any(nif > 0.5 for nif in self.nif): return -1.0 else: return 0.0 def target_reward(self): # Example target reward target_position = np.array([80, 45]) distance_to_target = np.linalg.norm(self.os_position - target_position) if distance_to_target < 2: return 1.0 else: return 0.0 def boundary_reward(self): # Example boundary reward if 0 <= self.os_position[0] <= 90 and 0 <= self.os_position[1] <= 40: return 0.0 else: return -1.0 def dynamic_approach_reward(self): # Example dynamic approach reward return 0.0 def static_approach_reward(self): # Example static approach reward return 0.0 def turning_reward(self): # Example turning reward return -abs(self.os_heading / 180) def colregs_reward(self): # Example COLREGs reward for nif, ts_pos, ts_heading in zip(self.nif, self.ts_positions, self.ts_headings): if nif > 0.5: bearing_angle = np.arctan2(ts_pos[1] - self.os_position[1], ts_pos[0] - self.os_position[0]) bearing_angle = np.degrees(bearing_angle) % 360 if 5 <= bearing_angle <= 112.5: return -1.0 return 0.0 def check_collision(self): # Check for collision for ts_pos in self.ts_positions: if np.linalg.norm(self.os_position - ts_pos) < 2: return True return False def reached_target(self): # Check if target is reached target_position = np.array([80, 45]) distance_to_target = np.linalg.norm(self.os_position - target_position) return distance_to_target < 2 def get_state(self): # Get the current state state = np.concatenate([self.os_position, [self.os_heading], self.nif]) return state class DuelingDQN(tf.keras.Model): def __init__(self, state_size, action_size): super(DuelingDQN, self).__init__() self.dense1 = tf.keras.layers.Dense(128, activation='relu') self.dense2 = tf.keras.layers.Dense(128, activation='relu') self.value = tf.keras.layers.Dense(1) self.advantage = tf.keras.layers.Dense(action_size) def call(self, state): x = self.dense1(state) x = self.dense2(x) value = self.value(x) advantage = self.advantage(x) q_values = value + (advantage - tf.reduce_mean(advantage, axis=1, keepdims=True)) return q_values def train_dqn(env, episodes=40000, max_steps=100, batch_size=1024, gamma=0.95, epsilon=0.995, epsilon_decay=0.00005): state_size = env.state_size action_size = env.action_size replay_buffer = deque(maxlen=1000000) dqn = DuelingDQN(state_size, action_size) target_dqn = DuelingDQN(state_size, action_size) optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(lr=0.0003) for episode in range(episodes): state = env.reset() total_reward = 0 for step in range(max_steps): if np.random.rand() < epsilon: action = np.random.choice(action_size) else: q_values = dqn(tf.expand_dims(state, axis=0)) action = tf.argmax(q_values[0]).numpy() next_state, reward, done = env.step(action) replay_buffer.append((state, action, reward, next_state, done)) state = next_state total_reward += reward if len(replay_buffer) > batch_size: minibatch = random.sample(replay_buffer, batch_size) states, actions, rewards, next_states, dones = zip(*minibatch) states = np.array(states) actions = np.array(actions) rewards = np.array(rewards) next_states = np.array(next_states) dones = np.array(dones) target_q_values = target_dqn(next_states).numpy() max_q_values = np.max(target_q_values, axis=1) targets = rewards + gamma * max_q_values * (1 - dones) with tf.GradientTape() as tape: q_values = dqn(states) action_indices = tf.stack([tf.range(batch_size), actions], axis=1) chosen_q_values = tf.gather_nd(q_values, action_indices) loss = tf.reduce_mean(tf.square(targets - chosen_q_values)) gradients = tape.gradient(loss, dqn.trainable_variables) optimizer.apply_gradients(zip(gradients, dqn.trainable_variables)) if step % 10 == 0: target_dqn.set_weights(dqn.get_weights()) if done: break epsilon = max(epsilon * (1 - epsilon_decay), 0.01) print(f"Episode {episode}, Total Reward: {total_reward}") if __name__ == "__main__": env = USVEnvironment() train_dqn(env) ``` ### 说明 1. **环境类 (`USVEnvironment`)**: 定义了环境的状态、动作、奖励等方法。 2. **深度神经网络模型 (`DuelingDQN`)**: 使用Keras构建了一个双流DQN模型。 3. **训练函数 (`train_dqn`)**: 实现了DQN的训练过程,包括经验回放池、ε-贪婪策略、目标网络更新等。 请注意,这只是一个简化版的实现,实际应用中可能需要更复杂的环境建模、更多的超参数调优以及更详细的奖励函数设计。希望这个示例能为您提供一个良好的起点。
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