DDPG by gymnasium １７日目

今回は、単純にノードを64から32に落としてみたらどうかと思います。

学習のステップ

100Steps x 1000Epsodes
200Steps x 1000Epsodes
300Steps x 1000Epsodes

非常にうまくいきました。文句なしです。

走りも安定しています。

これで、このDDPGシリーズはお終いにいたします。

続編はMalti Agent Deep Detarministic Policy Gradient:MADDPG　の予定です。ありがとうございました。

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
import csv

# 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

        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, device, alpha=0.001, n_obs_space=17, n_action_space=6,
                                    layer1_size=256, layer2_size=256, layer3_size=256, batch_size=64):
        #print('ActorNN.__init__ is working.')
        super(ActorNN, self).__init__()

        self.fc1 = nn.Linear(n_obs_space, layer1_size)
        f1 = 1 / np.sqrt(self.fc1.weight.data.size()[0]) # Heの初期値
        nn.init.uniform_(self.fc1.weight, -f1, +f1) # 重み初期値   　-fから+fの範囲で一様分布
        nn.init.uniform_(self.fc1.bias, -f1, +f1)   # バイアス初期値 -fから+fの範囲で一様分布

        self.bn1 =  nn.LayerNorm(layer1_size) #レイヤーノーマライゼーション

        self.fc2 = nn.Linear(layer1_size, layer2_size)
        f2 = 1 / np.sqrt(self.fc2.weight.data.size()[0]) # Heの初期値
        nn.init.uniform_(self.fc2.weight, -f2, +f2) # -fから+fの範囲で一様分布
        nn.init.uniform_(self.fc2.bias, -f2, +f2) # -fから+fの範囲で一様分布

        self.bn2 =  nn.LayerNorm(layer2_size) #レイヤーノーマライゼーション

        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)
        #self.optimizer = optim.SGD(self.parameters(), lr=alpha)


    def forward(self, obs):
        #print('AgetDDPG.ActorNN.forward is working')
        #print('====ここまではOK1====')
        x = self.fc1(obs)
        x = self.bn1(x)
        x = F.relu(x)

        x = self.fc2(x)
        x = self.bn2(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, device, beta=0.001, n_obs_space=17, n_action_space=6,
                 layer1_size=256, layer2_size=256, layer3_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)

        f1 = 1 / np.sqrt(self.fc1.weight.data.size()[0]) # Heの初期値
        nn.init.uniform_(self.fc1.weight, -f1, +f1) # 重み初期値   　-fから+fの範囲で一様分布
        nn.init.uniform_(self.fc1.bias, -f1, +f1)   # バイアス初期値 -fから+fの範囲で一様分布

        self.bn1 =  nn.LayerNorm(layer1_size) #レイヤーノーマライゼーション

        self.fc2 = nn.Linear(layer1_size, layer2_size)
        f2 = 1 / np.sqrt(self.fc2.weight.data.size()[0]) # Heの初期値
        nn.init.uniform_(self.fc2.weight, -f1, +f1) # 重み初期値   　-fから+fの範囲で一様分布
        nn.init.uniform_(self.fc2.bias, -f1, +f1)   # バイアス初期値 -fから+fの範囲で一様分布

        self.bn2 =  nn.LayerNorm(layer2_size) #レイヤーノーマライゼーション

        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)
        #self.optimizer = optim.SGD(self.parameters(), lr=beta)

    def forward(self, obs, action):
        input_data = T.cat([obs, action], dim=1)
        x = self.fc1(input_data)
        x = self.bn1(x)
        x = F.relu(x)

        x = self.fc2(x)
        x = self.bn2(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, device, 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, layer3_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.device = device

        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
        self.layer3_size = layer3_size

        # 13.バッチサイズを決めておく
        self.batch_size = batch_size 

        self.actor = ActorNN(device=self.device, alpha=self.alpha, n_obs_space=self.n_obs_space, n_action_space=self.n_action_space,
                            layer1_size=self.layer1_size, layer2_size=self.layer2_size, layer3_size=self.layer3_size, batch_size=self.batch_size) 
        
        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.actor.load_state_dict(T.load('actor_params.pt', map_location=device))
            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')

        # actorネットワークをGPUへ転送
        self.actor.to(device)
        
        # 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(device=self.device, alpha=self.alpha, n_obs_space=self.n_obs_space, n_action_space=self.n_action_space,
                                    layer1_size=self.layer1_size, layer2_size=self.layer2_size, layer3_size=self.layer3_size, batch_size=self.batch_size)

        if os.path.isfile('target_actor_params.pt'):
            # パラメータファイルが存在する場合はロード
            self.target_actor.load_state_dict(T.load('target_actor_params.pt', map_location=device))
            print("パラメータファイルをロードしました:", 'target_actor_params.pt')
        else:
            print("パラメータファイルが見つかりません:", 'target_actor_params.pt')


        # target_actorネットワークをGPUへ転送
        self.target_actor.to(device)

        # 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(device=self.device, beta=self.beta, n_obs_space=self.n_obs_space, n_action_space=self.n_action_space,
                                    layer1_size=self.layer1_size, layer2_size=self.layer2_size, layer3_size=self.layer3_size, batch_size=self.batch_size)

        if os.path.isfile('target_critic_params.pt'):
            # パラメータファイルが存在する場合はロード
            self.target_critic.load_state_dict(T.load('target_critic_params.pt', map_location=device))
            print("パラメータファイルをロードしました:", 'target_critic_params.pt')
        else:
            print("パラメータファイルが見つかりません:", 'target_critic_params.pt')

         # target_criticネットワークをGPUへ転送
        self.target_critic.to(device)

        # 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(device=self.device, beta=self.beta, n_obs_space=self.n_obs_space, n_action_space=self.n_action_space,
                                    layer1_size=self.layer1_size, layer2_size=self.layer2_size, layer3_size=self.layer3_size, batch_size=self.batch_size)


        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.critic.load_state_dict(T.load('critic_params.pt', map_location=device))
            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')
            
        # criticネットワークをGPUへ転送
        self.critic.to(device)
        
        # 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): # GPU対応済み
        #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。
        obs = obs.to(device)
        action = self.actor.forward(obs)
        action = action.cpu()

        # 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)


        # 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).to(device)
        actions = T.tensor(actions, dtype=T.float32).to(device)
        rewards = T.tensor(rewards, dtype=T.float32).to(device)
        next_states = T.tensor(next_states, dtype=T.float32).to(device)
        terminals = T.tensor(terminals, dtype=T.float32).to(device)


        # 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).to(device)
        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
        self.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
        self.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())


        # 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)


# データをCSVファイルに追記保存する関数
def append_data_to_csv(episode, total_reward, actor_loss, critic_loss, file_path):
    with open(file_path, 'a', newline='') as csvfile:
        writer = csv.writer(csvfile)
        writer.writerow([episode, total_reward, actor_loss, critic_loss])

#### =================== メインスクリプト ======================= ####

device = T.device('cuda' if T.cuda.is_available() else 'cpu') # cuda追加
device = 'cpu' # 強制的にcpuを使う

EVAL_TRAIN_MODE = 'eval_mode' # eval_mode 評価モードか train_mode 訓練モードかを選択
EPISODES = 1001 # episodes
STEPS = 300    # steps
DELAY_TIME = 0.00 # sec
print('Selected Mode : ', EVAL_TRAIN_MODE)

# 2.エージェントクラスのインスタンスを生成する

agent = AgentDDPG(device=device, alpha=0.0001, beta=0.0001, gamma=0.99, tau=0.01,
                  n_obs_space=17 , n_action_space=6, n_state_action_value=1,
                  layer1_size=32, layer2_size=32, layer3_size=32, batch_size=64, mode=EVAL_TRAIN_MODE) # cuda追加

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)


    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 # GPU対応済み


        next_state, reward, done, _, info = env.step(action)
        #print('next_state, reward, done, _, info :', next_state, reward, done, _, info)

        #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(agent.actor_loss) 
    critic_losses.append(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, float(agent.actor_loss), float(agent.critic_loss))
    

    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. ====')

    append_data_to_csv(episode, total_reward, float(agent.actor_loss), float(agent.critic_loss), 'total_reward.csv')

#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.')

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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

import csv

# 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

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, device, alpha=0.001, n_obs_space=17, n_action_space=6,

layer1_size=256, layer2_size=256, layer3_size=256, batch_size=64):

#print('ActorNN.__init__ is working.')

super(ActorNN, self).__init__()

self.fc1 = nn.Linear(n_obs_space, layer1_size)

f1 = 1 / np.sqrt(self.fc1.weight.data.size()[0]) # Heの初期値

nn.init.uniform_(self.fc1.weight, -f1, +f1) # 重み初期値　-fから+fの範囲で一様分布

nn.init.uniform_(self.fc1.bias, -f1, +f1) # バイアス初期値 -fから+fの範囲で一様分布

self.bn1 = nn.LayerNorm(layer1_size) #レイヤーノーマライゼーション

self.fc2 = nn.Linear(layer1_size, layer2_size)

f2 = 1 / np.sqrt(self.fc2.weight.data.size()[0]) # Heの初期値

nn.init.uniform_(self.fc2.weight, -f2, +f2) # -fから+fの範囲で一様分布

nn.init.uniform_(self.fc2.bias, -f2, +f2) # -fから+fの範囲で一様分布

self.bn2 = nn.LayerNorm(layer2_size) #レイヤーノーマライゼーション

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)

#self.optimizer = optim.SGD(self.parameters(), lr=alpha)

def forward(self, obs):

#print('AgetDDPG.ActorNN.forward is working')

#print('====ここまではOK1====')

x = self.fc1(obs)

x = self.bn1(x)

x = F.relu(x)

x = self.fc2(x)

x = self.bn2(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, device, beta=0.001, n_obs_space=17, n_action_space=6,

layer1_size=256, layer2_size=256, layer3_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)

f1 = 1 / np.sqrt(self.fc1.weight.data.size()[0]) # Heの初期値

nn.init.uniform_(self.fc1.weight, -f1, +f1) # 重み初期値　-fから+fの範囲で一様分布

nn.init.uniform_(self.fc1.bias, -f1, +f1) # バイアス初期値 -fから+fの範囲で一様分布

self.bn1 = nn.LayerNorm(layer1_size) #レイヤーノーマライゼーション

self.fc2 = nn.Linear(layer1_size, layer2_size)

f2 = 1 / np.sqrt(self.fc2.weight.data.size()[0]) # Heの初期値

nn.init.uniform_(self.fc2.weight, -f1, +f1) # 重み初期値　-fから+fの範囲で一様分布

nn.init.uniform_(self.fc2.bias, -f1, +f1) # バイアス初期値 -fから+fの範囲で一様分布

self.bn2 = nn.LayerNorm(layer2_size) #レイヤーノーマライゼーション

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)

#self.optimizer = optim.SGD(self.parameters(), lr=beta)

def forward(self, obs, action):

input_data = T.cat([obs, action], dim=1)

x = self.fc1(input_data)

x = self.bn1(x)

x = F.relu(x)

x = self.fc2(x)

x = self.bn2(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, device, 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, layer3_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.device = device

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

self.layer3_size = layer3_size

# 13.バッチサイズを決めておく

self.batch_size = batch_size

self.actor = ActorNN(device=self.device, alpha=self.alpha, n_obs_space=self.n_obs_space, n_action_space=self.n_action_space,

layer1_size=self.layer1_size, layer2_size=self.layer2_size, layer3_size=self.layer3_size, batch_size=self.batch_size)

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.actor.load_state_dict(T.load('actor_params.pt', map_location=device))

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')

# actorネットワークをGPUへ転送

self.actor.to(device)

# 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(device=self.device, alpha=self.alpha, n_obs_space=self.n_obs_space, n_action_space=self.n_action_space,

layer1_size=self.layer1_size, layer2_size=self.layer2_size, layer3_size=self.layer3_size, batch_size=self.batch_size)

if os.path.isfile('target_actor_params.pt'):

# パラメータファイルが存在する場合はロード

self.target_actor.load_state_dict(T.load('target_actor_params.pt', map_location=device))

print("パラメータファイルをロードしました:", 'target_actor_params.pt')

else:

print("パラメータファイルが見つかりません:", 'target_actor_params.pt')

# target_actorネットワークをGPUへ転送

self.target_actor.to(device)

# 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(device=self.device, beta=self.beta, n_obs_space=self.n_obs_space, n_action_space=self.n_action_space,

layer1_size=self.layer1_size, layer2_size=self.layer2_size, layer3_size=self.layer3_size, batch_size=self.batch_size)

if os.path.isfile('target_critic_params.pt'):

# パラメータファイルが存在する場合はロード

self.target_critic.load_state_dict(T.load('target_critic_params.pt', map_location=device))

print("パラメータファイルをロードしました:", 'target_critic_params.pt')

else:

print("パラメータファイルが見つかりません:", 'target_critic_params.pt')

# target_criticネットワークをGPUへ転送

self.target_critic.to(device)

# 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(device=self.device, beta=self.beta, n_obs_space=self.n_obs_space, n_action_space=self.n_action_space,

layer1_size=self.layer1_size, layer2_size=self.layer2_size, layer3_size=self.layer3_size, batch_size=self.batch_size)

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.critic.load_state_dict(T.load('critic_params.pt', map_location=device))

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')

# criticネットワークをGPUへ転送

self.critic.to(device)

# 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): # GPU対応済み

#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。

obs = obs.to(device)

action = self.actor.forward(obs)

action = action.cpu()

# 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)

# 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).to(device)

actions = T.tensor(actions, dtype=T.float32).to(device)

rewards = T.tensor(rewards, dtype=T.float32).to(device)

next_states = T.tensor(next_states, dtype=T.float32).to(device)

terminals = T.tensor(terminals, dtype=T.float32).to(device)

# 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).to(device)

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

self.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

self.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())

# 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)

# データをCSVファイルに追記保存する関数

def append_data_to_csv(episode, total_reward, actor_loss, critic_loss, file_path):

with open(file_path, 'a', newline='') as csvfile:

writer = csv.writer(csvfile)

writer.writerow([episode, total_reward, actor_loss, critic_loss])

#### =================== メインスクリプト ======================= ####

device = T.device('cuda' if T.cuda.is_available() else 'cpu') # cuda追加

device = 'cpu' # 強制的にcpuを使う

EVAL_TRAIN_MODE = 'eval_mode' # eval_mode 評価モードか train_mode 訓練モードかを選択

EPISODES = 1001 # episodes

STEPS = 300 # steps

DELAY_TIME = 0.00 # sec

print('Selected Mode : ', EVAL_TRAIN_MODE)

# 2.エージェントクラスのインスタンスを生成する

agent = AgentDDPG(device=device, alpha=0.0001, beta=0.0001, gamma=0.99, tau=0.01,

n_obs_space=17 , n_action_space=6, n_state_action_value=1,

layer1_size=32, layer2_size=32, layer3_size=32, batch_size=64, mode=EVAL_TRAIN_MODE) # cuda追加

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)

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 # GPU対応済み

next_state, reward, done, _, info = env.step(action)

#print('next_state, reward, done, _, info :', next_state, reward, done, _, info)

#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(agent.actor_loss)

critic_losses.append(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, float(agent.actor_loss), float(agent.critic_loss))

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. ====')

append_data_to_csv(episode, total_reward, float(agent.actor_loss), float(agent.critic_loss), 'total_reward.csv')

#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.')

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