更好的理解TensorFlow 2.0的新特性

自TensorFlow官方發(fā)布其2.0版本新性能以來，不少人可能對此會有些許困惑。因此博主Roman Ring寫了一篇概述性的文章，通過實現(xiàn)深度強化學(xué)習(xí)算法來具體的展示了TensorFlow 2.0的特性。

正所謂實踐出真知。

TensorFlow 2.0的特性公布已經(jīng)有一段時間了，但很多人對此應(yīng)當還是一頭霧水。

在本教程中，作者通過深度強化學(xué)習(xí)(DRL)來展示即將到來的TensorFlow 2.0的特性，具體來講就是通過實現(xiàn)優(yōu)勢actor-critic(演員-評判家，A2C)智能體來解決經(jīng)典的CartPole-v0環(huán)境。

雖然作者本文的目標是展示TensorFlow 2.0，但他先介紹了DRL方面的內(nèi)容，包括對該領(lǐng)域的簡要概述。

事實上，由于2.0版本的主要關(guān)注點是簡化開發(fā)人員的工作，即易用性，所以現(xiàn)在正是使用TensorFlow進入DRL的好時機。

本文完整代碼資源鏈接：GitHub：https://github.com/inoryy/tensorflow2-deep-reinforcement-learning

Google Colab：https://colab.research.google.com/drive/12QvW7VZSzoaF-Org-u-N6aiTdBN5ohNA

安裝

由于TensorFlow 2.0仍處于試驗階段，建議將其安裝在一個獨立的(虛擬)環(huán)境中。我比較傾向于使用Anaconda，所以以此來做說明：

>condacreate-ntf2python=3.6>sourceactivatetf2>pipinstalltf-nightly-2.0-preview#tf-nightly-gpu-2.0-previewforGPUversion

讓我們來快速驗證一下，一切是否按著預(yù)測正常工作：

>>>importtensorflowastf>>>print(tf.__version__)1.13.0-dev20190117>>>print(tf.executing_eagerly())True

不必擔心1.13.x版本，這只是一個早期預(yù)覽。此處需要注意的是，默認情況下我們是處于eager模式的！

>>>print(tf.reduce_sum([1,2,3,4,5]))tf.Tensor(15,shape=(),dtype=int32)

如果讀者對eager模式并不熟悉，那么簡單來講，從本質(zhì)上它意味著計算是在運行時(runtime)被執(zhí)行的，而不是通過預(yù)編譯的圖(graph)來執(zhí)行。讀者也可以在TensorFlow文檔中對此做深入了解：

https://www.tensorflow.org/tutorials/eager/eager_basics

深度強化學(xué)習(xí)

一般來說，強化學(xué)習(xí)是解決順序決策問題的高級框架。RL智能體通過基于某些觀察采取行動來導(dǎo)航環(huán)境，并因此獲得獎勵。大多數(shù)RL算法的工作原理是最大化智能體在一個軌跡中所收集的獎勵的總和。

基于RL的算法的輸出通常是一個策略—一個將狀態(tài)映射到操作的函數(shù)。有效的策略可以像硬編碼的no-op操作一樣簡單。隨機策略表示為給定狀態(tài)下行為的條件概率分布。

Actor-Critic方法

RL算法通常根據(jù)優(yōu)化的目標函數(shù)進行分組?；谥档姆椒ǎㄈ鏒QN）通過減少預(yù)期狀態(tài)-動作值(state-action value)的誤差來工作。

策略梯度(Policy Gradient)方法通過調(diào)整其參數(shù)直接優(yōu)化策略本身，通常是通過梯度下降。完全計算梯度通常是很困難的，所以通常用蒙特卡洛(monte-carlo)方法來估計梯度。

最流行的方法是二者的混合：actor- critical方法，其中智能體策略通過“策略梯度”進行優(yōu)化，而基于值的方法則用作期望值估計的引導(dǎo)。

深度actor- critical方法

雖然很多基礎(chǔ)的RL理論是在表格案例中開發(fā)的，但現(xiàn)代RL幾乎完全是用函數(shù)逼近器完成的，例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。具體來說，如果策略和值函數(shù)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似，則RL算法被認為是“深度的”。

異步優(yōu)勢(asynchronous advantage) actor- critical

多年來，為了解決樣本效率和學(xué)習(xí)過程的穩(wěn)定性問題，已經(jīng)為此做出了一些改進。

首先，梯度用回報(return)來進行加權(quán)：折現(xiàn)的未來獎勵，這在一定程度上緩解了信用(credit)分配問題，并以無限的時間步長解決了理論問題。

其次，使用優(yōu)勢函數(shù)代替原始回報。收益與基線(如狀態(tài)行動估計)之間的差異形成了優(yōu)勢，可以將其視為與某一平均值相比某一給定操作有多好的衡量標準。

第三，在目標函數(shù)中使用額外的熵最大化項，以確保智能體充分探索各種策略。本質(zhì)上，熵以均勻分布最大化，來測量概率分布的隨機性。

最后，并行使用多個worker來加速樣品采集，同時在訓(xùn)練期間幫助將它們?nèi)ハ嚓P(guān)(decorrelate)。

將所有這些變化與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，我們得到了兩種最流行的現(xiàn)代算法：異步優(yōu)勢actor- critical算法，或簡稱A3C/A2C。兩者之間的區(qū)別更多的是技術(shù)上的而不是理論上的：顧名思義，它歸結(jié)為并行worker如何估計其梯度并將其傳播到模型中。

有了這些，我將結(jié)束我們的DRL方法之旅，因為這篇博客文章的重點是TensorFlow 2.0特性。如果您仍然不確定主題，不要擔心，通過代碼示例，一切都會變得更加清晰明了。

使用TensorFlow 2.0實現(xiàn)Advantage Actor-Critic

讓我們看看實現(xiàn)各種現(xiàn)代DRL算法的基礎(chǔ)是什么：是actor-critic agent，如前一節(jié)所述。為了簡單起見，我們不會實現(xiàn)并行worker，盡管大多數(shù)代碼都支持它。感興趣的讀者可以將這作為一個練習(xí)機會。

作為一個測試平臺，我們將使用CartPole-v0環(huán)境。雖然有點簡單，但它仍然是一個很好的選擇。

通過Keras模型API實現(xiàn)的策略和價值

首先，讓我們在單個模型類下創(chuàng)建策略和價值預(yù)估神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):

importnumpyasnpimporttensorflowastfimporttensorflow.keras.layersasklclassProbabilityDistribution(tf.keras.Model):defcall(self,logits):#samplearandomcategoricalactionfromgivenlogitsreturntf.squeeze(tf.random.categorical(logits,1),axis=-1)classModel(tf.keras.Model):def__init__(self,num_actions):super().__init__('mlp_policy')#notf.get_variable(),justsimpleKerasAPIself.hidden1=kl.Dense(128,activation='relu')self.hidden2=kl.Dense(128,activation='relu')self.value=kl.Dense(1,name='value')#logitsareunnormalizedlogprobabilitiesself.logits=kl.Dense(num_actions,name='policy_logits')self.dist=ProbabilityDistribution()defcall(self,inputs):#inputsisanumpyarray,converttoTensorx=tf.convert_to_tensor(inputs,dtype=tf.float32)#separatehiddenlayersfromthesameinputtensorhidden_logs=self.hidden1(x)hidden_vals=self.hidden2(x)returnself.logits(hidden_logs),self.value(hidden_vals)defaction_value(self,obs):#executescall()underthehoodlogits,value=self.predict(obs)action=self.dist.predict(logits)#asimpleroption,willbecomeclearlaterwhywedon'tuseit#action=tf.random.categorical(logits,1)returnnp.squeeze(action,axis=-1),np.squeeze(value,axis=-1)

然后驗證模型是否如預(yù)期工作：

importgymenv=gym.make('CartPole-v0')model=Model(num_actions=env.action_space.n)obs=env.reset()#nofeed_dictortf.Session()neededatallaction,value=model.action_value(obs[None,:])print(action,value)#[1][-0.00145713]

這里需要注意的是：

模型層和執(zhí)行路徑是分別定義的

沒有“輸入”層，模型將接受原始numpy數(shù)組

通過函數(shù)API可以在一個模型中定義兩個計算路徑

模型可以包含一些輔助方法，比如動作采樣

在eager模式下，一切都可以從原始numpy數(shù)組中運行

Random Agent

現(xiàn)在讓我們轉(zhuǎn)到 A2CAgent 類。首先，讓我們添加一個 test 方法，該方法運行完整的episode并返回獎勵的總和。

classA2CAgent:def__init__(self,model):self.model=modeldeftest(self,env,render=True):obs,done,ep_reward=env.reset(),False,0whilenotdone:action,_=self.model.action_value(obs[None,:])obs,reward,done,_=env.step(action)ep_reward+=rewardifrender:env.render()returnep_reward

讓我們看看模型在隨機初始化權(quán)重下的得分：

agent=A2CAgent(model)rewards_sum=agent.test(env)print("%doutof200"%rewards_sum)#18outof200

離最佳狀態(tài)還很遠，接下來是訓(xùn)練部分!

損失/目標函數(shù)

正如我在DRL概述部分中所描述的，agent通過基于某些損失(目標)函數(shù)的梯度下降來改進其策略。在 actor-critic 中，我們針對三個目標進行訓(xùn)練：利用優(yōu)勢加權(quán)梯度加上熵最大化來改進策略，以及最小化價值估計誤差。

importtensorflow.keras.lossesasklsimporttensorflow.keras.optimizersaskoclassA2CAgent:def__init__(self,model):#hyperparametersforlosstermsself.params={'value':0.5,'entropy':0.0001}self.model=modelself.model.compile(optimizer=ko.RMSprop(lr=0.0007),#defineseparatelossesforpolicylogitsandvalueestimateloss=[self._logits_loss,self._value_loss])deftest(self,env,render=True):#unchangedfromprevioussection...def_value_loss(self,returns,value):#valuelossistypicallyMSEbetweenvalueestimatesandreturnsreturnself.params['value']*kls.mean_squared_error(returns,value)def_logits_loss(self,acts_and_advs,logits):#atricktoinputactionsandadvantagesthroughsameAPIactions,advantages=tf.split(acts_and_advs,2,axis=-1)#polymorphicCElossfunctionthatsupportssparseandweightedoptions#from_logitsargumentensurestransformationintonormalizedprobabilitiescross_entropy=kls.CategoricalCrossentropy(from_logits=True)#policylossisdefinedbypolicygradients,weightedbyadvantages#note:weonlycalculatethelossontheactionswe'veactuallytaken#thusunderthehoodasparseversionofCElosswillbeexecutedactions=tf.cast(actions,tf.int32)policy_loss=cross_entropy(actions,logits,sample_weight=advantages)#entropylosscanbecalculatedviaCEoveritselfentropy_loss=cross_entropy(logits,logits)#heresignsareflippedbecauseoptimizerminimizesreturnpolicy_loss-self.params['entropy']*entropy_loss

我們完成了目標函數(shù)！注意代碼非常緊湊：注釋行幾乎比代碼本身還多。

Agent Training Loop

最后，還有訓(xùn)練環(huán)路。它有點長，但相當簡單：收集樣本，計算回報和優(yōu)勢，并在其上訓(xùn)練模型。

classA2CAgent:def__init__(self,model):#hyperparametersforlosstermsself.params={'value':0.5,'entropy':0.0001,'gamma':0.99}#unchangedfromprevioussection...deftrain(self,env,batch_sz=32,updates=1000):#storagehelpersforasinglebatchofdataactions=np.empty((batch_sz,),dtype=np.int32)rewards,dones,values=np.empty((3,batch_sz))observations=np.empty((batch_sz,)+env.observation_space.shape)#trainingloop:collectsamples,sendtooptimizer,repeatupdatestimesep_rews=[0.0]next_obs=env.reset()forupdateinrange(updates):forstepinrange(batch_sz):observations[step]=next_obs.copy()actions[step],values[step]=self.model.action_value(next_obs[None,:])next_obs,rewards[step],dones[step],_=env.step(actions[step])ep_rews[-1]+=rewards[step]ifdones[step]:ep_rews.append(0.0)next_obs=env.reset()_,next_value=self.model.action_value(next_obs[None,:])returns,advs=self._returns_advantages(rewards,dones,values,next_value)#atricktoinputactionsandadvantagesthroughsameAPIacts_and_advs=np.concatenate([actions[:,None],advs[:,None]],axis=-1)#performsafulltrainingsteponthecollectedbatch#note:noneedtomessaroundwithgradients,KerasAPIhandlesitlosses=self.model.train_on_batch(observations,[acts_and_advs,returns])returnep_rewsdef_returns_advantages(self,rewards,dones,values,next_value):#next_valueisthebootstrapvalueestimateofafuturestate(thecritic)returns=np.append(np.zeros_like(rewards),next_value,axis=-1)#returnsarecalculatedasdiscountedsumoffuturerewardsfortinreversed(range(rewards.shape[0])):returns[t]=rewards[t]+self.params['gamma']*returns[t+1]*(1-dones[t])returns=returns[:-1]#advantagesarereturns-baseline,valueestimatesinourcaseadvantages=returns-valuesreturnreturns,advantagesdeftest(self,env,render=True):#unchangedfromprevioussection...def_value_loss(self,returns,value):#unchangedfromprevioussection...def_logits_loss(self,acts_and_advs,logits):#unchangedfromprevioussection...

訓(xùn)練&結(jié)果

我們現(xiàn)在已經(jīng)準備好在CartPole-v0上訓(xùn)練這個single-worker A2C agent！訓(xùn)練過程應(yīng)該只用幾分鐘。訓(xùn)練結(jié)束后，你應(yīng)該看到一個智能體成功地實現(xiàn)了200分的目標。

rewards_history=agent.train(env)print("Finishedtraining,testing...")print("%doutof200"%agent.test(env))#200outof200

在源代碼中，我包含了一些額外的幫助程序，可以打印出正在運行的episode的獎勵和損失，以及rewards_history。

靜態(tài)計算圖

eager mode效果這么好，你可能會想知道靜態(tài)圖執(zhí)行是否也可以。當然是可以！而且，只需要多加一行代碼就可以啟用靜態(tài)圖執(zhí)行。

withtf.Graph().as_default():print(tf.executing_eagerly())#Falsemodel=Model(num_actions=env.action_space.n)agent=A2CAgent(model)rewards_history=agent.train(env)print("Finishedtraining,testing...")print("%doutof200"%agent.test(env))#200outof200

有一點需要注意的是，在靜態(tài)圖執(zhí)行期間，我們不能只使用 Tensors，這就是為什么我們需要在模型定義期間使用CategoricalDistribution的技巧。

One More Thing…

還記得我說過TensorFlow在默認情況下以eager 模式運行，甚至用一個代碼片段來證明它嗎？好吧,我騙了你。

如果你使用Keras API來構(gòu)建和管理模型，那么它將嘗試在底層將它們編譯為靜態(tài)圖。所以你最終得到的是靜態(tài)計算圖的性能，它具有eager execution的靈活性。

你可以通過model.run_eager標志檢查模型的狀態(tài)，還可以通過將此標志設(shè)置為True來強制使用eager mode，盡管大多數(shù)情況下可能不需要這樣做——如果Keras檢測到?jīng)]有辦法繞過eager mode，它將自動退出。

為了說明它確實是作為靜態(tài)圖運行的，這里有一個簡單的基準測試：

#createa100000samplesbatchenv=gym.make('CartPole-v0')obs=np.repeat(env.reset()[None,:],100000,axis=0)

Eager Benchmark

%%timemodel=Model(env.action_space.n)model.run_eagerly=Trueprint("EagerExecution:",tf.executing_eagerly())print("EagerKerasModel:",model.run_eagerly)_=model(obs)########Results#######EagerExecution:TrueEagerKerasModel:TrueCPUtimes:user639ms,sys:736ms,total:1.38s

Static Benchmark

%%timewithtf.Graph().as_default():model=Model(env.action_space.n)print("EagerExecution:",tf.executing_eagerly())print("EagerKerasModel:",model.run_eagerly)_=model.predict(obs)########Results#######EagerExecution:FalseEagerKerasModel:FalseCPUtimes:user793ms,sys:79.7ms,total:873ms

Default Benchmark

%%timemodel=Model(env.action_space.n)print("EagerExecution:",tf.executing_eagerly())print("EagerKerasModel:",model.run_eagerly)_=model.predict(obs)########Results#######EagerExecution:TrueEagerKerasModel:FalseCPUtimes:user994ms,sys:23.1ms,total:1.02s

正如你所看到的，eager模式位于靜態(tài)模式之后，默認情況下，模型確實是靜態(tài)執(zhí)行的。

結(jié)論

希望本文對理解DRL和即將到來的TensorFlow 2.0有所幫助。請注意，TensorFlow 2.0仍然只是預(yù)覽版的，一切都有可能發(fā)生變化，如果你對TensorFlow有什么特別不喜歡(或喜歡:))的地方，請反饋給開發(fā)者。

一個總被提起的問題是，TensorFlow是否比PyTorch更好？也許是，也許不是。兩者都是很好的庫，所以很難說是哪一個更好。如果你熟悉PyTorch，你可能會注意到TensorFlow 2.0不僅趕上了它，而且還避免了PyTorch API的一些缺陷。

無論最后誰勝出，對于開發(fā)者來說，這場競爭給雙方都帶來了凈積極的結(jié)果，我很期待看到這些框架未來會變成什么樣子。