深層強化学習 DQN (Deep Q-Network)

深層強化学習でOpenAI GymのCartPoleを攻略します。
深層強化学習は強化学習にディープラーニングを使用した方法です。

使用するパッケージをインポートします。

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# パッケージのimport
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
import gym

動画ファイルを保存する関数を定義します。

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# 動画の描画関数の宣言
from JSAnimation.IPython_display import display_animation
from matplotlib import animation
from IPython.display import display

def display_frames_as_gif(frames):
    plt.figure(figsize=(frames[0].shape[1]/72.0, frames[0].shape[0]/72.0), dpi=72)
    patch = plt.imshow(frames[0])
    plt.axis('off')

    def animate(i):
        patch.set_data(frames[i])

    anim = animation.FuncAnimation(plt.gcf(), animate, frames=len(frames), interval=50)
    anim.save('5_4movie_cartpole_DQN.mp4')  # 動画ファイルを保存します。

namedtupleを使うことで、値をフィールド名とペアで格納でき、値に対してフィールド名でアクセスできて便利です。
namedtupleの動作を確認するためのサンプルを実装してみます。

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from collections import namedtuple

Tr = namedtuple('tr', ('name_a', 'value_b'))
Tr_object = Tr('名前Aです', 100)

print(Tr_object)
print(Tr_object.value_b)

実行結果1

経験(Transition)を表すnamedtupleを生成します。
状態 state、行動 action、次の状態 next_state、報酬 rewardに容易にアクセスできます。

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# namedtupleを生成
from collections import namedtuple
Transition = namedtuple('Transition', ('state', 'action', 'next_state', 'reward'))

定数を宣言します。

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# 定数の設定
ENV = 'CartPole-v0'  # 使用する課題名
GAMMA = 0.99         # 時間割引率
MAX_STEPS = 200      # 1試行のstep数
NUM_EPISODES = 500   # 最大試行回数

ミニバッチ学習を実現するために、経験データを保存しておくメモリクラス ReplayMemoryを定義します。
経験を保存する関数 push、ランダムに経験を取り出す関数 sampleがあります。

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# 経験を保存するメモリクラスを定義します
class ReplayMemory:

    def __init__(self, CAPACITY):
        self.capacity = CAPACITY  # メモリの最大長さ
        self.memory = []  # 経験を保存する変数
        self.index = 0  # 保存するindexを示す変数

    def push(self, state, action, state_next, reward):
        '''transition = (state, action, state_next, reward)をメモリに保存する'''
        if len(self.memory) < self.capacity:
            self.memory.append(None)  # メモリが満タンでないときは足す

        # namedtupleのTransitionを使用し、値とフィールド名をペアにして保存します
        self.memory[self.index] = Transition(state, action, state_next, reward)

        self.index = (self.index + 1) % self.capacity  # 保存するindexを1つずらす

    def sample(self, batch_size):
        '''batch_size分だけ、ランダムに保存内容を取り出す'''
        return random.sample(self.memory, batch_size)

    def __len__(self):
        '''関数lenに対して、現在の変数memoryの長さを返す'''
        return len(self.memory)

Brainクラスを実装します。
このクラスがニューラルネットワークを保持します。

関数 replayはメモリクラスからミニバッチを取り出し、ニューラルネットワークの結合パラメータを学習し、Q関数を更新します。
この関数の流れは下記のようになります。

  1. メモリサイズの確認

  2. メモリサイズがミニバッチより小さい間は何もしない。

  3. ミニバッチの作成

  4. メモリからミニバッチ分のデータを取り出す。

  5. 各変数をミニバッチに対応する形に変形する。

  6. 各変数の要素をミニバッチに対応する形に変形する。

  7. 教師信号となるQ値を算出

  8. ネットワークを推論モードに切り替える。

  9. ネットワークが出力したQ値を求める。

  10. maxQ値を求める。

  11. 教師となるQ値をQ学習の式から求める。

  12. 結合パラメータの更新

  13. ネットワークを訓練モードに切り替える。

  14. 損失関数の値を計算する。

  15. 結合パラメータを更新する。

関数 decide_actionはε-greedy法によりランダムな行動 または 現在の状態に対してQ値が最大となる行動のindexを返します。

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# エージェントが持つ脳となるクラスです、DQNを実行します
# Q関数をディープラーニングのネットワークをクラスとして定義
import random
import torch
from torch import nn
from torch import optim
import torch.nn.functional as F

BATCH_SIZE = 32
CAPACITY = 10000

class Brain:
    def __init__(self, num_states, num_actions):
        self.num_actions = num_actions  # CartPoleの行動（右に左に押す）の2を取得

        # 経験を記憶するメモリオブジェクトを生成
        self.memory = ReplayMemory(CAPACITY)

        # ニューラルネットワークを構築
        self.model = nn.Sequential()
        self.model.add_module('fc1', nn.Linear(num_states, 32))
        self.model.add_module('relu1', nn.ReLU())
        self.model.add_module('fc2', nn.Linear(32, 32))
        self.model.add_module('relu2', nn.ReLU())
        self.model.add_module('fc3', nn.Linear(32, num_actions))

        print(self.model)  # ネットワークの形を出力

        # 最適化手法の設定
        self.optimizer = optim.Adam(self.model.parameters(), lr=0.0001)

    def replay(self):
        '''Experience Replayでネットワークの結合パラメータを学習'''
        # -----------------------------------------
        # 1. メモリサイズの確認
        # -----------------------------------------
        # 1.1 メモリサイズがミニバッチより小さい間は何もしない
        if len(self.memory) < BATCH_SIZE:
            return

        # -----------------------------------------
        # 2. ミニバッチの作成
        # -----------------------------------------
        # 2.1 メモリからミニバッチ分のデータを取り出す
        transitions = self.memory.sample(BATCH_SIZE)

        # 2.2 各変数をミニバッチに対応する形に変形
        # transitionsは1stepごとの(state, action, state_next, reward)が、BATCH_SIZE分格納されている
        # つまり、(state, action, state_next, reward)×BATCH_SIZE
        # これをミニバッチにしたい。つまり
        # (state×BATCH_SIZE, action×BATCH_SIZE, state_next×BATCH_SIZE, reward×BATCH_SIZE)にする
        batch = Transition(*zip(*transitions))

        # 2.3 各変数の要素をミニバッチに対応する形に変形し、ネットワークで扱えるようVariableにする
        # 例えばstateの場合、[torch.FloatTensor of size 1x4]がBATCH_SIZE分並んでいるのですが、
        # それを torch.FloatTensor of size BATCH_SIZEx4 に変換します
        # 状態、行動、報酬、non_finalの状態のミニバッチのVariableを作成
        # catはConcatenates（結合）のことです。
        state_batch = torch.cat(batch.state)
        action_batch = torch.cat(batch.action)
        reward_batch = torch.cat(batch.reward)
        non_final_next_states = torch.cat([s for s in batch.next_state if s is not None])

        # -----------------------------------------
        # 3. 教師信号となるQ(s_t, a_t)値を求める
        # -----------------------------------------
        # 3.1 ネットワークを推論モードに切り替える
        self.model.eval()

        # 3.2 ネットワークが出力したQ(s_t, a_t)を求める
        # self.model(state_batch)は、右左の両方のQ値を出力しており
        # [torch.FloatTensor of size BATCH_SIZEx2]になっている。
        # ここから実行したアクションa_tに対応するQ値を求めるため、action_batchで行った行動a_tが右か左かのindexを求め
        # それに対応するQ値をgatherでひっぱり出す。
        state_action_values = self.model(state_batch).gather(1, action_batch)

        # 3.3 max{Q(s_t+1, a)}値を求める。ただし次の状態があるかに注意。

        # cartpoleがdoneになっておらず、next_stateがあるかをチェックするインデックスマスクを作成
        non_final_mask = torch.ByteTensor(tuple(map(lambda s: s is not None,
                                                    batch.next_state)))
        # まずは全部0にしておく
        next_state_values = torch.zeros(BATCH_SIZE)

        # 次の状態があるindexの最大Q値を求める
        # 出力にアクセスし、max(1)で列方向の最大値の[値、index]を求めます
        # そしてそのQ値（index=0）を出力します
        # detachでその値を取り出します
        next_state_values[non_final_mask] = self.model(
            non_final_next_states).max(1)[0].detach()

        # 3.4 教師となるQ(s_t, a_t)値を、Q学習の式から求める
        expected_state_action_values = reward_batch + GAMMA * next_state_values

        # -----------------------------------------
        # 4. 結合パラメータの更新
        # -----------------------------------------
        # 4.1 ネットワークを訓練モードに切り替える
        self.model.train()

        # 4.2 損失関数を計算する（smooth_l1_lossはHuberloss）
        # expected_state_action_valuesは
        # sizeが[minbatch]になっているので、unsqueezeで[minibatch x 1]へ
        loss = F.smooth_l1_loss(state_action_values,
                                expected_state_action_values.unsqueeze(1))

        # 4.3 結合パラメータを更新する
        self.optimizer.zero_grad()  # 勾配をリセット
        loss.backward()  # バックプロパゲーションを計算
        self.optimizer.step()  # 結合パラメータを更新

    def decide_action(self, state, episode):
        '''現在の状態に応じて、行動を決定する'''
        # ε-greedy法で徐々に最適行動のみを採用する
        epsilon = 0.5 * (1 / (episode + 1))

        if epsilon <= np.random.uniform(0, 1):
            self.model.eval()  # ネットワークを推論モードに切り替える
            with torch.no_grad():
                action = self.model(state).max(1)[1].view(1, 1)
            # ネットワークの出力の最大値のindexを取り出します = max(1)[1]
            # .view(1,1)は[torch.LongTensor of size 1]　を size 1x1 に変換します

        else:
            # 0,1の行動をランダムに返す
            action = torch.LongTensor(
                [[random.randrange(self.num_actions)]])  # 0,1の行動をランダムに返す
            # actionは[torch.LongTensor of size 1x1]の形になります

        return action

棒付き台車を表すAgentクラスを実装します。
関数 memorizeでメモリオブジェクトに経験したデータ transitionを格納します。

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# CartPoleで動くエージェントクラスです、棒付き台車そのものになります
class Agent:
    def __init__(self, num_states, num_actions):
        '''課題の状態と行動の数を設定する'''
        self.brain = Brain(num_states, num_actions)  # エージェントが行動を決定するための頭脳を生成

    def update_q_function(self):
        '''Q関数を更新する'''
        self.brain.replay()

    def get_action(self, state, episode):
        '''行動を決定する'''
        action = self.brain.decide_action(state, episode)
        return action

    def memorize(self, state, action, state_next, reward):
        '''memoryオブジェクトに、state, action, state_next, rewardの内容を保存する'''
        self.brain.memory.push(state, action, state_next, reward)

CartPoleを実行する環境クラスを定義します。
表形式表現のように離散化は行わず、観測結果 observationをそのままstateとして使用します。

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# CartPoleを実行する環境のクラスです
class Environment:

    def __init__(self):
        self.env = gym.make(ENV)  # 実行する課題を設定
        num_states = self.env.observation_space.shape[0]  # 課題の状態数4を取得
        num_actions = self.env.action_space.n  # CartPoleの行動（右に左に押す）の2を取得
        self.agent = Agent(num_states, num_actions)  # 環境内で行動するAgentを生成

    def run(self):
        '''実行'''
        episode_10_list = np.zeros(10)  # 10試行分の立ち続けたstep数を格納し、平均ステップ数を出力に利用
        complete_episodes = 0  # 195step以上連続で立ち続けた試行数
        episode_final = False  # 最後の試行フラグ
        frames = []  # 最後の試行を動画にするために画像を格納する変数

        for episode in range(NUM_EPISODES):  # 最大試行数分繰り返す
            observation = self.env.reset()  # 環境の初期化

            state = observation  # 観測をそのまま状態sとして使用
            state = torch.from_numpy(state).type(
                torch.FloatTensor)  # NumPy変数をPyTorchのテンソルに変換
            state = torch.unsqueeze(state, 0)  # size 4をsize 1x4に変換

            for step in range(MAX_STEPS):  # 1エピソードのループ

                if episode_final is True:  # 最終試行ではframesに各時刻の画像を追加していく
                    frames.append(self.env.render(mode='rgb_array'))

                action = self.agent.get_action(state, episode)  # 行動を求める

                # 行動a_tの実行により、s_{t+1}とdoneフラグを求める
                # actionから.item()を指定して、中身を取り出す
                observation_next, _, done, _ = self.env.step(
                    action.item())  # rewardとinfoは使わないので_にする

                # 報酬を与える。さらにepisodeの終了評価と、state_nextを設定する
                if done:  # ステップ数が200経過するか、一定角度以上傾くとdoneはtrueになる
                    state_next = None  # 次の状態はないので、Noneを格納

                    # 直近10episodeの立てたstep数リストに追加
                    episode_10_list = np.hstack(
                        (episode_10_list[1:], step + 1))

                    if step < 195:
                        reward = torch.FloatTensor(
                            [-1.0])  # 途中でこけたら罰則として報酬-1を与える
                        complete_episodes = 0  # 連続成功記録をリセット
                    else:
                        reward = torch.FloatTensor([1.0])  # 立ったまま終了時は報酬1を与える
                        complete_episodes = complete_episodes + 1  # 連続記録を更新
                else:
                    reward = torch.FloatTensor([0.0])  # 普段は報酬0
                    state_next = observation_next  # 観測をそのまま状態とする
                    state_next = torch.from_numpy(state_next).type(
                        torch.FloatTensor)  # numpy変数をPyTorchのテンソルに変換
                    state_next = torch.unsqueeze(state_next, 0)  # size 4をsize 1x4に変換

                # メモリに経験を追加
                self.agent.memorize(state, action, state_next, reward)

                # Experience ReplayでQ関数を更新する
                self.agent.update_q_function()

                # 観測の更新
                state = state_next

                # 終了時の処理
                if done:
                    print('%d Episode: Finished after %d steps：10試行の平均step数 = %.1lf' % (
                        episode, step + 1, episode_10_list.mean()))
                    break

            if episode_final is True:
                # 動画を保存と描画
                display_frames_as_gif(frames)
                break

            # 10連続で200step経ち続けたら成功
            if complete_episodes >= 10:
                print('10回連続成功')
                episode_final = True  # 次の試行を描画を行う最終試行とする

学習を実行します。

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# main クラス
cartpole_env = Environment()
cartpole_env.run()

実行結果2 エピソード0～10

実行結果3 エピソード70～86(終了)

85エピソードで学習が完了しました。
出力された動画ファイル’5_4movie_cartpole_DQN.mp4’は下記のようになります。


参考 > つくりながら学ぶ！深層強化学習 サポートページ