未解決の課題・疑問点
- model.train()とmodel.eval()の使い方が分からない。
- 計算の高速化（GPUの利用）
- 適切なエピソード数
- 適切なメモリバッファ数
- ネットワークの入力値？パラメータ？の正規化。
- 保存したパラメータを読み出すのはactorとtarget_actorまたcriticとtarget_criticで共通で良いのだろうか。
model.train()とmodel.eval()の使い方
ニューラルネットワークの訓練モードと評価モードを切り替えるメソドのようです。
例えばNNモデルがactorの場合
インスタンス生成：actor = ActorNN(引数) してから
actor.train()で訓練モードに設定すると、バッチ正規化やドロップアウトなどの要素が有効になります。あくまで自分でバッチ正規化、ドロップアウトを設定していた場合です。
逆に、actor.eval()にするとバッチ正規化、ドロップアウトを設定していたとしても無効化されます。
ここで重要なのはactor.eval()であっても勾配は計算するし、パラメータ更新も行われるということです。評価モードということなので、推論だけするのかと勘違いしてしまいますが違います。
証拠としてスクリプトを置いておきますので実行してみてください。ちゃんと勾配計算して損失関数の値も減少していきます。
サンプルスクリプト
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import torch as T import torch.nn as nn import torch.nn.functional as F import torch.optim as optim import matplotlib.pyplot as plt class ActorNN(nn.Module): def __init__(self, n_inputs, n_hidden, n_outputs): super(ActorNN, self).__init__() self.fc1 = nn.Linear(n_inputs, n_hidden) self.fc2 = nn.Linear(n_hidden, n_hidden) self.fc3 = nn.Linear(n_hidden, n_outputs) #self.optimizer = optim.SGD(self.parameters(), lr=0.01) self.optimizer = optim.SGD(self.parameters(), lr=0.01) def forward(self, x): x = F.relu(self.fc1(x)) x = F.relu(self.fc2(x)) y_pred = F.tanh(self.fc3(x)) return y_pred actor = ActorNN(n_inputs=4, n_hidden=256, n_outputs=4) #actor.train() actor.eval() inputs = T.tensor([1,2,3,4], dtype=T.float32) y_label = T.tensor([0,1,0,0], dtype=T.float32) threshold = 1e-4 losses = [] N_EPOCHS = 10000 for epoch in range(N_EPOCHS): y_pred = actor.forward(inputs) loss = F.mse_loss(y_pred, y_label) actor.optimizer.zero_grad() loss.backward() actor.optimizer.step() print(epoch, loss.item(), y_pred.detach().numpy()) losses.append(loss.detach().numpy()) if loss.detach().numpy() < threshold: break plt.plot(losses) plt.show()そ |
パラメータ更新による損失関数の減少グラフ
推論するときはOUActionNoise()を止めよう
バッチ正規化やドロップアウトで訓練した場合、actor.eval()で無効化が必要なのはわかりました。しかし行動ノイズは依然として有効なので、こちらも止めましょう。
ou_noise = OUActionNoise(mu=np.zeros(1), sigma=0)
のように sigmaを0に設定することで更新を停止するギミックが必要になります。
メインスクリプト
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EVAL_TRAIN_MODE = 'eval_mode' # 評価モードか訓練モードかを選択 |
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# 2.エージェントクラスのインスタンスを生成する agent = AgentDDPG(alpha=0.01, beta=0.01, gamma=0.99, tau=0.01, n_obs_space=17 , n_action_space=6, n_state_action_value=1, layer1_size=256, layer2_size=256, batch_size=64, mode=EVAL_TRAIN_MODE) |
AgentDDPGクラス
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class AgentDDPG: def __init__(self, alpha=0.000025, beta=0.00025, gamma=0.99, tau=0.001, n_obs_space=17 , n_action_space=6, n_state_action_value=1, layer1_size=64, layer2_size=64, batch_size=64, mode='train_mode'): # 45.行動ノイズのインスタンス化 self.mode = mode if self.mode == 'train_mode': self.noise = OUActionNoise(mu=np.zeros(n_action_space)) elif self.mode == 'eval_mode': self.noise = OUActionNoise(mu=np.zeros(n_action_space), sigma=0) else: print('mode error') |
ハーフチーターがプルプルしなくなりました。
しかし、各ニューラルネットワークのパラメータ更新は止まっているわけではありません。
パラメータ更新を止める
書きかけです。おそらく、EVAL_TRAIN_MODE = ‘eval_mode’ でないときだけパラメータ更新メソドである、optim.step()を行うようにすればよいと思います。
if EVAL_TRAIN_MODE != ‘eval_mode’:
self.optimizer.step()
現在のスクリプト全体
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import gymnasium as gym import time import torch as T import torch.nn as nn import torch.nn.functional as F import torch.optim as optim import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt import os """ nvidia CUDA Toolkit 12.1 https://developer.nvidia.com/cuda-downloads?target_os=Windows&target_arch=x86_64&target_version=10&target_type=exe_local Download cuda_12.1.1_531.14_windows.exe """ """ pip install pip3 install --pre torch torchvision torchaudio --index-url https://download.pytorch.org/whl/nightly/cu121 pip install gymnasium pip install gymnasium[mujoco] pip install matplotlib pip install mujoco """ # 44.OUActionNOoiseクラスを作成する class OUActionNoise(object): def __init__(self, mu, sigma=0.15, theta=0.2, dt=1e-2, x0=None): self.mu = mu self.sigma = sigma self.theta = theta self.dt = dt self.x0 = x0 self.reset() def __call__(self): x = self.x_prev + self.theta * (self.mu - self.x_prev) * self.dt + \ self.sigma * np.sqrt(self.dt) * np.random.normal(size=self.mu.shape) self.x_prev = x return x def reset(self): self.x_prev = self.x0 if self.x0 is not None else np.zeros_like(self.mu) # 10. ReplayBufferクラスを新規作成する class ReplayBuffer: def __init__(self, max_memory_size, n_obs_space, n_action_space): self.max_memory_size = max_memory_size self.n_obs_space = n_obs_space self.n_action_space = n_action_space self.memory_count = 0 self.state_memory = np.zeros((self.max_memory_size, self.n_obs_space)) self.action_memory = np.zeros((self.max_memory_size, self.n_action_space)) self.reward_memory = np.zeros(self.max_memory_size) self.next_state_memory = np.zeros((self.max_memory_size, self.n_obs_space)) self.terminal_memory = np.zeros(self.max_memory_size) #self.terminal_memory = np.zeros(self.max_memory_size, dtype=np.bool) # 11.トランジション保存のためstore_transitionメソドを作成する def store_transition(self, obs, action, reward, next_state, done): #print('store_transition is working.') index = self.memory_count % self.max_memory_size # 最大メモリー数に到達したら、古いデータから上書きされていくギミック #print('obs.detach().numpy().flatten():',obs.detach().numpy().flatten()) self.state_memory[index] = obs.detach().numpy().flatten() self.action_memory[index] = action.flatten() self.reward_memory[index] = reward.flatten() self.next_state_memory[index] = next_state.flatten() self.terminal_memory[index] = 1 - int(done) # ゴールならterminal = 0 となるように #print('state_memory :', self.state_memory) #print('action_memory :', self.action_memory) #print('reward_memory :', self.reward_memory) #print('next_state_memory :', self.next_state_memory) #print('memory.state_memory :', self.terminal_memory) #print('type of state_memory :', type(self.state_memory[0][0])) #print('type of action_memory :', type(self.action_memory[0][0])) #print('type of reward_memory :', type(self.reward_memory[0])) #print('type of next_state_memory :', type(self.next_state_memory[0][0])) #print('type of memory.state_memory :', type(self.terminal_memory[0])) self.memory_count += 1 #print('memory_count :', agent.memory.memory_count) # 16 バッファメモリーからランダムに抽出する def sample_buffer(self, batch_size): # indexが最大メモリに到達していない場合を想定する。 max_index = min(self.max_memory_size, self.memory_count) choosed_index = np.random.choice(max_index, batch_size) observations = self.state_memory[choosed_index] actions = self.action_memory[choosed_index] rewards = self.reward_memory[choosed_index] next_states = self.next_state_memory[choosed_index] terminals = self.terminal_memory[choosed_index] return observations, actions, rewards, next_states, terminals # 6.ActorNNクラスを新規作成する class ActorNN(nn.Module): def __init__(self, alpha=0.001, n_obs_space=17, n_action_space=6, layer1_size=256, layer2_size=256, batch_size=64): #print('ActorNN.__init__ is working.') super(ActorNN, self).__init__() self.fc1 = nn.Linear(n_obs_space, layer1_size) self.fc2 = nn.Linear(layer1_size, layer2_size) self.fc3 = nn.Linear(layer2_size, n_action_space) #26.最適化処理としてアダムを設定する self.optimizer = optim.Adam(self.parameters(), lr=alpha) # 48. actorパラメータの読み出し # もし、パラメータのデータが存在していたらそのパラメータで初期化する。 # パラメータファイルの存在チェック if T.cuda.is_available(): map_location = 'cuda' else: map_location = 'cpu' if os.path.isfile('actor_params.pt'): # パラメータファイルが存在する場合はロード self.load_state_dict(T.load('actor_params.pt', map_location=map_location)) print("パラメータファイルをロードしました:", 'actor_params.pt') else: print("パラメータファイルが見つかりません:", 'actor_params.pt') def forward(self, obs): #print('AgetDDPG.ActorNN.forward is working') #print('====ここまではOK1====') x = self.fc1(obs) x = F.relu(x) x = self.fc2(x) x = F.relu(x) x = self.fc3(x) action = F.tanh(x) return action # 22.CriticNNクラスを新規作成する class CriticNN(nn.Module): def __init__(self, beta=0.001, n_obs_space=17, n_action_space=6, layer1_size=256, layer2_size=256, batch_size=64): #print('CriticNN.__init__ is working.') super(CriticNN, self).__init__() # クリティックNNは観察空間+行動空間の２つを入力とする構造 input_dim = n_obs_space + n_action_space self.fc1 = nn.Linear(input_dim, layer1_size) self.fc2 = nn.Linear(layer1_size, layer2_size) self.fc3 = nn.Linear(layer2_size, 1) # 最後は1個で良い #27.最適化処理としてアダムを設定する self.optimizer = optim.Adam(self.parameters(), lr=beta) # 49. criticパラメータの読み出し # もし、パラメータのデータが存在していたらそのパラメータで初期化する。 # パラメータファイルの存在チェック if T.cuda.is_available(): map_location = 'cuda' else: map_location = 'cpu' if os.path.isfile('critic_params.pt'): # パラメータファイルが存在する場合はロード self.load_state_dict(T.load('critic_params.pt', map_location=map_location)) print("パラメータファイルをロードしました:", 'critic_params.pt') else: print("パラメータファイルが見つかりません:", 'critic_params.pt') def forward(self, obs, action): input_data = T.cat([obs, action], dim=1) x = self.fc1(input_data) x = F.relu(x) x =self.fc2(x) x = F.relu(x) x = self.fc3(x) return x #一つの状態価値を出力する。 # 3.エージェントクラスを定義する class AgentDDPG: def __init__(self, alpha=0.000025, beta=0.00025, gamma=0.99, tau=0.001, n_obs_space=17 , n_action_space=6, n_state_action_value=1, layer1_size=64, layer2_size=64, batch_size=64, mode='train_mode'): #print('AgentDDPG.__init__ is working.') # 5.ActorNNクラスのインスタンスを生成する self.alpha = alpha self.beta = beta self.gamma = gamma self.tau = tau self.n_obs_space = n_obs_space self.n_action_space = n_action_space self.n_state_action_value = n_state_action_value self.layer1_size = layer1_size self.layer2_size = layer2_size # 13.バッチサイズを決めておく self.batch_size = batch_size self.actor = ActorNN(alpha=0.000025, n_obs_space=17, n_action_space=6, layer1_size=64, layer2_size=64, batch_size=64) # 9.memoryインスタンスを追加 self.MAX_MEMORY_SIZE = 10000 self.memory = ReplayBuffer(max_memory_size=self.MAX_MEMORY_SIZE, n_obs_space=self.n_obs_space, n_action_space=self.n_action_space) # 19.ターゲットアクターネットワークインスタンスtarget_actorを作成する # actorとtarget_actorのネットワークは同じActorNNで良い self.target_actor = ActorNN(alpha=0.000025, n_obs_space=17, n_action_space=6, layer1_size=64, layer2_size=64, batch_size=64) # 21.ターゲットクリティックネットワークインスタンスtareget_criticを作成する self.target_critic = CriticNN(beta=0.000025, n_obs_space=17, n_action_space=6, layer1_size=64, layer2_size=64, batch_size=64) # 24.クリティックネットワークインスタンスcriticを作成する。 self.critic = CriticNN(beta=0.000025, n_obs_space=17, n_action_space=6, layer1_size=64, layer2_size=64, batch_size=64) # アクターロスとクリティックロス self.actor_loss = 0 self.critic_loss = 0 # 45.行動ノイズのインスタンス化 self.mode = mode if self.mode == 'train_mode': self.noise = OUActionNoise(mu=np.zeros(n_action_space)) elif self.mode == 'eval_mode': self.noise = OUActionNoise(mu=np.zeros(n_action_space), sigma=0) else: print('mode error') def choose_action(self, obs): #print('AgentDDPG.choose_action is working.') # 4.方策（アクター）はニューラルネットワークで表現する。 # ActorNNクラスを新規作成し、インスタンスactorとして使用する。 action = self.actor.forward(obs) # 46.行動ノイズを入れて探索性を向上させる。 action += T.tensor(self.noise(), dtype=T.float32) action = action.detach().numpy() return action # 8.remenberメソドを追加 def remember(self, obs, action, reward, next_state, done): self.memory.store_transition(obs, action, reward, next_state, done) # 13.learnメソドを追加 def learn(self): # 14.バッチサイズ分のトランジションが集まるまでは何も実行しない。 if self.memory.memory_count < self.batch_size: return # 15.メモリバッファからデータを抜き出す sample_buffer() # バッチ化されているので変数名を複数形にする observations, actions, rewards, next_states, terminals = self.memory.sample_buffer(self.batch_size) #print('s:', observations) #print(observations.shape) #print('a :', actions) #print('r :', rewards) #print('s_ :', next_states) #print('terminal :', terminals) # 17.抜き出したデータをpytorchで微分可能なようにtorch.tensor化する observations = T.tensor(observations, dtype=T.float32) actions = T.tensor(actions, dtype=T.float32) rewards = T.tensor(rewards, dtype=T.float32) next_states = T.tensor(next_states, dtype=T.float32) terminals = T.tensor(terminals, dtype=T.float32) # 18.ターゲットアクターネットワークインスタンスtarget_actorに # 次の状態next_satesを入れて、ターゲットアクションtarget_actionsとして取り出す。 # このターゲットネットワークはターゲットでないネットワークとNNパラメータを共有させる。 #print('next_states :', next_states) target_actions = self.target_actor.forward(next_states) # 20.ターゲットクリティックネットワークインスタンスtarget_criticに # 次の状態next_statesと上記より算出したターゲットアクションの２つを入力して # 価値関数の推定値ターゲットバリューを出力する。 # TDターゲット：r + γ*V(w)[s_t+1] の部分のこと。 # ターゲットクリティックバリューはターゲットアクターネットワークを使う target_critic_values = self.target_critic.forward(next_states, target_actions) # 23.ベースラインとして機能するクリティックネットワーク（価値関数V(w)[s_t]ネットワーク）に # 現在の状態observationsと行動actionsを入力して # クリティックバリューを算出する critic_values = self.critic.forward(observations, actions) # 25.TDターゲットを算出する：r + γ*V(w)[s_t+1] td_targets = [] for i in range(self.batch_size): td_target = rewards[i] + self.gamma * target_critic_values[i] * terminals[i] td_targets.append(td_target) # TDターゲットの形をバッチに整える td_targets = T.tensor(td_targets, dtype=T.float32) td_targets = td_targets.view(self.batch_size, 1) #viewはreshapeと同じ。64x1に見え方を変更した、という意味 #print('td_targets :', td_targets) # ==== （１）クリティックの学習 ==== # 28.クリティックの勾配をゼロに初期化する self.critic.optimizer.zero_grad() # 29. TDターゲットと状態価値の二乗誤差を算出して、クリティックの損失関数とする。バッチサイズは６４個 critic_loss = F.mse_loss(td_targets, critic_values) self.critic_loss = critic_loss #print('critic_loss : ', critic_loss) # tensor(0.0485, grad_fn=<MseLossBackward0>) # 30. クリティックの損失関数を微分して、勾配を算出する critic_loss.backward() # 31. 勾配からオプティマイザーによってクリティックのパラメータ（重みとバイアス）を更新する self.critic.optimizer.step() # ==== （２）アクターの学習 ==== # 32. アクターの勾配をゼロに初期化する self.actor.optimizer.zero_grad() # 33. アクターに観測情報を入力して行動を算出する。バッチサイズは６４個 predicted_actions = self.actor.forward(observations) # 34.アクターの損失関数を算出する # Actorの目的は、Criticネットワークの出力（行動価値）を最大化するような行動を選択すること。 # なので、actorNN→criticNNのDDPG構造全体の出力結果をactor_lossとして、actorNNとcriticNNの両方をbackwardし、 # actorだけをパラメータ更新することによりactorの学習をすることができる。 actor_loss = -self.critic.forward(observations, predicted_actions) actor_loss = T.mean(actor_loss) self.actor_loss = actor_loss #print(f'actor_loss: {actor_loss}, critic_loss: {critic_loss}') # 35. DDPG構造全体の損失関数actor_lossを微分し、勾配を算出する actor_loss.backward() # 36. 勾配からオプティマイザーによってアクターのパラメータだけを（重みとバイアス）を更新する self.actor.optimizer.step() # 37. 全ニューラルネットワークのパラメータを更新する。 self.update_network_parameters() # 37. パラメータ更新メソド。 def update_network_parameters(self, tau=None): if tau is None: tau = self.tau # 38. actor, critic, target_actor, target_criticのネットワーク内の全てのパラメータ（重みとバイアス）とその名前を取得する # actorとcriticは先ほど更新されたばかりのパラメーター actor_params = self.actor.named_parameters() critic_params = self.critic.named_parameters() target_actor_params = self.target_actor.named_parameters() target_critic_params = self.target_critic.named_parameters() #print('actor_params : ', actor_params) # actor_params : <generator object Module.named_parameters at 0x000001661B2D9D48> # 39. パラメータをディクショナリとして取り出す。 actor_params_dict = dict(actor_params) critic_params_dict = dict(critic_params) target_actor_params_dict = dict(target_actor_params) target_critic_params_dict = dict(target_critic_params) #print('actor_params_dict : ', actor_params_dict) #print(actor_params_dict.keys()) """ actor_params_dict : {'fc1.weight': Parameter containing: tensor([[-0.1895, -0.0343, 0.1138, ..., 0.2157, 0.0527, -0.1173],/ dict_keys(['fc1.weight', 'fc1.bias', 'fc2.weight', 'fc2.bias', 'fc3.weight', 'fc3.bias']) """ # 40. クリティックの各パラメーター毎に 更新重みtau=0.0001の分だけほんの少しcriticパラメータをtarget_criticパラメータに近づける。 for name in critic_params_dict: critic_params_dict[name] = tau * critic_params_dict[name].clone() + \ (1-tau) * target_critic_params_dict[name].clone() # 41. 更新したcriticパラメータをtarget_criticのパラメータとしてロードする。 self.target_critic.load_state_dict(critic_params_dict) # 42.アクターの各パラメーター毎に 更新重みtau=0.0001の分だけほんの少しactorパラメータをtarget_actorパラメータに近づける。 for name in actor_params_dict: actor_params_dict[name] = tau * actor_params_dict[name].clone() + \ (1 - tau) * target_actor_params_dict[name].clone() # 43. 更新したactorパラメータをtarget_actorのパラメータとしてロードする。 self.target_actor.load_state_dict(actor_params_dict) #### =================== メインスクリプト ======================= #### EVAL_TRAIN_MODE = 'train_mode' # 評価モードか訓練モードかを選択 EPISODES = 1001# episodes STEPS = 500 # steps DELAY_TIME = 0.00 # sec # 2.エージェントクラスのインスタンスを生成する agent = AgentDDPG(alpha=0.01, beta=0.01, gamma=0.99, tau=0.01, n_obs_space=17 , n_action_space=6, n_state_action_value=1, layer1_size=256, layer2_size=256, batch_size=64, mode=EVAL_TRAIN_MODE) if EVAL_TRAIN_MODE == 'train_mode': env = gym.make("HalfCheetah-v4", render_mode='depth_array') elif EVAL_TRAIN_MODE == 'eval_mode': env = gym.make("HalfCheetah-v4", render_mode= 'human') total_rewards = [] actor_losses = [] critic_losses = [] for episode in range(EPISODES): obs = env.reset() obs = T.tensor(obs[0], dtype=T.float) # tensor([ 0.0040, 0.0199, -0.0622, 0.0594, -0.0605, 0.0577, -0.0056, 0.0333, -0.0072, 0.0532, -0.0512, 0.0173, -0.0529, -0.1104, 0.0946, -0.0559, 0.0824]) #print(type(obs)) # observation_space : Box(-inf, inf, (17,), float64) #print('observation_space : ', env.observation_space) #print('obs :', obs) reward: float = 0 total_reward: float = 0 done: bool = False for j in range(STEPS): env.render() # ここをDDPGに置き換えていく action = agent.choose_action(obs) # 1.Agentクラスを定義していく #action : [ 0.06660474 -0.11753064 0.02527559 0.06465236 0.1050786 0.05048539] #print('====ここまではOK4====') #print('action_space : ', env.action_space) #print('action : ', action) next_state, reward, done, _, info = env.step(action) #print('next_state, reward, done, _, info :', next_state, reward, done, _, info) """ action : [ 0.06660474 -0.11753064 0.02527559 0.06465236 0.1050786 0.05048539] next_state, reward, done, _, info : [-0.00265179 0.0229547 0.00463243 -0.04729936 -0.00959038 0.04734605 0.03672746 0.02857842 0.09980254 -0.32065693 0.04221647 1.58668951 -2.31089174 1.30338924 -0.25465526 1.08250465 -0.14134398] 0.07553858359316026 False False {'x_position': -0.09233384215910741, 'x_velocity': 0.07920445513883267, 'reward_run': 0.07920445513883267, 'reward_ctrl': -0.0036658715456724168} """ #7. トラジェクトを保存する。経験再生(ReplayBuffer) agent.remember(obs, action, reward, next_state, int(done)) #12. ニューラルネットワークを学習する agent.learn() # 26.エピソード内での報酬を累積していく total_reward += reward # 27. next_stateをobsとして再出発する #print('next_state:', next_state) obs = next_state obs = T.tensor(obs, dtype=T.float) # 28. チーターの動きを見たいのでスリープを入れる time.sleep(DELAY_TIME) #print('total_reward : ', total_reward) total_rewards.append(total_reward) actor_losses.append(float(agent.actor_loss)) critic_losses.append(float(agent.critic_loss)) # print('epsisode', i, 'score %.2f' % score, '100 game sverage %.2f' % np.mean(score_history[-100:])) # 47. 各ニューラルネットワークのパラメータを１０エピソード毎に保存する print('episode, total_reward : ', episode , total_reward) if episode % 10 == 0: T.save(agent.actor.state_dict(), 'actor_params.pt') T.save(agent.critic.state_dict(), 'critic_params.pt') T.save(agent.target_actor.state_dict(), 'target_actor_params.pt') T.save(agent.target_critic.state_dict(), 'target_critic_params.pt') print('==== params were saved. ====') #print('total_rewards : ', total_rewards) #plt.plot(total_rewards) #plt.plot(actor_losses, label='actor_losses') #plt.plot(critic_losses, label='critic_losses') plt.plot(total_rewards, label='total_rewards') plt.legend() plt.grid(True) plt.ioff() plt.show() env.close() # 空なんですけど・・・ print('script is done.') # https://gymnasium.farama.org/ |
