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Introdução

Um padrão comum na aprendizagem por reforço é executar uma política em um ambiente por um número especificado de etapas ou episódios. Isso acontece, por exemplo, durante a coleta de dados, avaliação e geração de um vídeo do agente.

Enquanto isso é relativamente simples escrever em python, é muito mais complexo para escrever e depurar em TensorFlow porque envolve tf.while loops, tf.cond e tf.control_dependencies . Portanto, o abstrato esta noção de um loop de execução em uma classe chamada driver , e fornecer implementações bem testadas, tanto em Python e TensorFlow.

Além disso, os dados encontrados pelo driver em cada etapa são salvos em uma tupla nomeada chamada Trajetória e transmitidos a um conjunto de observadores, como buffers de reprodução e métricas. Esses dados incluem a observação do meio ambiente, a ação recomendada pela política, a recompensa obtida, o tipo do atual e o próximo passo, etc.

Configurar

Se você ainda não instalou tf-agents ou gym, execute:

pip install tf-agents

from __future__ import absolute_import
from __future__ import division
from __future__ import print_function

import tensorflow as tf


from tf_agents.environments import suite_gym
from tf_agents.environments import tf_py_environment
from tf_agents.policies import random_py_policy
from tf_agents.policies import random_tf_policy
from tf_agents.metrics import py_metrics
from tf_agents.metrics import tf_metrics
from tf_agents.drivers import py_driver
from tf_agents.drivers import dynamic_episode_driver

Drivers Python

O PyDriver classe assume um ambiente python, uma política de python e uma lista de observadores para atualização a cada passo. O método principal é run() , que os passos do ambiente usando acções da política até que pelo menos um dos seguintes critérios de terminação é satisfeita: o número de passos atinge max_steps ou o número de episódios atinge max_episodes .

A implementação é aproximadamente a seguinte:

class PyDriver(object):

  def __init__(self, env, policy, observers, max_steps=1, max_episodes=1):
    self._env = env
    self._policy = policy
    self._observers = observers or []
    self._max_steps = max_steps or np.inf
    self._max_episodes = max_episodes or np.inf

  def run(self, time_step, policy_state=()):
    num_steps = 0
    num_episodes = 0
    while num_steps < self._max_steps and num_episodes < self._max_episodes:

      # Compute an action using the policy for the given time_step
      action_step = self._policy.action(time_step, policy_state)

      # Apply the action to the environment and get the next step
      next_time_step = self._env.step(action_step.action)

      # Package information into a trajectory
      traj = trajectory.Trajectory(
         time_step.step_type,
         time_step.observation,
         action_step.action,
         action_step.info,
         next_time_step.step_type,
         next_time_step.reward,
         next_time_step.discount)

      for observer in self._observers:
        observer(traj)

      # Update statistics to check termination
      num_episodes += np.sum(traj.is_last())
      num_steps += np.sum(~traj.is_boundary())

      time_step = next_time_step
      policy_state = action_step.state

    return time_step, policy_state

Agora, vamos examinar o exemplo de execução de uma política aleatória no ambiente CartPole, salvando os resultados em um buffer de reprodução e computando algumas métricas.

env = suite_gym.load('CartPole-v0')
policy = random_py_policy.RandomPyPolicy(time_step_spec=env.time_step_spec(), 
                                         action_spec=env.action_spec())
replay_buffer = []
metric = py_metrics.AverageReturnMetric()
observers = [replay_buffer.append, metric]
driver = py_driver.PyDriver(
    env, policy, observers, max_steps=20, max_episodes=1)

initial_time_step = env.reset()
final_time_step, _ = driver.run(initial_time_step)

print('Replay Buffer:')
for traj in replay_buffer:
  print(traj)

print('Average Return: ', metric.result())

Replay Buffer:
Trajectory(
{'action': array(1),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([-0.01483762, -0.0301547 , -0.02482025,  0.00477367], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(0, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(1),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([-0.01544072,  0.16531426, -0.02472478, -0.29563585], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(1),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([-0.01213443,  0.3607798 , -0.0306375 , -0.5960129 ], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(1),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([-0.00491884,  0.5563168 , -0.04255775, -0.8981868 ], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([ 0.0062075 ,  0.75198895, -0.06052149, -1.2039375 ], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([ 0.02124728,  0.5576993 , -0.08460024, -0.9308191 ], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([ 0.03240127,  0.36381477, -0.10321662, -0.6658752 ], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(1),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([ 0.03967756,  0.17026839, -0.11653412, -0.40739253], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([ 0.04308293,  0.36683324, -0.12468197, -0.7344236 ], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([ 0.0504196 ,  0.17363413, -0.13937044, -0.48343614], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(1),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([ 0.05389228, -0.0192741 , -0.14903916, -0.23772195], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(1),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([ 0.0535068 ,  0.17762792, -0.1537936 , -0.5734562 ], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([ 0.05705936,  0.37453365, -0.16526273, -0.910366  ], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([ 0.06455003,  0.18198717, -0.18347006, -0.6738478 ], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(1, dtype=int32),
 'observation': array([ 0.06818977, -0.01017502, -0.19694701, -0.44408032], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(0),
 'discount': array(0., dtype=float32),
 'next_step_type': array(2, dtype=int32),
 'observation': array([ 0.06798627, -0.20204504, -0.20582862, -0.21936782], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(1., dtype=float32),
 'step_type': array(1, dtype=int32)})
Trajectory(
{'action': array(1),
 'discount': array(1., dtype=float32),
 'next_step_type': array(0, dtype=int32),
 'observation': array([ 0.06394537, -0.39372152, -0.21021597,  0.00199082], dtype=float32),
 'policy_info': (),
 'reward': array(0., dtype=float32),
 'step_type': array(2, dtype=int32)})
Average Return:  16.0

Drivers TensorFlow

Temos também os motoristas em TensorFlow que são funcionalmente similares aos condutores Python, mas ambientes de uso FT, políticas TF, observadores TF etc. Atualmente, temos motoristas 2 TensorFlow: DynamicStepDriver , que termina depois de um determinado número de passos (válido) de ambiente e DynamicEpisodeDriver , que termina após um determinado número de episódios. Vejamos um exemplo do DynamicEpisode em ação.

env = suite_gym.load('CartPole-v0')
tf_env = tf_py_environment.TFPyEnvironment(env)

tf_policy = random_tf_policy.RandomTFPolicy(action_spec=tf_env.action_spec(),
                                            time_step_spec=tf_env.time_step_spec())


num_episodes = tf_metrics.NumberOfEpisodes()
env_steps = tf_metrics.EnvironmentSteps()
observers = [num_episodes, env_steps]
driver = dynamic_episode_driver.DynamicEpisodeDriver(
    tf_env, tf_policy, observers, num_episodes=2)

# Initial driver.run will reset the environment and initialize the policy.
final_time_step, policy_state = driver.run()

print('final_time_step', final_time_step)
print('Number of Steps: ', env_steps.result().numpy())
print('Number of Episodes: ', num_episodes.result().numpy())

final_time_step TimeStep(
{'discount': <tf.Tensor: shape=(1,), dtype=float32, numpy=array([1.], dtype=float32)>,
 'observation': <tf.Tensor: shape=(1, 4), dtype=float32, numpy=array([[0.01182632, 0.01372784, 0.03056967, 0.04454206]], dtype=float32)>,
 'reward': <tf.Tensor: shape=(1,), dtype=float32, numpy=array([0.], dtype=float32)>,
 'step_type': <tf.Tensor: shape=(1,), dtype=int32, numpy=array([0], dtype=int32)>})
Number of Steps:  24
Number of Episodes:  2

# Continue running from previous state
final_time_step, _ = driver.run(final_time_step, policy_state)

print('final_time_step', final_time_step)
print('Number of Steps: ', env_steps.result().numpy())
print('Number of Episodes: ', num_episodes.result().numpy())

final_time_step TimeStep(
{'discount': <tf.Tensor: shape=(1,), dtype=float32, numpy=array([1.], dtype=float32)>,
 'observation': <tf.Tensor: shape=(1, 4), dtype=float32, numpy=
array([[-0.02565088,  0.04813434, -0.04199163,  0.03810809]],
      dtype=float32)>,
 'reward': <tf.Tensor: shape=(1,), dtype=float32, numpy=array([0.], dtype=float32)>,
 'step_type': <tf.Tensor: shape=(1,), dtype=int32, numpy=array([0], dtype=int32)>})
Number of Steps:  70
Number of Episodes:  4