1 PARL

1.1 parl是paddle平台下的一款开源强化学习框架，用简单明晰的方式定义了强化学习过程，并且提供了从入门到进阶的全套学习路线，并配有视频教程，可以说是目前把强化学习的讲解深入浅出做的最好的视频教程了

1.2 parl的基本结构如下所示

environment接口提供了强化学习的环境，本文默认环境为雅达利游戏，因此接下来用游戏环境代称。游戏环境根据当前游戏的状态(observation)接收玩家的动作(action)，将输出游戏的下一个状态(next_observation)，本次动作得到的分数(reward)以及游戏是否结束(end)

agent接口模拟了游戏的玩家，包括model与algorithm两个内部接口，其中model可视为agent的大脑，用于根据当前状态选择最优的游戏策略。模型训练时，则根据当前策略输出的结果与游戏环境给出的结果进行对比，得到损失信息以更新策略， algorithm可视为训练时采用的具体方法。

parl的优势在于用非常简单的方式定义了一整套的强化学习框架，扩展性和实用性都很强，并且基于paddle给出了大量的算法实现例子，其中包括了代码、参数、论文，无论是学习还是研究强化学习技术，都可谓是非常强大好用的工具

2 Q learning

2.1 强化学习，一般可看作一个连续决策问题，对于游戏中的每一个状态采取一定的策略选取一个动作，使得游戏结束时总分最高，游戏总分包括两部分，一部分是由当前动作直接得到的分数，另一部分则是由当前动作影响到的后续的动作所得到的分数。具体过程可如下公式

其中s为状态，a为动作，π为策略，R1为此刻的分数，Rn(n>1)为将来的分数，γ为不大于1的系数，Q可视为状态为s时采取动作a所能得到的最终分数的期望，详细的推理过程可参考paddle官网的视频教程

2.2 Q learning从概念上来说，属于上述parl框架的algorithm，是一种根据玩家与游戏交互的情况来更新游戏策略的方法，思路很直观，玩家根据目前的策略选取动作，与游戏环境交互，并更新目前的策略，更新公式如下图所示

其θ为模型的参数，可视为游戏策略，具体过程如下

2.3 DQN，Double DQN，Dueling DQN

2.3.1 将Q learning的策略更新思路转移到parl框架中，将输入定义为卷积网络从游戏中图像抽取特征信息，则形成了DQN的基本雏形

2.3.2 为了更进一步的有效学习，DQN的作者设计了reply memory与target model两种极具创意的组件，其中前者用于保存玩家与游戏交互过程中得到的 observation, action, reward, next observation等信息，用以作为监督学习的训练样本，后者则用于使用target model则针对强化学习过程中模型更新频繁的问题，作为目前一段时间模型的近似，来稳定的获取未来的游戏分数期望

2.3.3 DQN在很多雅达利游戏中取得了超越人类的分数，但是谷歌的研究员们针对DQN做了进一步的优化，提出了Double DQN，用以战胜更复杂的游戏环境，其基本思路即DNQ的更新方式会引起过于乐观的估计，反而导致游戏总得分下降，作者采取的解决方案是计算未来的奖励期望时，在另一个模型中选取动作，再回到原本的模型中计算，来避免对某一个动作做出过高的估计。其中的证明过程很复杂，反应到代码上，这个模型用model即可。

2.3.4 Dueling DQN是对DQN的另一个改进，这个改进提升到了model层面，如下图所示，计算动作概率分布时，使用了两个额外的层A,V，分别对应强化学习公式中的优势函数与值函数，但是又不等同于真正的优势函数与值函数。从下述代码可知，作者做了一个非常巧妙的技巧，减去了A函数的平均值，从而使得A，V函数去逼近真正的优势函数与值函数，进一步来说，使得训练过程中，模型更关注于

2.3.5 Double DQN 与Dueling DQN都是针对更复杂的游戏所做的改进，也是为了更适应于真实世界的人与环境交互的场景，由于时间有限，仅做了部分实验结果，参数保持代码中的原始参数不变

A 对于pong游戏

DNQ仅用了1002234个steps达到了20分，但是其后分数波动较大，并不稳定

Double DQN 用了1100484个steps达到了20分，其后分数相对稳定

Dueling DQN 用了1301422个steps达到了21分，其后分数最稳定

B 考虑到pong游戏中动作比较简单，三种方法的差距拉不开，于是又尝试了bank heist游戏

bank heist游戏更加复杂，也更难得到较高的分数，尝试了很多次，都无法几个小时内达到预期的分数，所以只实验了一种方法，结合Double DQN与Dueling DQN一起训练，从结果上看

Double Dueling DQN用了2400161个steps达到了676分，其后分数还在持续上升，远远高于DQN论文中的最高分480分

3 parl 代码

3.1 用parl来解决强化学习的问题是十分简单方便的，运行的基本流程如下，包括定义超参数，编写训练代码，编写测试代码，配置parl框架并运行，尽管代码如此简单，但是parl还提供了更简单的方式，让parl的使用者连下述的代码都不用写，parl提供了大量的examples，包括各种经典、前沿的论文复现代码及其对应的参数，其中的代码都采取parl的统一接口，只需要根据自己的需要做一些简单的更高即可

3.2 比如，想要使用double dqn与dueling dqn两种方法结合进行训练，只将atari_model.py中的一行代码

由 if self.algo == 'Dueling' 改为

if self.algo == 'Dueling' or self.algo == 'DDQN_Dueling'即可

4 小结

原本选择论文的时候，想选择日期更加新鲜的文章，大致对比了一下论文的内容，觉得还是学习DQN模型更有助于巩固之前学习的效果，不得不感慨，这几篇文章都是值得反复读的论文，作者进行深度学习研究的思路、技巧，作者对于强化学习中各种要素的理解，都让我印象十分深刻。写到此刻，最迫切的感触就是，这三篇论文，我想再读一遍

参考：

1 ai studio 强化学习视频教程 https://aistudio.baidu.com/aistudio/education/group/info/1335

2 基于paddle和parl框架的dqn复现代码 https://github.com/PaddlePaddle/PARL/tree/develop/examples

作者：whispers_j
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来源：简书
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