Deep Learning

Proximal Policy Optimization(PPO)

On/Off-policy

  • On-policy
    • 學習的 agent 和與環境互動的 agent 是同一個
  • Off-policy
    • 學習的 agent 和與環境互動的 agent 是不同個

想從 On-policy 轉 Off-policy

  • On-policy 每次都要重新蒐集資料，很花時間
  • 由另一個 $\pi_{\theta^{’}}$ 去 train $\theta$，$\theta^{’}$是固定的，所以我們可以 re-use sample data

Importance Sampling

  • 是一個 general 的想法，不限於 RL

  • $E_{x \text{\textasciitilde} p}[f(x)]\approx \frac{1}{N}\displaystyle\sum_{i=1}^N f(x^i)$

    • $x^i$ is sampled from p(x)

  • 我們遇到的問題是沒辦法從 p 來 sample data，只能透過 q(x) 去 sample $x^i$

  • 可以把上式改寫成 $E_{x \text{\textasciitilde} p}[f(x)]=E_{x \text{\textasciitilde} q}[f(x)\frac{p(x)}{q(x)}]$

Issue

  • 雖然理論上 q 可以任意選，只要不要 q(x) 是 0 的時候 p(x) 不是 0，實作上 p 和 q 不能差太多，不然會有問題

    • 這兩項的 Variance 不一樣，如果 p 除以 q 差距很大，右邊的 Variance 會很大，如果 sample 不夠多次就會有問題

轉換

  • 原本

    • $\triangledown \overline{R_{\theta}}=E_{\tau \text{\textasciitilde}p_{\theta}(\tau)}[R(\tau)\triangledown log p_{\theta} (\tau)]$

  • 改為

    • $\triangledown \overline{R_{\theta}}=E_{\tau \text{\textasciitilde}p_{\theta^{’}}(\tau)}[\frac{p_{\theta}(\tau)}{p_{\theta^{’}}(\tau)}R(\tau)\triangledown log p_{\theta} (\tau)]$
    • 從 $\theta^{’}$ sample 資料
    • 更新 $\theta$ 多次

Advantage function

  • 原本

    • $E_{(s_t,a_t)\text{\textasciitilde}\pi_{\theta}}[A^{\theta}(s_t,a_t)\triangledown log p_\theta(a_t^n|s_t^n)]$

  • 改為

    • $E_{(s_t,a_t)\text{\textasciitilde}\pi_{\theta^{’}}}[\frac{P_\theta(s_t,a_t)}{P_{\theta^{’}}(s_t,a_t)}A^{\theta^{’}}(s_t,a_t)\triangledown log p_\theta(a_t^n|s_t^n)]$
    • 要注意 Advantage 的結果要由 $\theta^{’}$ 得出，是 $\theta^{’}$在和環境互動

  • 新的 objective function

    • $J^{\theta^{’}}(\theta)=E_{(s_t,a_t)\text{\textasciitilde}\pi_{\theta^{’}}}[\frac{p_\theta(a_t|s_t)}{p_{\theta^{’}}(a_t|s_t)}A^{\theta^{’}}(s_t,a_t)]$

PPO

  • 確保 $\theta$ 和 $\theta^{’}$ 不會差太多
  • $J_{PPO}^{\theta^{’}}(\theta)=J^{\theta^{’}}(\theta)-\beta KL(\theta, \theta^{’})$

前身 TRPO

  • Trust Region Policy Optimization
  • $J_{TRPO}^{\theta^{’}}(\theta)=E_{(s_t,a_t)\text{\textasciitilde}\pi_{\theta^{’}}}[\frac{p_\theta(a_t|s_t)}{p_{\theta^{’}}(a_t|s_t)}A^{\theta^{’}}(s_t,a_t)], KL(\theta, \theta^{’})<\delta$
  • constrain 很難處理

KL divergence

  • 這邊不是 $\theta$ 和 $\theta^{’}$ 參數上的距離，而是 behavior 的距離
    • 參數上的距離是指這兩個參數有多像
    • 是給同樣的 state 生出 action 的 distribution 要像

algorithm

  • 初始參數 $\theta^0$
  • 每個 iteration

    • 用 $\theta^k$ 和環境互動，蒐集{$s_t,a_t$}，並計算 advantage $A^{\theta^k}(s_t,a_t)$

    • 找出 theta 最佳化 $J_{PPO}(\theta)$

      • $J_{PPO}^{\theta^{k}}(\theta)=J^{\theta^{k}}(\theta)-\beta KL(\theta, \theta^{k})$
      • 可以更新很多次

    • 動態調整 $\beta$

      • Adaptive KL Penalty
      • 設可接受的 KL 數值範圍
      • if $KL(\theta,\theta^k)>KL_{max},\text{increase} \beta$
      • if $KL(\theta,\theta^k)<KL_{min},\text{decrease} \beta$

PPO2

  • PPO

    • $J_{PPO}^{\theta^{k}}(\theta)=J^{\theta^{k}}(\theta)-\beta KL(\theta, \theta^{k})$

  • PPO2

    • $J_{PPO2}^{\theta^{k}}(\theta)\approx \displaystyle\sum_{(s_t,a_t)}min(\frac{p_{\theta}(a_t|s_t)}{p_{\theta^k}(a_t|s_t)}A^{\theta^k}(s_t,a_t), \\ clip(\frac{p_{\theta}(a_t|s_t)}{p_{\theta^k}(a_t|s_t)}, 1-\varepsilon, 1+\varepsilon)A^{\theta^k}(s_t,a_t))$