强化学习基础 | (10) Double DQN (DDQN)

在Deep Q-Learning进阶之Nature DQN中，我们讨论了Nature DQN的算法流程，它通过使用两个相同的神经网络，以解决数据样本和网络训练之前的相关性。但是还是有其他值得优化的点，文本就关注于Nature DQN的一个改进版本: Double DQN算法（以下简称DDQN）。

本章内容主要参考了ICML 2016的deep RL tutorial和DDQN的论文< Deep Reinforcement Learning with Double Q-learning>。

1. DQN的目标Q值计算问题

在DDQN之前，基本上所有的目标Q值都是通过贪婪法直接得到的，无论是Q-Learning， DQN(NIPS 2013)还是 Nature DQN，都是如此。比如对于Nature DQN,虽然用了两个Q网络并使用目标Q网络计算(目标)Q值，其第j个样本的目标Q值的计算还是贪婪法得到的，计算入下式：

使用max虽然可以快速让Q值向可能的优化目标靠拢，但是很容易过犹不及，导致过度估计(Over Estimation)，所谓过度估计就是最终我们得到的算法模型有很大的偏差(bias)。为了解决这个问题， DDQN通过解耦目标Q值动作的选择和目标Q值的计算这两步，来达到消除过度估计的问题。

2. DDQN的算法建模

DDQN和Nature DQN一样，也有一样的两个Q网络结构。在Nature DQN的基础上，通过解耦目标Q值动作的选择和目标Q值的计算这两步，来消除过度估计的问题。

在上一节里，Nature DQN对于非终止状态，其目标Q值的计算式子是：

在DDQN这里，不再是直接在目标Q网络里面找各个动作中最大Q值，而是先在当前Q网络中先找出最大Q值对应的动作，即

然后利用这个选择出来的动作$a^{max}(S_j^{\prime },w)$在目标网络里面去计算目标Q值。即：

综合起来写就是：

除了目标Q值的计算方式以外，DDQN算法和Nature DQN的算法流程完全相同。

3. DDQN算法流程

这里我们总结下DDQN的算法流程，和Nature DQN的区别仅仅在步骤2.f中目标Q值的计算。

算法输入：迭代轮数T，状态特征维度n, 动作集A, 步长$\alpha$，衰减因子$\gamma$, 探索率$ϵ$, 当前Q网络Q，目标Q网络Q’, 批量梯度下降的样本数m,目标Q网络参数更新频率C。
输出：Q网络参数

1. 随机初始化所有的状态和动作对应的价值Q. 随机初始化当前Q网络的所有参数w,初始化目标Q网络Q’的参数w’=w。清空经验回放的集合D。
2. for i from 1 to T，进行迭代。
   a) 初始化S为当前状态序列的第一个状态, 拿到其特征向量$\varphi (S)$
   b) 在当前Q网络中使用$\varphi (S)$作为输入，得到Q网络的所有动作对应的Q值输出。用ϵ−贪婪法在当前Q值输出中选择对应的动作A
   c) 在状态S执行当前动作A,得到新状态S’对应的特征向量$\varphi (S^{\prime })$和奖励R,是否终止状态is_end
   d) 将 { ϕ ( S ) , A , R , ϕ ( S ′ ) , i s _ e n d } \{\phi(S),A,R,\phi(S'),is\_end \} {ϕ(S),A,R,ϕ(S′),is_end}这个五元组存入经验回放集合D
   e) S = S’
   f) 从经验回放集合D中采样m个样本 { ϕ ( S j ) , A j , R j , ϕ ( S j ′ ) , i s _ e n d j } , j = 1 , 2 , . . . , m \{\phi(S_j),A_j,R_j,\phi(S'_j),is\_end_j \},j=1,2,...,m {ϕ(Sj​),Aj​,Rj​,ϕ(Sj′​),is_endj​},j=1,2,...,m,计算目标Q值$y_j$：
   
   g) 使用均方差损失函数$\frac{1}{m}{\sum }_{j=1}^m(y_j-Q(\varphi (S_j),A_j,w){)}^2$, 通过神经网络的梯度反向传播来更新当前Q网络的所有参数w
   h) 如果T%C=1,则更新目标Q网络参数w′=w
   i) 如果S’是终止状态，当前轮迭代完毕，否则转到步骤b)
   注意，上述第二步的f步和g步的Q值计算也都需要通过Q网络计算得到。另外，实际应用中，为了算法较好的收敛，探索率$ϵ$需要随着迭代的进行而变小。

4. DDQN算法实例

下面我们用一个具体的例子来演示DQN的应用。仍然使用了OpenAI Gym中的CartPole-v0游戏来作为我们算法应用。CartPole-v0游戏的介绍参见这里。它比较简单，基本要求就是控制下面的cart移动使连接在上面的pole保持垂直不倒。这个任务只有两个离散动作，要么向左用力，要么向右用力。而state状态就是这个cart的位置和速度， pole的角度和角速度，4维的特征。坚持到200分的奖励则为过关。

完整代码

这里我们重点关注DDQN和上一节的Nature DQN的代码的不同之处。代码只有一个地方不一样，就是计算目标Q值的时候，如下：

# Step 2: calculate y
    y_batch = []
    current_Q_batch = self.Q_value.eval(feed_dict={self.state_input: next_state_batch})
    max_action_next = np.argmax(current_Q_batch, axis=1)
    target_Q_batch = self.target_Q_value.eval(feed_dict={self.state_input: next_state_batch})

    for i in range(0,BATCH_SIZE):
      done = minibatch[i][4]
      if done:
        y_batch.append(reward_batch[i])
      else :
        target_Q_value = target_Q_batch[i, max_action_next[i]]
        y_batch.append(reward_batch[i] + GAMMA * target_Q_value)

而之前的Nature DQN这里的目标Q值计算是如下这样的：

# Step 2: calculate y
    y_batch = []
    Q_value_batch = self.target_Q_value.eval(feed_dict={self.state_input:next_state_batch})
    for i in range(0,BATCH_SIZE):
      done = minibatch[i][4]
      if done:
        y_batch.append(reward_batch[i])
      else :
        y_batch.append(reward_batch[i] + GAMMA * np.max(Q_value_batch[i]))

5. DDQN小结

DDQN算法出来以后，取得了比较好的效果，因此得到了比较广泛的应用。不过我们的DQN仍然有其他可以优化的点，如上一篇最后讲到的: 随机采样的方法好吗？按道理经验回放里不同样本的重要性是不一样的，TD误差大的样本重要程度应该高。针对这个问题，我们在下一节的Prioritised Replay DQN中讨论。