【强化学习纲要】8 模仿学习「建议收藏」

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周博磊《强化学习纲要》

学习笔记

课程资料参见：
https://github.com/zhoubolei/introRL.

教材：Sutton and Barton

《
Reinforcement Learning: An Introduction》

8.1 模仿学习概要

• 什么是模仿学习？
  • 模仿学习可以把它看作是对agent policy network的一种强监督学习，在训练这个agent的时候会告诉他正确的action是什么，每一步agent都会做出一个决策。
  • 在正常的强化学习里面，agent并没有及时得到反馈每一步对不对。模仿学习是说在每一步做出行为后就可以直接告诉agent当前这一步正确行为是什么，所以就可以把它看作对行为模型的监督学习。
  • 但是这两者也不完全一致，因为这里面也有很多问题，agent是在一个时序决策过程，所以它每一步做出的影响都会影响它后面做出的决策，所以把它当作一个纯粹的监督学习还是不能满足所有的需求的。
    

8.2 Behavioral cloning and DAGGER

• 所以对于每一步的决策，很多情况下面可以采集到很多监督信号。比如说需要训练一个自动驾驶的车辆，最容易采集的就是直接在每一个出租车以及人前面装上摄像头，记录司机的行为，这样就会采集到很多的驾驶数据，那么我们可以把它转换成一个监督学习的任务，相当于使得模型每一步都模仿人类世界的行为。
  • 这就是模仿学习里面比较常见的一个算法：Behavioral cloning(BC)，就是每一步都克隆人的行为。
    

Case Study: End to End Learning for Self-Driving Cars

• DAVER-2 System By Nvidia: It works to some degree!
  自动驾驶的demo。
  • 在车上面记录前置摄像头以及司机的转向行为，记录数据。然后车就在无人驾驶的情况下面输入In-vehicle camera，自动针对前置摄像头观测到的数据来进行决策。
• 利用72小时人类开车的数据作为训练
  
  有3个摄像头，把3个摄像头采集到的数据放入CNN网络，这里训练也同时记录了人类对方向盘的操控，用方向盘的操控作为一个训练，这样就可以得到训练强监督的办法，训练开车的agent。然后就可以在真实场景里面开车。
  
  但显而易见这样有很大的缺陷，比如你没法控制让agent左转还是右转，它只会从输入直接给一个输出，所以里面还有很多不足的地方。但是这个工作证明了Behavioral cloning是可以正常运作的。
• Example code of behavior clone: https://github.com/Az4z3l/CarND-Behavioral-Cloning

Case Study: Trail following as a classification轨迹跟踪

• A. Giusti, et al. A Machine Learning Approach to Visual Perception of Forest Trails for Mobile Robot. IEEE trans on Robotics and
  Automation
  
  
• https://youtu.be/umRdt3zGgpU
  

监督模仿学习的局限性

• 训练好的policy没法训练off-course situation。也就是说如果进入到之前没有的状态，他就不知道怎么做了。训练这个模型的时候其实用的离线数据，离线数据采集好后就固定下来了。
• agent进入之前并没有见到的状态后，会发生错误，会随着时间 $T$ 上面已知累加，会进入一个完全未知的状态。在这种情况下就没法进行一个正常的行为。
• 现在我们的问题是，怎么让agent采集到的数据和实际面临的数据分布尽可能一致？
  

Annotating More On-Policy Data Iteratively

我们可以采取的一个办法是一直保证采取更多的数据。

• 在我们训练好一个agent后，我们可以让这个agent在这个环境里面进行运作；
• 如果进入之前没有的状态，我们就把这个状态收集过来，让人给一个标签，就可以收集到这种状态，放入数据库，就可以重新收集policy网络。
• 就可以在我们deploy(部署)这个数据的时候采集更多的数据，就使得之前的数据库变得越来越完善，训练出来的agent也会越来越好。
  

DAgger: Dataset Aggregation数据集集合

这也是DAgger的核心。

• 它希望解决的问题是希望$p_{data}(o_t)$的分布和policy 采集到的数据$p_{{\pi }_{\theta }}(o_t)$尽可能一致。
• 它采取的办法是，利用初步的human data训练一个agent；让agent在环境里面进一步采集，和环境交互采集到另外一个数据库；让人给新采集到的数据进行标签；把它组合到原来的数据库里面去。再重新训练policy，这样迭代的过程就可以采集到越来越多更实际的数据，这样就可以让agent在运作的过程中，遇到的数据都是在训练数据中出现过的。
  
• 局限性是第三步是很耗时的过程。
• 因此这里可以改进的办法是可以在第三步的时候可以用其他的算法。因为有些其他的算法可能是个速度比较慢的算法，因为这里是个离线的过程可以允许比较慢的算法，或者可以用优化的办法来search最佳的结果。因此第三步可以用其他算法来产生标签这样就可以完善它的数据集，来训练policy network。

8.3 Inverse RL and GAIL

Inverse Reinforcement Learning (IRL)

• 左边是普通强化学习的情况。在强化学习里面是给定了环境，也给定了奖励函数，通过强化学习可以对价值函数以及决策函数进行参数化来优化参数。
• 右边是逆强化学习。面临的问题是相反的，给定了环境，行为（可能是policy network也可能是expert的一些示教（数据）），我们希望从这些数据里面去反推reward function。相当于我们可以把reward function进行建模变成需要去优化的一个函数。通过观测到数据去优化reward function，训练出reward function后，我们可以去新训练这个agent，模仿这个Expert agents/demonstrations的行为。

Guided Cost Learning

• Finn, et al, ICML’16. https://arxiv.org/pdf/1603.00448.pdf
  
  大致思想是由一个human demonstrations，用human demonstrations和机器人得到了行为，训练一个cost function $c_{\theta }$去优化函数，使得和policy optimization结合起来，可以使得policy network的行为和human network的行为越来越一致。

Generative Adversarial Imitation Learning(GAIL)生成对抗模仿模型

• 仿照的是GAN，GAN是在数据生成里面利用非常广的算法，利用了对抗损失函数的方法，来训练generator $G$。在GAN模型里面由generator $G$生成七 和discriminator $D$辨别器 。generator的目的是产生数据欺骗discriminator，discriminator的目的是区分开generator生成的虚假和真实的数据。通过对抗的原理就可以得到generator和discriminator。
  
• GAIL是模仿了GAN的思想。可以把demonstration trajectory $\tau$看成是sample $x$；把policy $\pi$～$q(\tau )$看成generator $G$；把reward function $r$看成discriminator $D$。
  
• 我们希望训练一个generator可以产生轨迹使得discriminator没法区分出是human产生的轨迹还是生成模型产生的轨迹。
• Ho and Ermon,NIPS’16. https://arxiv.org/pdf/1606.03476.pdf

IRL和GAIL的联系

• 在Guided Cost Learning里面是希望训练一个reward function，使得human demonstration可以maximized cost function，robot attempt可以minimized cost function。
• 在GAIL环境下面是训练了一个discriminator，是个binary分类器，使得discriminimator对robot attempt和human domostrations的区分越来越小。
• Finn, Christiano, et al. A connection between GANs, Inverse RL, and Energy-based Models. https://arxiv.org/pdf/1611.03852.pdf
  这篇论文揭示了这三者之间的联系。

8.4 进一步改进模仿学习的模型

• 这里比较重要的一点是我们采集到的demonstration很多时候可能是在同一个状态下面有多个可能的解。
  比如像绕开这棵树，可以从左边也可以从右边走。
  
  但是在采集的时候只能采集到其中一条数据。
• 因此我们希望改进能够解决：
  • Multimodal behavior多模态行为
  • Non-Markovian behavior非马尔可夫行为
• 比较直接的改进是可以把policy network建成一个mixture of Gaussians，即多峰的高斯分布的输出。因为这样的多峰的可以由很多个mode，这样就可以输出很多个action的行为。
  
• 另外我们可以把policy network进一步改进，让它实际采集的input behavior 观测把之前的观测都考虑进来，做出下一步的决策行为。
  
  所以我们输入的情况下可以把之前帧尽可能多的放到网络里面，这样这个网络就可以通过之前很多帧做出正确的决策。
  
• 更进一步的改进，比如把LSTM加入里面，把之前帧的信息做一个整合，再输出当前应该做出怎么样的行为。这样使得它做出更准确的决策。
  

Case Study: Learning from demonstration using LSTM

• Rahmatizadeh et al. Learning real manipulation tasks from virtual demonstrations using LSTM. AAAI 2018
• 很多机器人的应用里面imitation learning都是非常重要的，因为机器人的setup下，是非常贵的。如果纯粹通过强化学习trial and error的方法，去尝试的话很难学到好的policy。最好的办法是让人控制手臂，采集到demonstration，然后让机器人结合demonstration来学习就可以极大的提高它的效率。
  比如说这个工作就是在一个虚拟环境下面，通过控制一个手柄采集到了示教的数据，然后把采集到的示教的数据用到机械臂上。
• 模型中利用LSTM当成监督学习来训练它的模型。这里也用到了Mixture of Gaussians 来处理多峰的模型，因为机器人模型要控制很多jiont model，所以输出是一个连续的输出。
  
• 但是这样的机械臂控制也有一个问题，怎样scale up(提高)它的 demonstration？因为在控制手臂的时候他都是通过人来控制机器人，去示教它的值。
  
  比如之前的那个是人为的控制了650次demonstrations。
• 因此我们提出可以用==Crowd-sourcing(众包)==的办法来采集数据。

RoboTurk: Crowdsourcing Robotic Demonstrations

• RoboTurk is a crowdsourcing platform that is collecting human demonstrations of tasks such as “picking” and “assembly”;
  
• 137.5 hours of demonstration for two tasks
• 1071 successful picking demonstrations and 1147 assembly demonstrations
  

模仿学习的缺点

• 必须人为的收集数据，数据并不是很好的收集到。
• 有些比较复杂的机械情况下面，人并不是很好的提供数据，比如六旋翼的飞行桨很难通过一个遥控来采集数据
• 人的行为有的时候是非监督学习

8.5 模仿学习和强化学习结合

• 模仿学习：
  • 优点：
    • 简单稳定的监督学习
  • 缺点：
    • 需要提供demonstration
    • distributional shift(分配移位)，data分布不一致
    • 只能和demo一样好
• 强化学习：
  • 优点：
    • 可以取得比demo(人)更好的结果
  • 缺点：
    • 需要定义好reward function
    • 需要平衡exploration和exploitation
    • Potentially non-convergent
• 怎样结合起来？在训练的过程中既有人的示教demonstration又有reward function？

Simplest Combination: Pretrain预训练 & Finetune微调

• 最简单的一个方法是pretraining预训练的方法。先采集到人为的数据，然后把人为的数据监督学习得到一个初步的策略网络。得到策略网络后，再进一步用强化学习来改进初步得到的策略网络。
• Pretrain预训练 & Finetune微调
  
  先利用demonstration data，通过监督的方法得到网络；
  再进一步改进策略。
• == DAgger==
  
  相对于DAgger，是先采集human data，得到data set；
  然后把data set里面data都进行标定；
  再合成新的数据库，再训练policy。

Pretrain & Finetune for AlphaGo

• SL Policy Network:通过监督学习采集到人类选手下围棋的30million的moves 的数据，通过监督的办法先训练了policy network，
• RL policy network：然后把policy network放到self-play里面，通过强化学习的办法进一步finetune weight，这样就可以得到一个超人的行为。
  
• David Silver, et al. Mastering the ancient game of Go with Machine Learning. Nature 2016

Pretrain & Finetune for Starcraft2

• https://deepmind.com/blog/alphastar-mastering-real-time-strategy-game-starcraft-ii/
• 首先采集人类的行为训练出policy
  
• 采用Population-based and multi-agent reinforcement learning
  

Problem with the Pretrain & Finetune

当得到了一个初步的policy network后，用强化学习来训练的时候，强化学习采集到的experience可能本身是非常糟糕的，会直接摧毁policy network。
那么在这个过程中，怎么让它不要忘记demonstrations呢？

Solution: Off-policy Reinforcement Learning

• Off-policy RL是可以用任何experience，是可以把人类施教的experience也放到buffer里面。
• 把demonstration当作data在每一步都提供。
• Off-policy policy gradient (with importance sampling)
• Off-policy Q-learning

Policy gradient with demonstrations

Guided Policy Search

Q-learning with demonstrations

• Vecerik et al., ‘17, “Leveraging Demonstrations for Deep Reinforcement Learning on Robotics Problems with Sparse Rewards

Imitation learning as an auxiliary loss function

• Hybrid objective: we can combine RL and imitation learning objective
  
  第一部分是强化学习本身需要优化expectation over reward function，另外一半是直接优化极大似然imitation learning。
  面临问题：放KaTeX parse error: Undefined control sequence: \lamda at position 1: \̲l̲a̲m̲d̲a̲

Hybrid policy gradient

• Rajeswaran et al., ‘17, “Learning Complex Dexterous Manipulation with Deep Reinforcement Learning and Demonstrations”

Hybrid Q-Learning

• Hester et al., AAAI’18, “Deep Q-learning from Demonstrations”

8.6 Case studies

Case Study: Motion Imitation

• 把这个reference motion表征成一个sequence of target poses
  
• 定义一个reward function
  
• First term is imitation objective (imitate the reference motion),
  second term is task dependent
• Train with PPO
• Imitation reward is carefully designed
  
• Peng et al. SIGGRAPH’18. DeepMimic: Example-Guided Deep Reinforcement Learning of Physics-Based Character Skills
  https://xbpeng.github.io/projects/DeepMimic/index.html
• Follow-up work: how to get rid of MoCap data（在人身上贴很多标定点）
  
• Learning dynamics from videos
  
• Vision-based pose estimator
  
• Peng, et al. SFV: Reinforcement Learning of Physical Skills from Videos Transactions on Graphics (Proc. ACM SIGGRAPH Asia 2018) https://bair.berkeley.edu/blog/2018/10/09/sfv/

Two Major Problems in Imitation Learning

• How to collect expert demonstrations
  • Crowdsourcing
  • Guided policy search or optimal control for trajectory optimization
• How to optimize the policy for off-course situations
  • Simulate those situations to collect new labels
  • Use off-policy learning with the already collected samples
  • Combine IL and RL

Conclusion

• Imitation learning is an important research topic to bridge machine learning and human demonstration
  • Robot learning (learn from few samples)
  • Inverse reinforcement learning
  • Active learning
  • etc
• Recent survey: An Algorithmic Perspective on Imitation Learning: https://arxiv.org/pdf/1811.06711.pdf