认识 PPO和DDPG

PPO 的重要性

PPO是目前非常流行的增强学习算法，OpenAI把PPO作为目前的baseline算法，也就是说，OpenAI在做尝试的时候，首选PPO。可想而知，PPO可能不是目前最强的，但可能是目前来说适用性最广的一种算法。

PPO是基于AC架构的，也就是说，PPO也有两个网络，分别是Actor和Critic，这是因为AC架构有一个好处。这个好处就是解决了连续动作空间的问题。

连续动作

首先，我们要想办法处理连续动作的输出问题。
离散情况：假设动作空间有只有action1 和 action2，有40%的概率选择action1 ，60%概率选择action2。也就是说在这个状态下的策略分布: pi = [0.4, 0.6]。
在连续型，我们不再用数组表示，而是用函数表示。例如，策略分布函数 ： P = （action）代表在策略下，选择某个 action 的概率 P。但这就有个问题，用神经网络预测输出的策略是一个固定的 shape，而不是连续的。那又什么办法可以表示连续型的概率呢？

我们先假定策略分布函数服从一个特殊的分布，这个特殊的分布可以用一、两个参数表示它的图像。
正态分布就是这样一个分布，他只需要两个参数，就可以表示了。

我们的神经网络可以直接输出mu和sigma，就能获得整个策略的概率密度函数了。
现在我们已经有概率密度函数，那么当我们要按概率选出一个动作时，就只需要按照整个密度函数抽样出来就可以了。

数据问题

但AC还有一个问题。AC产生的数据，只能进行1次更新，更新完就只能丢掉，等待下一次跑游戏的数据。在数据就是生命的时代，这可是天大的浪费呀，尤其在强化学习中，数据更是弥足珍贵呀。
那为什么只能用一次呢，像DQN也可以用经验回放，把以前的数据存起来，更新之后用？AC为什么就不行呢？

我们先从策略说起。两个概念：

• 行为策略：不是当前策略，用于产出数据
• 目标策略：会更新的策略，是需要被优化的策略

如果两个策略是同一个策略，那么我们称为 On Policy。
如果不是同一个策略，那么Off Policy。

例如，如果我们在智能体和环境进行互动时产生的数据打上一个标记。标记这是第几版本的策略产生的数据,例如 1， 2…10
现在我们的智能体用的策略 10，需要更新到 11。如果算法只能用 10 版本的产生的数据来更新，那么这个就是在线策略；如果算法允许用其他版本的数据来更新，那么就是离线策略。

例如 PG，就是一个在线策略。因为PG用于产生数据的策略（行为策略），和需要更新的策略（目标策略）是一致的。

而 DQN 则是一个离线策略。我们会让智能体在环境互动一定次数，获得数据。用这些数据优化策略后，继续跑新的数据。但老版本的数据我们仍然是可以用的。也就是说，我们产生数据的策略，和要更新的目标策略不是同一个策略。所以DQN是一个离线策略。

Q-learning 采取的新动作是通过选择最大值策略（on-policy）更新的；Sarsa 是根据现有 Q 表的贪婪策略（off_policy）更新的。

为什么PG和AC中的Actor更新，就不能像DQN一样，把数据存起来，更新多次呢？
答案是在一定条件下，能，PPO做的工作就是这个。在了解在什么条件下可以的时候，我们需要先了解一下，为什么不能。

在这里的策略，我感觉可以理解为衡量不同动作的价值，即Q表的值。

DQN更新Q值，和策略无关。 在同一个动作出发，可能会通往不同的state，但其中的概率是有环境所决定的，而不是我们的策略所决定的。所以我们产生的数据和策略并没有关系。
PG算法会按照TD-error作为权重，更新策略。权重越大，更新幅度越大；权重越小，更新幅度越小。

策略和 TD-error 的分布不一致。

Important-sampling

PPO是怎样做到离线更新策略的呢？答案是Important-sampling，重要性采样技术。
IS：如果我们想用策略B抽样出来的数据，来更新策略P也不是不可以。但我们要把 td-error 乘以一个重要性权重（IW：importance weight）。

重要性权重：IW = P（a）/ B（a）
应用在PPO，就是目标策略出现动作 a 的概率除以行为策略出现 a 的概率。

更新谁，谁就是目标策略。PPO应用了importance sampling，使得我们用行为策略获取的数据，能够更新目标策略，把AC从在线策略，变成离线策略。
N步更新的技术：我们把之前的TD叫做TD(0)，而n步更新为TD(n)。可以看成TD(0)其实是TD(n)的一种特殊情况。

但实际上，P策略和B策略差异并不能太大，为了能处理这个问题，有两个做法，PPO1 和 PPO2 。
相对来说，PPO2更好理解，做法也更简单，性能并不比PPO1差，目前主流的方式也是用PPO2。

DDPG

DDPG也是解决连续控制型问题的的一个算法，不过和PPO不一样，PPO输出的是一个策略，也就是一个概率分布，而DDPG输出的直接是一个动作。

我们知道DQN用magic函数，也就是神经网络解决了Q-learning不能解决的连续状态空间问题。那我们同样的DDPG就是用magic解决DQN不能解决的连续控制型问题就好了。
也就是说，DDPG用一个magic函数，直接替代maxQ(s’,a’)的功能。也就是说，我们期待我们输入状态s，magic函数返回我们动作action的取值，这个取值能够让q值最大。这个就是DDPG中的Actor的功能。

当我们把某个 state 输入到 DDPG 的 Actor 中的时候，相当于在这块曲面上做沿着 state 所在的位置剪开，这个时候大家会看到这个边缘是一条曲线。
在某个状态下，选择某个动作值的时候，能获得的 Q 值。
Actor的任务就是在寻找这个曲线的最高点，然后返回能获得这个最高点，也是最大Q值的动作。

所以，DDPG其实并不是 PG，并没有做带权重的梯度更新。而是在梯度上升，在寻找最大值。
这也就解释了，为什么DDPG是一个离线策略，可以多次更新却不用importance sampling。这是因为这个算法就是DQN，和策略没有直接的关系。

Critic

• Critic 网络的作用是预估 Q，虽然它还叫 Critic，但和 AC 中的 Critic 不一样，这里预估的是 Q 不是 V；
• 注意 Critic 的输入有两个：动作和状态，需要一起输入到Critic中；
• Critic 网络的 loss 其还是和 AC 一样，用的是 TD-error。（防止正数陷阱）

Actor

• 和 AC 不同，Actor 输出的是一个动作；
• Actor的功能是，输出一个动作A，这个动作A输入到Crititc后，能够获得最大的Q值。
• 所以Actor的更新方式和AC不同，不是用带权重梯度更新，而是用梯度上升。

DDPG是源于DQN而不是AC了。
所以，和DQN一样，更新的时候如果更新目标在不断变动，会造成更新困难。所以DDPG和DQN一样，用了固定目标网络技术，就是先冻结住用来求target的网络。在更新之后，再把参数赋值到target网络。

所以在做的时候，我们需要4个网络。actor, critic, actor_target, cirtic_target。

https://github.com/louisnino/RLcode/blob/master/tutorial_DDPG.py

最后

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