深度增强学习David Silver（八）——Integrating Learning and Planning

本节课主要讲：

• Model-Based Reinforcement Learning
• Integrated Architectures
• Simulation-Based Search

model用一个具有参数η的MDP⟨S,A,P,R⟩表示。它告诉我们怎么从一个状态转移到另一个状态，和发生动作之后的奖励。假设S和A都已知，则Pη≈P,Rη≈R。

• model-free RL直接从经验中学习价值函数或者策略。
• model-based RL从经验中学习模型，然后从模型中学习价值函数或策略。

model-based RL的优点是可以通过监督学习直接学习模型，推导出模型的不确定性。缺点是首先学习环境模型和建立价值函数会导致两种估计误差。

model-based RL对于环境模型的学习是监督学习。输入状态、行动学习奖励，是一个回归问题，输入状态、行动学习下一个状态是密度估计问题。模型有多种选择，以table lookup model为例。用N(s,a)表示状态行动对的经过次数。

P^as,s′=1N(s,a)∑t=1T1(St,At,St+1=s,a,s′)R^as=1N(s,a)∑t=1T1(St,At=s,a)Rt

计算出环境模型之后，就可以根据模型进行planning。环境模型不准确将会导致planning计算出一个次优的策略。解决方法如下：

1. 当模型出错时，使用model-free RL。
2. 明确推导出关于模型不确定性因素，如贝叶斯。

sample-based planning是一种很有效的方法——将环境模型看做环境，用模型产生样本，然后用model-free RL（比如Monte-Carlo控制、Sarsa、Q-learning等）来学习计算出价值和奖励。

接下来考虑两种训练经验来源：

• real experience。从真实环境中采样。
• simulated experience。从模型中采样。

Dyna是一种同时采用这两种训练经验的方法。Dyna-Q算法如下：

(a)-(e)是从真实环境中提取经验的方法。(f)步从模型中提取经验。

前向搜索（Forward search）是一种通过向前看来选择最好行动的方法。他们以状态st为根部建立一棵搜索树，使用MDP模型向前看。前向搜索使用sample-based planning，从st开始，运用model-free RL进行模拟。

将前向搜索和Monte-Carlo控制结合，以下是简单的Monte-Carlo搜索：

• 给定模型MV和模拟策略π。
• 对于每个行动a∈A
  
  • 从当前状态st开始，模拟K个episodes。
  • 通过return的均值来评估行动。
• 选择当前具有最大值的行动。at=argmaxa∈AQ(st,a)

MCTS(Monte-Carlo Tree Search)进一步优化，分为评估（evaluation）和模拟（simulation）两个过程。
评估：

• 给定模型MV和模拟策略π。
• 从当前状态st开始，使用策略π模拟K个episodes。
• 建立一棵包含状态和行为的搜索树。
• 通过return的均值来评估Q。 Q(s,a)=1N(s,a)∑Kk=1∑Tu=t1(Su,Au=s,a)Gu→Pqπ(s,a)
• 当搜索结束，选择当前具有最大值的行动。at=argmaxa∈AQ(st,a)

模拟：

• 在这个过程，模拟策略π能得到提升
• 每个模拟过程由两个阶段组成：
  
  • in-tree（提升）：选择行动最大化Q(S,A)
  • out-of-tree（固定的）：随机选择行动
• 每个模拟过程重复评估（通过Monte-Carlo评估）和改进（通过ϵ-greedy(Q)）。
• Monte-Carlo控制被应用到模拟经验中。
• 收敛到最优的搜索树。

MCTS的优点：优先选择最好的行动；动态评估状态；使用sampling打破维度的限制；只需要samples；计算有效，可并行。

Temporal-Diffrence Search使用TD代替MC，MCTS采用MC控制，TD Search采用Sarsa。二者比较如下：

TD Search：

• 从当前状态st开始模拟episode。
• 估计Q(s,a)
• 在模拟过程的每一步，使用Sarsa更新Q。ΔQ(S,A)=α(R+γQ(S′,A′)−Q(S,A))
• 基于Q(s,a)选择行动。