TensorFlow 2.0 (六) - 监督学习玩转 OpenAI gym game
源代码/数据集已上传到
Github - tensorflow-tutorial-samples
这篇文章是 TensorFlow 2.0 Tutorial 入门教程的第六篇文章，介绍如何使用 TensorFlow 2.0 搭建神经网络(Neural Network, NN)，使用纯监督学习(Supervised Learning)的方法，玩转 OpenAI gym game。示例代码基于 Python 3 和 TensorFlow 2.0 。
OpenAI gym是一个开源的游戏模拟环境，主要用来开发和比较强化学习(Reinforcement Learning, RL)的算法。这篇文章是 Tensorflow 2.0 系列使用 gym 的第一篇文章，网上介绍强化学习玩 gym 的文章比较多，而纯监督学习的文章极少。我们先使用纯监督学习的算法，一起感受 gym 的魅力吧。
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| pip install tensorflow==2.0.0-beta0
pip install gym
# 如果你有多个Python环境，需要指定
# python3 -m pip install tensorflow==2.0.0-beta0
# python3 -m pip install gym
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OpenAI gym 初尝试
我们先对 OpenAI 的 gym 库的几个核心概念作个简单介绍。
想象一下你在玩贪吃蛇，你需要分析当前游戏的状态(State)，例如你所处的位置，周围的障碍物等，才能够决定下一步的动作(Action)，上下左右。那你每走一步，就会得到一个奖励(Reward)。这个奖励可能是正向奖励(Positive Reward)，也可能是负向奖励(Negative Reward)，比如撞到了障碍物。重复N次这样的过程，直到游戏结束(Done)。
从整个例子中，可以总结出几个重要的概念，接下来的示例将会使用 OpenAI gym 库提供的 CartPole Game 环境，一起来熟悉CartPole 游戏中的这几个概念的含义吧。先直接给一个可以运行看效果的示例，这个示例中，Action 是随机选择的。
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| # try_gym.py
# https://geektutu.com
import gym # 0.12.5
import random
import time
env = gym.make("CartPole-v0") # 加载游戏环境
state = env.reset()
score = 0
while True:
time.sleep(0.1)
env.render() # 显示画面
action = random.randint(0, 1) # 随机选择一个动作 0 或 1
state, reward, done, _ = env.step(action) # 执行这个动作
score += reward # 每回合的得分
if done: # 游戏结束
print('score: ', score) # 打印分数
break
env.close()
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| $ python3 try_gym.py
score: 14.0
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| 概念 |
解释 |
示例 |
|---|
| State |
list：状态，[车位置, 车速度, 杆角度, 杆速度] |
0.02,0.95,-0.07,-1.53 |
| Action |
int：动作(0向左/1向右) |
1 |
| Reward |
float：奖励(每走一步得1分) |
1.0 |
| Done |
bool：是否结束(True/False)，上限200回合 |
False |
游戏上限是200回合，但是如果是随机选择 Action，就只得了14分，游戏就结束了。
搭建神经网络
我们的目的就是将随机选择 Action 的部分，变为由神经网络模型来选择。神经网络的输入是State，输出是Action。在这里，Action 用独热编码来表示，即 [1, 0] 表示向左，**[0, 1]** 表示向右。这样我们可以方便地使用np.argmax()获取预测的 Action 的值。
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| np.argmax([0.3, 0.7]) # 1，假如神经网络的输出是 [0.3, 0.7]，那Action值为1，表示向右。
np.argmax([0.8, 0.2]) # 0，表示向右。
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接下来我们搭建一个 4 x 64 x 20 x 2 的网络，输入层为4，输出层为2。
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| # train.py
# https://geektutu.com
import random
import gym
import numpy as np
from tensorflow.keras import models, layers
env = gym.make("CartPole-v0") # 加载游戏环境
STATE_DIM, ACTION_DIM = 4, 2 # State 维度 4, Action 维度 2
model = models.Sequential([
layers.Dense(64, input_dim=STATE_DIM, activation='relu'),
layers.Dense(20, activation='relu'),
layers.Dense(ACTION_DIM, activation='linear')
])
model.summary() # 打印神经网络信息
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训练数据从哪里来？
神经网络的模型搭好了，那训练数据呢？
随机产生的数据，得分很低，如果不过滤，数据集质量是很低的。
最终的办法：试，一百次不行，就试一万次。
简而言之，我们在过程中计算Score，如果最终得分达到设定的标准，这个分数所对应的所有State和Action就可以作为我们的训练数据了。
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| # train.py
def generate_data_one_episode():
'''生成单次游戏的训练数据'''
x, y, score = [], [], 0
state = env.reset()
while True:
action = random.randrange(0, 2)
x.append(state)
y.append([1, 0] if action == 0 else [0, 1]) # 记录数据
state, reward, done, _ = env.step(action) # 执行动作
score += reward
if done:
break
return x, y, score
def generate_training_data(expected_score=100):
'''# 生成N次游戏的训练数据，并进行筛选，选择 > 100 的数据作为训练集'''
data_X, data_Y, scores = [], [], []
for i in range(10000):
x, y, score = generate_data_one_episode()
if score > expected_score:
data_X += x
data_Y += y
scores.append(score)
print('dataset size: {}, max score: {}'.format(len(data_X), max(scores)))
return np.array(data_X), np.array(data_Y)
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这样，我们就可以使用generate_training_data函数生成训练集了。
训练并保存模型
神经网络和数据集都准备好了，训练就非常简单了。
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| # train.py
data_X, data_Y = generate_training_data()
model.compile(loss='mse', optimizer='adam', epochs=5)
model.fit(data_X, data_Y)
model.save('CartPole-v0-nn.h5') # 保存模型
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从运行的结果看，我们最终得到的训练集大小为213，最大分数是108分。
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| $ python train.py
Model: "sequential"
_________________________________________________________________
Layer (type) Output Shape Param #
=================================================================
dense (Dense) (None, 64) 320
_________________________________________________________________
dense_1 (Dense) (None, 20) 1300
_________________________________________________________________
dense_2 (Dense) (None, 2) 42
=================================================================
Total params: 1,662
Trainable params: 1,662
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________
dataset size: 213, max score: 108.0
Train on 213 samples
Epoch 1/5
213/213 [==============================] - 0s 713us/sample - loss: 0.4701
Epoch 2/5
213/213 [==============================] - 0s 35us/sample - loss: 0.3920
Epoch 3/5
213/213 [==============================] - 0s 38us/sample - loss: 0.3370
Epoch 4/5
213/213 [==============================] - 0s 39us/sample - loss: 0.2985
Epoch 5/5
213/213 [==============================] - 0s 38us/sample - loss: 0.2745
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模型测试/预测
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| # predict.py
# https://geektutu.com
import time
import numpy as np
import gym
from tensorflow.keras import models
saved_model = models.load_model('CartPole-v0-nn.h5') # 加载模型
env = gym.make("CartPole-v0") # 加载游戏环境
for i in range(5):
state = env.reset()
score = 0
while True:
time.sleep(0.01)
env.render() # 显示画面
action = np.argmax(saved_model.predict(np.array([state]))[0]) # 预测动作
state, reward, done, _ = env.step(action) # 执行这个动作
score += reward # 每回合的得分
if done: # 游戏结束
print('using nn, score: ', score) # 打印分数
break
env.close()
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| $ python predict.py
using nn, score: 200.0
using nn, score: 200.0
using nn, score: 200.0
using nn, score: 200.0
using nn, score: 200.0
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模型的结果很不错，每一次都达到了200的满分。
看看效果吧~
在Github - tensorflow-tutorial-samples上提供了.py和.ipynb2种格式的代码。
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