強(qiáng)化學(xué)習(xí)究竟是什么？它與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)有什么聯(lián)系？

強(qiáng)化學(xué)習(xí)在當(dāng)今世界可謂是日漸流行，讓我們來看一看關(guān)于強(qiáng)化學(xué)習(xí)你不得不知道的5件事。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)是當(dāng)今社會最熱門的研究課題之一，而且其熱度正與日俱增。讓我們一起來學(xué)習(xí)下關(guān)于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的5個有用知識點(diǎn)。

▌1.強(qiáng)化學(xué)習(xí)究竟是什么？它與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)有什么聯(lián)系？

強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Reinforcement Learning）是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個分支，它的原理是：在交互環(huán)境中，智能體利用自身的經(jīng)驗(yàn)和反饋，通過試驗(yàn)和錯誤經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行學(xué)習(xí)。

有監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)都會明確指出輸入和輸出之間的映射關(guān)系，但不同點(diǎn)在于，有監(jiān)督學(xué)習(xí)給智能體的反饋是執(zhí)行正確任務(wù)的行為集合，而強(qiáng)化學(xué)習(xí)反饋的則將獎勵和懲罰轉(zhuǎn)為積極和消極行為的信號進(jìn)行反饋。

對于無監(jiān)督學(xué)習(xí)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)的目標(biāo)顯得更加難以實(shí)現(xiàn)。無監(jiān)督學(xué)習(xí)的目標(biāo)僅僅是找到數(shù)據(jù)之間的相似和不同，而強(qiáng)化學(xué)習(xí)的目標(biāo)卻是找到一個能最大化智能體總累計(jì)獎勵的模型。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型中涉及的基本思想和元素見下圖：

▌2.如何確定一個基本的強(qiáng)化學(xué)習(xí)問題？

描述強(qiáng)化學(xué)習(xí)問題的幾個關(guān)鍵元素是：

環(huán)境：智能體所處的物理世界；

狀態(tài)：智能體目前的狀態(tài)；

獎勵：從環(huán)境中得到的反饋；

方案：將智能體狀態(tài)映射到行動的方法；

價(jià)值：智能體在特定狀態(tài)下執(zhí)行某項(xiàng)行動獲取未來的獎勵。

一些游戲可以幫助我們很好的理解強(qiáng)化學(xué)習(xí)問題。以PacMan游戲?yàn)槔涸谶@個游戲中，智能體（PacMan）的目標(biāo)就是在避免與鬼相遇的情況下，盡量在網(wǎng)格中吃到更多的豆子。網(wǎng)格世界就是智能體的交互環(huán)境，如果PacMan吃到了豆子就接受獎勵，如果被鬼殺死了（游戲結(jié)束）就接受懲罰。在該游戲中，“狀態(tài)”就是PacMan在網(wǎng)格中的各個位置，而總累計(jì)獎勵就是贏得比賽的勝利。

為了得到最優(yōu)的方案，智能體既需要探索新的狀態(tài)，又要同時(shí)盡量取得最多的獎勵。這就是所謂的“探測與開采的權(quán)衡”問題。

馬爾可夫決策過程（MDP）是所有強(qiáng)化學(xué)習(xí)環(huán)境的數(shù)學(xué)框架，幾乎所有強(qiáng)化學(xué)習(xí)問題都可以使用MDP來搭建模型。一個MDP過程包含一個環(huán)境集合（S），每個狀態(tài)中包含一個可能的行動集合（A），還包含一個實(shí)值獎勵函數(shù)R（s）和一個轉(zhuǎn)移矩陣P（s'，s | a）。不過，現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境中，環(huán)境動態(tài)的先驗(yàn)信息可能是未知的，在這種情況下，運(yùn)用“不理解環(huán)境強(qiáng)化學(xué)習(xí)”算法（model-free RL）去進(jìn)行預(yù)測會更加方便、好用。

Q-learning模型就是一種應(yīng)用廣泛的不理解環(huán)境強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型，因此可以用它來模擬PacMan智能體。Q-learning模型的規(guī)則是，在狀態(tài)S下執(zhí)行行動a,不停更新Q值，而迭代更新變量值算法就是該算法的核心。

Figure 2: Reinforcement Learning Update Rule

這是利用一個深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)PacMan游戲的視頻：

https://www.youtube.com/watch?v=QilHGSYbjDQ

▌3.最常用的深度學(xué)習(xí)算法原理是什么？

Q-learning和SARSA是兩種最常見的不理解環(huán)境強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，這兩者的探索原理不同，但是開發(fā)原理是相似的。Q-learning是一種離線學(xué)習(xí)算法，智能體需要從另一項(xiàng)方案中學(xué)習(xí)到行為a*的價(jià)值；SARSA則是一種在線學(xué)習(xí)算法，智能體可從現(xiàn)有方案指定的當(dāng)前行為來學(xué)習(xí)價(jià)值。這兩種方法都很容易實(shí)現(xiàn)，但缺乏一般性，因?yàn)樗鼈儫o法預(yù)估未知狀態(tài)的值。

一些更加高級的算法可以克服這個問題，如：Deep Q-Networks（其原理為利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來估計(jì)Q值）算法，但DQN算法只能應(yīng)用在離散的低維動作空間中；DDPG（深度確定性策略梯度算法）則是一個理解環(huán)境的、在線的算法，它基于行動者-評論家（Actor-Critic，AC）框架，可用于解決連續(xù)動作空間上的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)問題。

▌4.強(qiáng)化學(xué)習(xí)有哪些實(shí)際應(yīng)用？

由于強(qiáng)化學(xué)習(xí)需要大量的數(shù)據(jù)，因此它最適用于模擬數(shù)據(jù)領(lǐng)域，如游戲、機(jī)器人等。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)游戲中的AI玩家。AlphaGo Zero在傳統(tǒng)中國游戲圍棋中打敗了世界冠軍，這是AI第一次擊敗現(xiàn)實(shí)中的世界冠軍。AI還在ATARI游戲、西洋雙陸棋等游戲中有出色的表現(xiàn)。

機(jī)器人和工業(yè)自動化領(lǐng)域中，深度學(xué)習(xí)也被廣泛應(yīng)用，機(jī)器人能夠?yàn)樽约捍罱ㄒ粋€高效的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，從而學(xué)習(xí)自己的經(jīng)驗(yàn)和行為。DeepMind關(guān)于“帶有異步策略更新的機(jī)器人操縱的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)”就是一個很好的例子。

觀看這個有趣的演示視頻video（https://www.youtube.com/watch?v=ZhsEKTo7V04&t=48s）

強(qiáng)化學(xué)習(xí)的其他應(yīng)用包括：文本摘要引擎、從用戶交互中學(xué)習(xí)并隨時(shí)間改進(jìn)的（文本、語音）對話代理、醫(yī)療保健領(lǐng)域的最優(yōu)治療政策、基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的在線股票交易代理。

▌5.我該如何開始強(qiáng)化學(xué)習(xí)？

讀者可以從以下鏈接中了解更多關(guān)于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的基本概念：

《Reinforcement Learning-An Introduction》——本書由強(qiáng)化學(xué)習(xí)之父Richard Sutton和他的博士生導(dǎo)師Andrew Barto共同撰寫。該書的電子版以在http://incompleteideas.net/book/the-book-2nd.html找到。

由David Silver提供的Teaching material視頻課程可供讀者很好的了解強(qiáng)化學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程：http://www0.cs.ucl.ac.uk/staff/d.silver/web/Teaching.html

Pieter Abbeel和John Schulman的視頻technical tutoria也是不錯的學(xué)習(xí)資料：http://people.eecs.berkeley.edu/~pabbeel/nips-tutorial-policy-optimization-Schulman-Abbeel.pdf

開始構(gòu)建和測試RL代理

若想要開始學(xué)習(xí)搭建和測試強(qiáng)化學(xué)習(xí)的智能體，Andrej Karpathy的博客This blog中詳細(xì)講述了如何用原始像素的策略梯度來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ATARI Pong智能體，并提供了130行Python代碼來幫助你建立你的第一個強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能體：http://karpathy.github.io/2016/05/31/rl/

DeepMind Lab是一個開源的3D游戲式平臺，它為機(jī)遇智能體可以的人工智能研究提供豐富的模擬環(huán)境。

Project Malmo是另一個提供基礎(chǔ)AI研究的在線平臺：https://www.microsoft.com/en-us/research/project/project-malmo/

OpenAI gym則是一個用于構(gòu)建和比較強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的工具包：https://gym.openai.com/