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# 使用Q-learning解决悬崖寻路问题
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## CliffWalking-v0环境简介
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悬崖寻路问题（CliffWalking）是指在一个4 x 12的网格中，智能体以网格的左下角位置为起点，以网格的下角位置为终点，目标是移动智能体到达终点位置，智能体每次可以在上、下、左、右这4个方向中移动一步，每移动一步会得到-1单位的奖励。
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<img src="../../codes/Q-learning/assets/image-20201007211441036.png" alt="image-20201007211441036" style="zoom:50%;" />
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如图，红色部分表示悬崖，数字代表智能体能够观测到的位置信息，即observation，总共会有0-47等48个不同的值，智能体再移动中会有以下限制：
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* 智能体不能移出网格，如果智能体想执行某个动作移出网格，那么这一步智能体不会移动，但是这个操作依然会得到-1单位的奖励
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* 如果智能体“掉入悬崖” ，会立即回到起点位置，并得到-100单位的奖励
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* 当智能体移动到终点时，该回合结束，该回合总奖励为各步奖励之和
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实际的仿真界面如下：
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<img src="../../codes/Q-learning/assets/image-20201007211858925.png" alt="image-20201007211858925" style="zoom:50%;" />
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**由于从起点到终点最少需要13步，每步得到-1的reward，因此最佳训练算法下，每个episode下reward总和应该为-13**。
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## RL基本训练接口
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```python
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env = gym.make("CliffWalking-v0") # 0 up, 1 right, 2 down, 3 left
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env = CliffWalkingWapper(env)
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agent = QLearning(
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obs_dim=env.observation_space.n,
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action_dim=env.action_space.n,
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learning_rate=cfg.policy_lr,
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gamma=cfg.gamma,
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epsilon_start=cfg.epsilon_start,epsilon_end=cfg.epsilon_end,epsilon_decay=cfg.epsilon_decay)
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render = False # 是否打开GUI画面
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rewards = [] # 记录所有episode的reward
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MA_rewards = [] # 记录滑动平均的reward
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steps = []# 记录所有episode的steps
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for i_episode in range(1,cfg.max_episodes+1):
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ep_reward = 0 # 记录每个episode的reward
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ep_steps = 0 # 记录每个episode走了多少step
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obs = env.reset() # 重置环境, 重新开一局（即开始新的一个episode）
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while True:
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action = agent.sample(obs) # 根据算法选择一个动作
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next_obs, reward, done, _ = env.step(action) # 与环境进行一个交互
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# 训练 Q-learning算法
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agent.learn(obs, action, reward, next_obs, done) # 不需要下一步的action
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obs = next_obs # 存储上一个观察值
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ep_reward += reward
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ep_steps += 1 # 计算step数
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if render:
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env.render() #渲染新的一帧图形
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if done:
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break
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steps.append(ep_steps)
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rewards.append(ep_reward)
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# 计算滑动平均的reward
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if i_episode == 1:
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MA_rewards.append(ep_reward)
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else:
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MA_rewards.append(
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0.9*MA_rewards[-1]+0.1*ep_reward)
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print('Episode %s: steps = %s , reward = %.1f, explore = %.2f' % (i_episode, ep_steps,
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ep_reward,agent.epsilon))
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# 每隔20个episode渲染一下看看效果
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if i_episode % 20 == 0:
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render = True
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else:
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render = False
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agent.save() # 训练结束，保存模型
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```
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## 任务要求
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训练并绘制reward以及滑动平均后的reward随epiosde的变化曲线图并记录超参数写成报告，图示如下：
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### 代码清单
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**main.py**：保存强化学习基本接口，以及相应的超参数，可使用argparse
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**model.py**：保存神经网络，比如全连接网络
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**agent.py**: 保存算法模型，主要包含predict(预测动作)和learn两个函数
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**plot.py**：保存相关绘制函数
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[参考代码](https://github.com/datawhalechina/leedeeprl-notes/tree/master/codes/Q-learning)
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## 备注
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* 注意 e-greedy 策略的使用，以及相应的参数epsilon如何衰减
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* 训练模型和测试模型的时候选择动作有一些不同，训练时采取e-greedy策略，而测试时直接选取Q值最大对应的动作，所以算法在动作选择的时候会包括sample(训练时的动作采样)和predict(测试时的动作选择)
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* Q值最大对应的动作可能不止一个，此时可以随机选择一个输出结果 |