Обучите агента DQN балансировать полюсную корзиной систему

В этом примере показано, как обучить агента глубокой Q-образовательной-сети (DQN) балансировать полюсную корзиной систему, смоделированную в MATLAB®.

Для получения дополнительной информации об агентах DQN смотрите Глубоких Агентов Q-сети. Для примера, который обучает агента DQN в Simulink®, смотрите, Обучают Агента DQN к Swing и Маятнику Баланса.

Полюсная корзиной среда MATLAB

Среда обучения с подкреплением для этого примера является полюсом, присоединенным к неприводимому в движение соединению на корзине, которая проходит лишенная трения дорожка. Учебная цель состоит в том, чтобы заставить маятник стоять вертикально без падения.

Для этой среды:

Восходящим сбалансированным положением маятника является 0 радианами и нисходящим положением зависания является pi радианы
Маятник запускается вертикально с начального угла + радианы/-0.05
Сигнал действия силы от агента до среды от-10 до 10 Н
Наблюдения средой являются положением и скоростью корзины, угла маятника и его производной
Эпизод завершает работу, если полюс является больше чем 12 градусами вертикали, или корзина перемещает больше чем 2,4 м от исходного положения
Вознаграждение +1 предоставлено для каждого временного шага, что полюс остается вертикальным. Штраф-5 применяется, когда маятник падает.

Для получения дополнительной информации об этой модели смотрите Загрузку Предопределенные Среды Системы управления.

Создайте интерфейс среды

Создайте предопределенный интерфейс среды для маятника.

env = rlPredefinedEnv("CartPole-Discrete")

env = 
  CartPoleDiscreteAction with properties:

                  Gravity: 9.8000
                 MassCart: 1
                 MassPole: 0.1000
                   Length: 0.5000
                 MaxForce: 10
                       Ts: 0.0200
    ThetaThresholdRadians: 0.2094
               XThreshold: 2.4000
      RewardForNotFalling: 1
        PenaltyForFalling: -5
                    State: [4x1 double]

Интерфейс имеет дискретный пробел действия, где агент может применить одно из двух возможных значений силы к корзине,-10 или 10 Н.

Для повторяемости результатов зафиксируйте начальное значение генератора случайных чисел.

rng(0)

Создайте агента DQN

Агент DQN аппроксимирует долгосрочное вознаграждение, данное наблюдения и действия с помощью представления функции значения критика. Чтобы создать критика, сначала создайте глубокую нейронную сеть с двумя входными параметрами, состоянием и действием и одним выходом. Для получения дополнительной информации о создании представления функции значения нейронной сети смотрите, Создают политику и Представления Функции Значения.

statePath = [
    imageInputLayer([4 1 1],'Normalization','none','Name','state')
    fullyConnectedLayer(24,'Name','CriticStateFC1')
    reluLayer('Name','CriticRelu1')
    fullyConnectedLayer(24,'Name','CriticStateFC2')];
actionPath = [
    imageInputLayer([1 1 1],'Normalization','none','Name','action')
    fullyConnectedLayer(24,'Name','CriticActionFC1')];
commonPath = [
    additionLayer(2,'Name','add')
    reluLayer('Name','CriticCommonRelu')
    fullyConnectedLayer(1,'Name','output')];
criticNetwork = layerGraph(statePath);
criticNetwork = addLayers(criticNetwork, actionPath);
criticNetwork = addLayers(criticNetwork, commonPath);    
criticNetwork = connectLayers(criticNetwork,'CriticStateFC2','add/in1');
criticNetwork = connectLayers(criticNetwork,'CriticActionFC1','add/in2');

Просмотрите конфигурацию сети критика.

figure
plot(criticNetwork)

Задайте опции для представления критика с помощью rlRepresentationOptions.

criticOpts = rlRepresentationOptions('LearnRate',0.01,'GradientThreshold',1);

Создайте представление критика с помощью заданной нейронной сети и опций. Необходимо также задать информацию о действии и наблюдении для критика, которого вы получаете из интерфейса среды. Для получения дополнительной информации смотрите rlRepresentation.

obsInfo = getObservationInfo(env);
actInfo = getActionInfo(env);
critic = rlRepresentation(criticNetwork,obsInfo,actInfo,'Observation',{'state'},'Action',{'action'},criticOpts);

Чтобы создать агента DQN, сначала задайте опции агента DQN с помощью rlDQNAgentOptions.

agentOpts = rlDQNAgentOptions(...
    'UseDoubleDQN',false, ...    
    'TargetUpdateMethod',"periodic", ...
    'TargetUpdateFrequency',4, ...   
    'ExperienceBufferLength',100000, ...
    'DiscountFactor',0.99, ...
    'MiniBatchSize',256);

Затем создайте агента DQN с помощью заданного представления критика и опций агента. Для получения дополнительной информации смотрите rlDQNAgent.

agent = rlDQNAgent(critic,agentOpts);

Обучите агента

Чтобы обучить агента, сначала задайте опции обучения. В данном примере используйте следующие опции:

Запустите каждый эпизод тренировки для самое большее 1 000 эпизодов с каждым эпизодом, длящимся самое большее 200 временных шагов.
Отобразите прогресс обучения в диалоговом окне Episode Manager (установите Plots опция), и отключают отображение командной строки (установите Verbose опция).
Остановите обучение, когда агент получит среднее совокупное вознаграждение, больше, чем 195 более чем 10 последовательных эпизодов. На данном этапе агент может сбалансировать маятник в вертикальном положении.

Для получения дополнительной информации смотрите rlTrainingOptions.

trainOpts = rlTrainingOptions(...
    'MaxEpisodes', 1000, ...
    'MaxStepsPerEpisode', 500, ...
    'Verbose', false, ...
    'Plots','training-progress',...
    'StopTrainingCriteria','AverageReward',...
    'StopTrainingValue',480);

Полюсная корзиной система может визуализироваться с использованием plot функция во время обучения или симуляции.

plot(env)

Обучите агента с помощью train функция. Это - в вычислительном отношении интенсивный процесс, который занимает несколько минут, чтобы завершиться. Чтобы сэкономить время при выполнении этого примера, загрузите предварительно обученного агента установкой doTraining к false. Чтобы обучить агента самостоятельно, установите doTraining к true.

doTraining = false;
if doTraining    
    % Train the agent.
    trainingStats = train(agent,env,trainOpts);
else
    % Load pretrained agent for the example.
    load('MATLABCartpoleDQN.mat','agent');
end

Симулируйте агента DQN

Чтобы подтвердить производительность обученного агента, симулируйте его в полюсной корзиной среде. Для получения дополнительной информации о симуляции агента смотрите rlSimulationOptions и sim. Агент может сбалансировать полюсное корзиной, даже когда время симуляции увеличивается до 500.

simOptions = rlSimulationOptions('MaxSteps',500);
experience = sim(env,agent,simOptions);

totalReward = sum(experience.Reward)

totalReward = 500

Смотрите также

train

Документация