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introduzione
Un modello comune nell'apprendimento per rinforzo consiste nell'eseguire una politica in un ambiente per un numero specificato di passaggi o episodi. Ciò accade, ad esempio, durante la raccolta dei dati, la valutazione e la generazione di un video dell'agente.
Anche se questo è relativamente semplice di scrivere in python, è molto più complessa di scrivere ed eseguire il debug in tensorflow perché coinvolge tf.while loop, tf.cond e tf.control_dependencies . Perciò abbiamo estratto questo concetto di un ciclo corsa in una classe chiamata driver , e fornire implementazioni collaudate sia in Python e tensorflow.
Inoltre, i dati incontrati dal driver ad ogni passaggio vengono salvati in una tupla denominata Trajectory e trasmessi a un insieme di osservatori come replay buffer e metriche. Questi dati includono l'osservazione dall'ambiente, l'azione raccomandata dalla politica, la ricompensa ottenuta, il tipo di corrente e il passo successivo, ecc.
Impostare
Se non hai ancora installato tf-agent o gym, esegui:
pip install tf-agents
from __future__ import absolute_import
from __future__ import division
from __future__ import print_function
import tensorflow as tf
from tf_agents.environments import suite_gym
from tf_agents.environments import tf_py_environment
from tf_agents.policies import random_py_policy
from tf_agents.policies import random_tf_policy
from tf_agents.metrics import py_metrics
from tf_agents.metrics import tf_metrics
from tf_agents.drivers import py_driver
from tf_agents.drivers import dynamic_episode_driver
Driver Python
Il PyDriver classe prende un ambiente di pitone, una politica di pitone e l'elenco degli osservatori per l'aggiornamento ad ogni passo. Il metodo principale è run() , che passi l'ambiente utilizzando le azioni della politica fino a quando almeno uno dei seguenti criteri di terminazione è soddisfatta: il numero di passaggi raggiunge max_steps o il numero di episodi raggiunge max_episodes .
L'implementazione è approssimativamente la seguente:
class PyDriver(object):
def __init__(self, env, policy, observers, max_steps=1, max_episodes=1):
self._env = env
self._policy = policy
self._observers = observers or []
self._max_steps = max_steps or np.inf
self._max_episodes = max_episodes or np.inf
def run(self, time_step, policy_state=()):
num_steps = 0
num_episodes = 0
while num_steps < self._max_steps and num_episodes < self._max_episodes:
# Compute an action using the policy for the given time_step
action_step = self._policy.action(time_step, policy_state)
# Apply the action to the environment and get the next step
next_time_step = self._env.step(action_step.action)
# Package information into a trajectory
traj = trajectory.Trajectory(
time_step.step_type,
time_step.observation,
action_step.action,
action_step.info,
next_time_step.step_type,
next_time_step.reward,
next_time_step.discount)
for observer in self._observers:
observer(traj)
# Update statistics to check termination
num_episodes += np.sum(traj.is_last())
num_steps += np.sum(~traj.is_boundary())
time_step = next_time_step
policy_state = action_step.state
return time_step, policy_state
Ora, esaminiamo l'esempio dell'esecuzione di una politica casuale nell'ambiente CartPole, salvando i risultati in un buffer di riproduzione e calcolando alcune metriche.
env = suite_gym.load('CartPole-v0')
policy = random_py_policy.RandomPyPolicy(time_step_spec=env.time_step_spec(),
action_spec=env.action_spec())
replay_buffer = []
metric = py_metrics.AverageReturnMetric()
observers = [replay_buffer.append, metric]
driver = py_driver.PyDriver(
env, policy, observers, max_steps=20, max_episodes=1)
initial_time_step = env.reset()
final_time_step, _ = driver.run(initial_time_step)
print('Replay Buffer:')
for traj in replay_buffer:
print(traj)
print('Average Return: ', metric.result())
Replay Buffer:
Trajectory(
{'action': array(1),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([-0.01483762, -0.0301547 , -0.02482025, 0.00477367], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(0, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(1),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([-0.01544072, 0.16531426, -0.02472478, -0.29563585], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(1),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([-0.01213443, 0.3607798 , -0.0306375 , -0.5960129 ], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(1),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([-0.00491884, 0.5563168 , -0.04255775, -0.8981868 ], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([ 0.0062075 , 0.75198895, -0.06052149, -1.2039375 ], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([ 0.02124728, 0.5576993 , -0.08460024, -0.9308191 ], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([ 0.03240127, 0.36381477, -0.10321662, -0.6658752 ], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(1),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([ 0.03967756, 0.17026839, -0.11653412, -0.40739253], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([ 0.04308293, 0.36683324, -0.12468197, -0.7344236 ], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([ 0.0504196 , 0.17363413, -0.13937044, -0.48343614], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(1),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([ 0.05389228, -0.0192741 , -0.14903916, -0.23772195], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(1),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([ 0.0535068 , 0.17762792, -0.1537936 , -0.5734562 ], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([ 0.05705936, 0.37453365, -0.16526273, -0.910366 ], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([ 0.06455003, 0.18198717, -0.18347006, -0.6738478 ], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(1, dtype=int32),
'observation': array([ 0.06818977, -0.01017502, -0.19694701, -0.44408032], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
'discount': array(0., dtype=float32),
'next_step_type': array(2, dtype=int32),
'observation': array([ 0.06798627, -0.20204504, -0.20582862, -0.21936782], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(1., dtype=float32),
'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(1),
'discount': array(1., dtype=float32),
'next_step_type': array(0, dtype=int32),
'observation': array([ 0.06394537, -0.39372152, -0.21021597, 0.00199082], dtype=float32),
'policy_info': (),
'reward': array(0., dtype=float32),
'step_type': array(2, dtype=int32)})
Average Return: 16.0
Driver TensorFlow
Abbiamo anche i driver in tensorflow che sono funzionalmente simili ai driver Python, ma ambienti Usa TF, politiche TF, osservatori TF ecc Al momento disporre di driver 2 tensorflow: DynamicStepDriver , che termina dopo un certo numero di passi (valido) ambiente e DynamicEpisodeDriver , che termina dopo un determinato numero di episodi. Vediamo un esempio di DynamicEpisode in azione.
env = suite_gym.load('CartPole-v0')
tf_env = tf_py_environment.TFPyEnvironment(env)
tf_policy = random_tf_policy.RandomTFPolicy(action_spec=tf_env.action_spec(),
time_step_spec=tf_env.time_step_spec())
num_episodes = tf_metrics.NumberOfEpisodes()
env_steps = tf_metrics.EnvironmentSteps()
observers = [num_episodes, env_steps]
driver = dynamic_episode_driver.DynamicEpisodeDriver(
tf_env, tf_policy, observers, num_episodes=2)
# Initial driver.run will reset the environment and initialize the policy.
final_time_step, policy_state = driver.run()
print('final_time_step', final_time_step)
print('Number of Steps: ', env_steps.result().numpy())
print('Number of Episodes: ', num_episodes.result().numpy())
final_time_step TimeStep(
{'discount': <tf.Tensor: shape=(1,), dtype=float32, numpy=array([1.], dtype=float32)>,
'observation': <tf.Tensor: shape=(1, 4), dtype=float32, numpy=array([[0.01182632, 0.01372784, 0.03056967, 0.04454206]], dtype=float32)>,
'reward': <tf.Tensor: shape=(1,), dtype=float32, numpy=array([0.], dtype=float32)>,
'step_type': <tf.Tensor: shape=(1,), dtype=int32, numpy=array([0], dtype=int32)>})
Number of Steps: 24
Number of Episodes: 2
# Continue running from previous state
final_time_step, _ = driver.run(final_time_step, policy_state)
print('final_time_step', final_time_step)
print('Number of Steps: ', env_steps.result().numpy())
print('Number of Episodes: ', num_episodes.result().numpy())
final_time_step TimeStep(
{'discount': <tf.Tensor: shape=(1,), dtype=float32, numpy=array([1.], dtype=float32)>,
'observation': <tf.Tensor: shape=(1, 4), dtype=float32, numpy=
array([[-0.02565088, 0.04813434, -0.04199163, 0.03810809]],
dtype=float32)>,
'reward': <tf.Tensor: shape=(1,), dtype=float32, numpy=array([0.], dtype=float32)>,
'step_type': <tf.Tensor: shape=(1,), dtype=int32, numpy=array([0], dtype=int32)>})
Number of Steps: 70
Number of Episodes: 4