通俗講解強(qiáng)化學(xué)習(xí)！

前言：強(qiáng)化學(xué)習(xí)這個概念是2017年Alpha Go戰(zhàn)勝了當(dāng)時世界排名第一的柯潔而被大眾知道，后面隨著強(qiáng)化學(xué)習(xí)在各大游戲比如王者榮耀中被應(yīng)用，而被越來越多人熟知。王者榮耀AI團(tuán)隊(duì)，甚至在頂級期刊AAAI上發(fā)表過強(qiáng)化學(xué)習(xí)在王者榮耀中應(yīng)用的論文。那么強(qiáng)化學(xué)習(xí)到底是什么，如何應(yīng)用？下面和大家分享我對強(qiáng)化學(xué)習(xí)的整個過程，以及強(qiáng)化學(xué)習(xí)目前在工業(yè)界是如何應(yīng)用的，歡迎溝通交流。

1 簡介強(qiáng)化學(xué)習(xí)

強(qiáng)化學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個分支。

1.1 什么是強(qiáng)化學(xué)習(xí)

強(qiáng)化學(xué)習(xí)是一種機(jī)器學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)方式（四種主要的機(jī)器學(xué)習(xí)方式解釋見上圖）。

上圖沒有提到深度學(xué)習(xí)，是因?yàn)閺膶W(xué)習(xí)方式層面上來說，深度學(xué)習(xí)屬于上述四種方式的子集。而強(qiáng)化學(xué)習(xí)是獨(dú)立存在的，所以上圖單獨(dú)列出強(qiáng)化學(xué)習(xí)，而沒有列出深度學(xué)習(xí)。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)和其他三種學(xué)習(xí)方式主要不同點(diǎn)在于：強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練時，需要環(huán)境給予反饋，以及對應(yīng)具體的反饋值。它不是一個分類的任務(wù)，不是金融反欺詐場景中如何分辨欺詐客戶和正?？蛻?。強(qiáng)化學(xué)習(xí)主要是指導(dǎo)訓(xùn)練對象每一步如何決策，采用什么樣的行動可以完成特定的目的或者使收益最大化。

比如AlphaGo下圍棋，AlphaGo就是強(qiáng)化學(xué)習(xí)的訓(xùn)練對象,AlphaGo走的每一步不存在對錯之分，但是存在“好壞”之分。當(dāng)前這個棋面下，下的“好”，這是一步好棋。下的“壞”，這是一步臭棋。強(qiáng)化學(xué)習(xí)的訓(xùn)練基礎(chǔ)在于AlphaGo的每一步行動環(huán)境都能給予明確的反饋，是“好”是“壞”？“好”“壞”具體是多少，可以量化。強(qiáng)化學(xué)習(xí)在AlphaGo這個場景中最終訓(xùn)練目的就是讓棋子占領(lǐng)棋面上更多的區(qū)域，贏得最后的勝利。

打一個不是很恰當(dāng)?shù)谋扔?，有點(diǎn)像馬戲團(tuán)訓(xùn)猴一樣。

馴獸師敲鑼，訓(xùn)練猴站立敬禮，猴是我們的訓(xùn)練對象。如果猴完成了站立敬禮的動作，就會獲得一定的食物獎勵，如果沒有完成或者完成的不對，就沒有食物獎勵甚至是鞭子抽打。時間久了，每當(dāng)馴獸師敲鑼，猴子自然而然地就知道要站立敬禮，因?yàn)檫@個動作是當(dāng)前環(huán)境下獲得收益最大的動作，其他動作就不會有食物，甚至還要被鞭子抽打。（https://bbs.hupu.com/36347293.html 這里有一篇耍猴的報道，有強(qiáng)化學(xué)習(xí)的味道）

強(qiáng)化學(xué)習(xí)的靈感來源于心理學(xué)里的行為主義理論：

• 一切學(xué)習(xí)都是通過條件作用，在刺激和反應(yīng)之間建立直接聯(lián)結(jié)的過程。
• 強(qiáng)化在刺激一反應(yīng)之間的建立過程中起著重要的作用。在刺激一反應(yīng)聯(lián)結(jié)中，個體學(xué)到的是習(xí)慣，而習(xí)慣是反復(fù)練習(xí)與強(qiáng)化的結(jié)果。
• 習(xí)慣一旦形成，只要原來的或類似的刺激情境出現(xiàn)，習(xí)得的習(xí)慣性反應(yīng)就會自動出現(xiàn)。

那基于上述理論，強(qiáng)化學(xué)習(xí)就是訓(xùn)練對象如何在環(huán)境給予的獎勵或懲罰的刺激下，逐步形成對刺激的預(yù)期，產(chǎn)生能獲得最大利益的習(xí)慣性行為。

1.2 強(qiáng)化學(xué)習(xí)的主要特點(diǎn)

• 試錯學(xué)習(xí)： 強(qiáng)化學(xué)習(xí)需要訓(xùn)練對象不停地和環(huán)境進(jìn)行交互，通過試錯的方式去總結(jié)出每一步的最佳行為決策，整個過程沒有任何的指導(dǎo)，只有冰冷的反饋。所有的學(xué)習(xí)基于環(huán)境反饋，訓(xùn)練對象去調(diào)整自己的行為決策。
• 延遲反饋： 強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程中，訓(xùn)練對象的“試錯”行為獲得環(huán)境的反饋，有時候可能需要等到整個訓(xùn)練結(jié)束以后才會得到一個反饋，比如Game Over或者是Win。當(dāng)然這種情況，我們在訓(xùn)練時候一般都是進(jìn)行拆解的，盡量將反饋分解到每一步。
• 時間是強(qiáng)化學(xué)習(xí)的一個重要因素：強(qiáng)化學(xué)習(xí)的一系列環(huán)境狀態(tài)的變化和環(huán)境反饋等都是和時間強(qiáng)掛鉤，整個強(qiáng)化學(xué)習(xí)的訓(xùn)練過程是一個隨著時間變化，而狀態(tài)&反饋也在不停變化的，所以時間是強(qiáng)化學(xué)習(xí)的一個重要因素。
• 當(dāng)前的行為影響后續(xù)接收到的數(shù)據(jù)：為什么單獨(dú)把該特點(diǎn)提出來，也是為了和監(jiān)督學(xué)習(xí)&半監(jiān)督學(xué)習(xí)進(jìn)行區(qū)分。在監(jiān)督學(xué)習(xí)&半監(jiān)督學(xué)習(xí)中，每條訓(xùn)練數(shù)據(jù)都是獨(dú)立的，相互之間沒有任何關(guān)聯(lián)。但是強(qiáng)化學(xué)習(xí)中并不是這樣，當(dāng)前狀態(tài)以及采取的行動，將會影響下一步接收到的狀態(tài)。數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間存在一定的關(guān)聯(lián)性。

2 詳解強(qiáng)化學(xué)習(xí)

下面我們對強(qiáng)化學(xué)習(xí)進(jìn)行詳細(xì)的介紹：

2.1 基本組成部分

本文使用一個小游戲叫做Pacman（吃豆人）的游戲介紹強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Reinforcement Learning）的基本組成部分。游戲目標(biāo)很簡單，就是Agent要把屏幕里面所有的豆子全部吃完，同時又不能被幽靈碰到，被幽靈碰到則游戲結(jié)束，幽靈也是在不停移動的。Agent每走一步、每吃一個豆子或者被幽靈碰到，屏幕左上方這分?jǐn)?shù)都會發(fā)生變化，圖例中當(dāng)前分?jǐn)?shù)是435分。這款小游戲，也是加州大學(xué)伯克利分校在上強(qiáng)化學(xué)習(xí)這門課程時使用的cousrwork。后續(xù)文章也會使用這個小游戲進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)實(shí)戰(zhàn)講解。

• Agent（智能體）： 強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練的主體就是Agent，有時候翻譯為“代理”，這里統(tǒng)稱為“智能體”。Pacman中就是這個張開大嘴的黃色扇形移動體。
• Environment（環(huán)境）： 整個游戲的大背景就是環(huán)境；Pacman中Agent、Ghost、豆子以及里面各個隔離板塊組成了整個環(huán)境。
• State（狀態(tài)）： 當(dāng)前 Environment和Agent所處的狀態(tài)，因?yàn)镚host一直在移動，豆子數(shù)目也在不停變化，Agent的位置也在不停變化，所以整個State處于變化中；這里特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，State包含了Agent和Environment的狀態(tài)。
• Action（行動）： 基于當(dāng)前的State，Agent可以采取哪些action，比如向左or右，向上or下；Action是和State強(qiáng)掛鉤的，比如上圖中很多位置都是有隔板的，很明顯Agent在此State下是不能往左或者往右的，只能上下；
• Reward（獎勵）： Agent在當(dāng)前State下，采取了某個特定的action后，會獲得環(huán)境的一定反饋就是Reward。這里面用Reward進(jìn)行統(tǒng)稱，雖然Reward翻譯成中文是“獎勵”的意思，但其實(shí)強(qiáng)化學(xué)習(xí)中Reward只是代表環(huán)境給予的“反饋”，可能是獎勵也可能是懲罰。比如Pacman游戲中，Agent碰見了Ghost那環(huán)境給予的就是懲罰。

以上是強(qiáng)化學(xué)習(xí)的五個基本組成部分。

2.2 強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程

下面我們需要介紹一下強(qiáng)化學(xué)習(xí)的訓(xùn)練過程。整個訓(xùn)練過程都基于一個前提，我們認(rèn)為整個過程都是符合馬爾可夫決策過程的。

• 馬爾可夫決策過程（Markov Decision Process）

Markov是一個俄國的數(shù)學(xué)家，為了紀(jì)念他在馬爾可夫鏈所做的研究，所以以他命名了“Markov Decision Process”，以下用MDP代替。

MDP核心思想就是下一步的State只和當(dāng)前的狀態(tài)State以及當(dāng)前狀態(tài)將要采取的Action有關(guān)，只回溯一步。比如上圖State3只和State2以及Action2有關(guān)，和State1以及Action1無關(guān)。我們已知當(dāng)前的State和將要采取的Action，就可以推出下一步的State是什么，而不需要繼續(xù)回溯上上步的State以及Action是什么，再結(jié)合當(dāng)前的（State，Action）才能得出下一步State。實(shí)際應(yīng)用中基本場景都是馬爾可夫決策過程，比如AlphaGo下圍棋，當(dāng)前棋面是什么，當(dāng)前棋子準(zhǔn)備落在哪里，我們就可以清晰地知道下一步的棋面是什么了。

為什么我們要先定義好整個訓(xùn)練過程符合MDP了，因?yàn)橹挥蟹螹DP，我們才方便根據(jù)當(dāng)前的State，以及要采取的Action，推理出下一步的State。方便在訓(xùn)練過程中清晰地推理出每一步的State變更，如果在訓(xùn)練過程中我們連每一步的State變化都推理不出，那么也無從訓(xùn)練。

接下來我們使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)來指導(dǎo)Agent如何行動了。

2.3 強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法歸類

我們選擇什么樣的算法來指導(dǎo)Agent行動？本身強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法有很多種，關(guān)于強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法如何分類，有很多種分類方式，這里我選擇三種比較常見的分類方式。

( 1 ) - Value Based -

強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)這里面的Value值，在強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練開始時都是不知道的，我們一般都是設(shè)置為0。然后讓Agent不斷去嘗試各類Action，不斷與環(huán)境交互，不斷獲得Reward，然后根據(jù)我們計算Value的公式，不停地去更新Value，最終在訓(xùn)練N多輪以后，Value值會趨于一個穩(wěn)定的數(shù)字，才能得出具體的State下，采取特定Action，對應(yīng)的Value是多少

( 2 ) - Policy Based -

Policy Based策略就是對Value Based的一個補(bǔ)充，

( 3 ) -?Actor-Critic -

AC分類就是將Value-Based和Policy-Based結(jié)合在一起，里面的算法結(jié)合了2.3.1和2.3.2。

上述就是三大類常見的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，而在Pacman這個游戲中，我們就可以使用Value-Based算法來訓(xùn)練。因?yàn)槊總€State下最終對應(yīng)的最優(yōu)Action是比較固定的，同時Reward函數(shù)也容易設(shè)定。

( 4 ) - 其他分類 -

上述三種分類是常見的分類方法，有時候我們還會通過其他角度進(jìn)行分類，以下分類方法和上述的分類存在一定的重疊：

根據(jù)是否學(xué)習(xí)出環(huán)境Model分類：Model-based指的是，agent已經(jīng)學(xué)習(xí)出整個環(huán)境是如何運(yùn)行的，當(dāng)agent已知任何狀態(tài)下執(zhí)行任何動作獲得的回報和到達(dá)的下一個狀態(tài)都可以通過模型得出時，此時總的問題就變成了一個動態(tài)規(guī)劃的問題，直接利用貪心算法即可了。這種采取對環(huán)境進(jìn)行建模的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法就是Model-based方法。

而Model-free指的是，有時候并不需要對環(huán)境進(jìn)行建模也能找到最優(yōu)的策略。雖然我們無法知道確切的環(huán)境回報，但我們可以對它進(jìn)行估計。Q-learning中的Q(s,a)就是對在狀態(tài)s下，執(zhí)行動作a后獲得的未來收益總和進(jìn)行的估計，經(jīng)過很多輪訓(xùn)練后，Q(s,a)的估計值會越來越準(zhǔn)，這時候同樣利用貪心算法來決定agent在某個具體狀態(tài)下采取什么行動。

如何判斷該強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法是Model-based or Model-free, 我們是否在agent在狀態(tài)s下執(zhí)行它的動作a之前，就已經(jīng)可以準(zhǔn)確對下一步的狀態(tài)和回報做出預(yù)測，如果可以，那么就是Model-based，如果不能，即為Model-free。

2.4 EE（Explore & Exploit）

2.3里面介紹了各種強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法：Value-Based、Policy-Based、Actor-Critic。但實(shí)際我們在進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程中，會遇到一個“EE”問題。這里的Double E不是“Electronic Engineering”，而是“Explore & Exploit”，“探索&利用”。

比如在Value-Based中，如下圖StateA的狀態(tài)下，最開始Action1&2&3對應(yīng)的Value都是0，因?yàn)橛?xùn)練前我們根本不知道，初始值均為0。如果第一次隨機(jī)選擇了Action1，這時候StateA轉(zhuǎn)化為了StateB，得到了Value=2，系統(tǒng)記錄在StateA下選擇Action1對應(yīng)的Value=2。如果下一次Agent又一次回到了StateA，此時如果我們選擇可以返回最大Value的action，那么一定還是選擇Action1。因?yàn)榇藭rStateA下Action2&3對應(yīng)的Value仍然為0。Agent根本沒有嘗試過Action2&3會帶來怎樣的Value。

所以在強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練的時候，一開始會讓Agent更偏向于探索Explore，并不是哪一個Action帶來的Value最大就執(zhí)行該Action，選擇Action時具有一定的隨機(jī)性，目的是為了覆蓋更多的Action，嘗試每一種可能性。等訓(xùn)練很多輪以后各種State下的各種Action基本嘗試完以后，我們這時候會大幅降低探索的比例，盡量讓Agent更偏向于利用Exploit，哪一個Action返回的Value最大，就選擇哪一個Action。

Explore&Exploit是一個在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域經(jīng)常遇到的問題，并不僅僅只是強(qiáng)化學(xué)習(xí)中會遇到，在推薦系統(tǒng)中也會遇到，比如用戶對某個商品 or 內(nèi)容感興趣，系統(tǒng)是否應(yīng)該一直為用戶推送，是不是也要適當(dāng)搭配隨機(jī)一些其他商品 or 內(nèi)容。

2.5 強(qiáng)化學(xué)習(xí)實(shí)際開展中的難點(diǎn)

我們實(shí)際在應(yīng)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)去訓(xùn)練時，經(jīng)常會遇到各類問題。雖然強(qiáng)化學(xué)習(xí)很強(qiáng)大，但是有時候很多問題很棘手無從下手。

03 強(qiáng)化學(xué)習(xí)的實(shí)際應(yīng)用

雖然強(qiáng)化學(xué)習(xí)目前還有各種各樣的棘手問題，但目前工業(yè)界也開始嘗試應(yīng)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)到實(shí)際場景中了，除了AlphaGo還有哪些應(yīng)用了：

3.1 自動駕駛

目前國內(nèi)百度在自動駕駛領(lǐng)域中就使用了一定的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，但是因?yàn)閺?qiáng)化學(xué)習(xí)需要和環(huán)境交互試錯，現(xiàn)實(shí)世界中這個成本太高，所以真實(shí)訓(xùn)練時都需要加入安全員進(jìn)行干預(yù)，及時糾正Agent采取的錯誤行為。

3.2 游戲

游戲可以說是目前強(qiáng)化學(xué)習(xí)應(yīng)用最廣闊的，目前市場上的一些MOBA游戲基本都有了強(qiáng)化學(xué)習(xí)版的AI在里面，最出名的就是王者榮耀AI。游戲環(huán)境下可以隨便交互，隨便試錯，沒有任何真實(shí)成本。同時Reward也相對比較容易設(shè)置，存在明顯的獎勵機(jī)制。

3.3 推薦系統(tǒng)

目前一些互聯(lián)網(wǎng)大廠也在推薦系統(tǒng)中嘗試加入強(qiáng)化學(xué)習(xí)來進(jìn)行推薦，比如百度&美團(tuán)。使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)去提高推薦結(jié)果的多樣性，和傳統(tǒng)的協(xié)同過濾&CTR預(yù)估模型等進(jìn)行互補(bǔ)。

King James

倫敦國王學(xué)院 數(shù)據(jù)科學(xué)碩士

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