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강화학습 - (24-2) Deep SARSA 코드예제 2

Johnny Yoon 2020. 12. 16. 21:18
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강화학습

 

패키지 설치

다음 코드는 세가지 패키지가 선행 되어야 합니다.

sudo apt-get install ffmpeg
pip install gym
pip install gym_minigrid

gym.render() 코드가 에러를 발생할 경우, 다음 패키지를 설치하고:
sudo apt-get install xvfb

주피터 노트북을 다음 명령어를 통해 실행합니다:
xvfb-run -s "-screen 0 1400x900x24" jupyter notebook

In [1]:
import warnings; warnings.filterwarnings('ignore')
import numpy as np
import pandas as pd
import random
import gym
import matplotlib.pyplot as plt

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim

%matplotlib inline
 

환경

예제 코드는 그리드월드 예제에서 Deep SARSA 에이전트가 학습하는 코드 입니다.
에이전트가 최종 지점에 도달하면 보상을 받고,
에이전트가 취할 수 있는 행동은 다음 세가지 입니다.

  1. 왼쪽으로 회전
  2. 오른쪽으로 회전
  3. 전진
 

Deep SARSA 에이전트

Deep SARSA 에이전트 클래스를 만들어 줍니다.
Deep SARSA에이전트는 0.001의 학습율($\alpha$), 0.99의 감가율($\gamma$)을 사용합니다.
Deep SARSA 에이전트는 SARSA를 인공신경망을 사용해 함수 근사를 한 에이전트 입니다.
인공신경망의 레이어 수는 세개, 각각 32개의 노드를 사용합니다.
옵티마이저는 Adam을 사용합니다.

In [2]:
class DeepSARSA:
    def __init__(self, num_states, num_actions):
        self.num_states = num_states
        self.num_actions = num_actions
        self.alpha = 0.001
        self.gamma = 0.99

        self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear(self.num_states, 32),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(32, 32),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(32, self.num_actions)
        )
        self.optimizer = optim.Adam(self.model.parameters(), lr=self.alpha)
        
        ...
 

입실론 그리디 정책

Deep SARSA 에이전트는 SARSA와 동일하게, 입실론 그리디 정책을 사용합니다.
입실론 그리디는 $\epsilon$값에 의해 랜덤한 행동을,
$1 - \epsilon$값에 의해 탐욕적으로 행동을 선택합니다.
(랜덤한 행동은 np.random.choice, 탐욕적 행동은 np.argmax에 의해 선정)

In [3]:
    ...
    
    def act(self, state):
        if np.random.rand() < self.epsilon:
            action = np.random.choice(self.actions)
        else:
            state = self._convert_state(state)
            q_values = self.q_values[state]
            action = np.argmax(q_values)
        return action
    
    ...
 

입실론 감쇄 (Epsilon Decay)

입실론($\epsilon$)값은 1.0부터 시작해 0.2까지 감소합니다.
매번 학습(update)을 할때마다, 0.99995씩 곱해지는 방식으로 감소합니다.
여기서 epsilon_min을 0.2로 설정하는 이유는,
비교 분석을 진행할 SARSA 및, Q러닝 에이전트와 동일한 설정을 위해서 입니다.

In [2]:
class DeepSARSA:
    def __init__(self, num_states, num_actions):
        ...

        self.epsilon = 1.
        self.epsilon_decay = .99995
        self.epsilon_min = 0.2
        
        ...
        
    def decrease_epsilon(self):
        if self.epsilon > self.epsilon_min:
            self.epsilon *= self.epsilon_decay
 

Q값 학습

현재상태 (S, state), 현재행동 (A, action), 보상 (R, reward),
다음상태 (S', next_state), 다음행동 (A', next_action)
위 다섯가지 원소를 가지고 시간차(TD)를 학습합니다.
한가지 주의할 점은, 에피소드가 끝나는 시점에서는 미래의 값을 고려하지 않고 학습한다는 점입니다.

In [2]:
class DeepSARSA:
    ...
        
    def update(self, state, action, reward, next_state, next_action, done):
        self.decrease_epsilon()
        self.optimizer.zero_grad()
        
        q_value = self.model(state)[action]
        next_q_value = self.model(next_state)[next_action].detach()
        
        q_target = reward + (1 - int(done)) * self.gamma * next_q_value
        q_error = (q_target - q_value) ** 2
        
        q_error.backward()
        self.optimizer.step()
        
        return q_error.item()
    
    ...
 

환경 & 에이전트 초기화

환경과 Deep SARSA 에이전트를 초기화 합니다.

In [4]:
env = gen_wrapped_env('MiniGrid-Empty-6x6-v0')
obs = env.reset()

agent = DeepSARSA(obs.shape[0], 3)
 

에피소드 학습

5000번의 에피소드를 통해 학습합니다.
각 10번의 에피소드마다 리워드 값을 출력합니다.

In [5]:
rewards = []
for ep in range(5000):
    done = False
    obs = torch.FloatTensor(env.reset())
    action = agent.act(obs)

    ep_rewards = 0
    losses = []
    while not done:
        next_obs, reward, done, info = env.step(action)
        next_obs = torch.FloatTensor(next_obs)

        next_action = agent.act(next_obs)

        loss = agent.update(obs, action, reward, next_obs, next_action, done)
        losses.append(loss)
        
        ep_rewards += reward
        obs = next_obs
        action = next_action
    rewards.append(ep_rewards)
    ep_loss = sum(losses) / len(losses)
    if (ep+1) % 10 == 0:
        print("episode: {}, eps: {:.3f}, loss: {:.3f}, rewards: {}".format(ep+1, agent.epsilon, ep_loss, ep_rewards))
env.close()
 
episode: 10, eps: 0.995, loss: 0.023, rewards: 0.6399999999999999
episode: 20, eps: 0.991, loss: 0.002, rewards: 0
episode: 30, eps: 0.986, loss: 0.000, rewards: 0
episode: 40, eps: 0.982, loss: 0.001, rewards: 0
episode: 50, eps: 0.977, loss: 0.011, rewards: 0.586
episode: 60, eps: 0.973, loss: 0.001, rewards: 0
episode: 70, eps: 0.968, loss: 0.000, rewards: 0
episode: 80, eps: 0.964, loss: 0.001, rewards: 0
episode: 90, eps: 0.960, loss: 0.000, rewards: 0
episode: 100, eps: 0.956, loss: 0.001, rewards: 0
...
episode: 4900, eps: 0.200, loss: 0.003, rewards: 0.17199999999999993
episode: 4910, eps: 0.200, loss: 0.001, rewards: 0
episode: 4920, eps: 0.200, loss: 0.002, rewards: 0.5680000000000001
episode: 4930, eps: 0.200, loss: 0.002, rewards: 0
episode: 4940, eps: 0.200, loss: 0.004, rewards: 0
episode: 4950, eps: 0.200, loss: 0.000, rewards: 0
episode: 4960, eps: 0.200, loss: 0.001, rewards: 0
episode: 4970, eps: 0.200, loss: 0.013, rewards: 0.802
episode: 4980, eps: 0.200, loss: 0.001, rewards: 0
episode: 4990, eps: 0.200, loss: 0.002, rewards: 0.33399999999999996
episode: 5000, eps: 0.200, loss: 0.004, rewards: 0.136
 

에피소드 시각화

다음은 최종 에피소드의 영상입니다.

In [6]:
show_video()
 
 

에피소드 시각화

다음은 가장 리워드를 높게 받은 에피소드의 영상입니다.

In [6]:
show_video()
 
 

학습 곡선 시각화

다음은 학습 시 받은 보상의 이동 평균(Moving Average)을 시각화 한 그래프 입니다.
비교 분석을 위해 SARSA, ExpectedSARSA, 그리고 Q러닝의 결과가 포함되었고,
두 기법 모두5번의 시도 중 가장 좋은 그래프를 시각화 하였습니다.

결과에서 볼 수 있는 것과 같이, DeepSARSA는 SARSA기반의 에이전트들보다는,
학습 속도나 높은 평균 리워드 면에서 더 뛰어난 것을 알 수 있습니다.
하지만 아쉽게도 Q러닝 에이전트 보다는 뒤쳐지는 것을 확인할 수 있습니다.

In [7]:
pd.Series(rewards).to_csv('./logs/rewards_deepsarsa_gridworld.csv')
In [9]:
sarsa_logs = pd.read_csv('./logs/rewards_sarsa.csv', index_col=False).iloc[:, 1]
q_logs = pd.read_csv('./logs/rewards_qlearning.csv', index_col=False).iloc[:, 1]
exp_sarsa_logs = pd.read_csv('./logs/rewards_expectedsarsa.csv', index_col=False).iloc[:, 1]
deepsarsa_logs = pd.read_csv('./logs/rewards_deepsarsa_gridworld.csv', index_col=False).iloc[:, 1]
In [11]:
plt.figure(figsize=(16, 8))
plt.plot(deepsarsa_logs.cumsum() / (pd.Series(np.arange(exp_sarsa_logs.shape[0]))+1), label="DeepSARSA")
plt.plot(q_logs.cumsum() / (pd.Series(np.arange(q_logs.shape[0]))+1), label="QLearning")
plt.plot(sarsa_logs.cumsum() / (pd.Series(np.arange(sarsa_logs.shape[0]))+1), label="SARSA")
plt.plot(exp_sarsa_logs.cumsum() / (pd.Series(np.arange(exp_sarsa_logs.shape[0]))+1), label="ExpectedSARSA")
plt.legend()
Out[11]:
<matplotlib.legend.Legend at 0x7fc2b30a3780>
 

전체 코드

전체 코드는 다음 깃허브에서 확인할 수 있습니다.

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