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关于cleanRL Q-learning

news 来源：原创 2025/7/7 11:27:31

内置变量

内置变量是由编程语言解释器或运行时环境预定义的变量。
它们通常用于提供程序的元信息（如文件路径、模块名称）或控制程序行为。
在 Python 中，内置变量通常以双下划线开头和结尾，例如 __file__、__name__。

以下是一些常见的 Python 内置变量及其用途：

__file__：表示当前脚本的文件路径（包括文件名）。例如，/home/user/myscript.py。

(与os.path 或 pathlib 模块的使用--路径操作--相关)

__name__：表示当前模块的名称。如果脚本直接运行，__name__ 为 "__main__"；如果脚本被导入为模块，__name__ 为模块名。
__doc__：包含模块、类或函数的文档字符串（如果定义了）。
__package__：表示当前模块所属的包名（如果在包中）。
__builtins__：提供对内置函数和对象的访问（如 print、len）。

dataclass类

dataclass 是 Python 3.7 引入的一个装饰器，它可以自动为类生成一些特殊方法，比如 __init__、__repr__ 和 __eq__。这意味着你不需要手动编写这些方法，从而简化了类的定义

init: 自动生成 __init__ 方法，用于初始化类实例的属性。
repr: 自动生成 __repr__ 方法，用于生成一个字符串表示，方便打印和调试。
eq: 自动生成 __eq__ 方法，用于比较两个类实例是否相等 [1]

用途：

使用 @dataclass 装饰器，可以清晰地表明 Args 类是一个用来存储实验参数的数据结构，而不是一个包含复杂逻辑的对象。

类中，每个属性都有明确的类型提示（例如 str, int, float, bool），这增加了代码的可读性和可维护性，并且方便进行静态类型检查。

tyro 这个库可以很好地与 dataclass 集成，自动根据 Args 类中定义的属性和类型来解析命令行参数。这使得命令行参数的处理变得非常方便和自动化。

Gymnasium 中的 Wrappers

将 Wrapper 理解为一个层，它位于你的智能体和原始环境之间。当智能体与环境交互时，首先经过 Wrapper 层，Wrapper 可以对智能体的动作进行修改，或者对环境返回的观测、奖励、终止信号等进行修改，然后再将处理后的信息传递给智能体。

Wrappers 提供了一种标准化的、模块化的方式来修改环境的行为，对于常见的环境预处理（尤其是在图像观测的强化学习中）具有很好的泛化性。然而，特定的 Wrapper 配置是否具有泛化性取决于环境的类型、任务的需求以及所使用的强化学习算法。对于不同的场景，你可能需要选择或自定义适合的 Wrapper。

Atari 环境的这些 Wrapper (NoopResetEnv, MaxAndSkipEnv, EpisodicLifeEnv, FireResetEnv, ClipRewardEnv, ResizeObservation, GrayScaleObservation, FrameStack) 是一套在 Atari 游戏强化学习中非常经典的预处理步骤，它们旨在标准化 Atari 环境的接口，使其更适合于像 DQN 这样的算法进行训练。

卷积层

特征图数量变多，尺寸变小->下采样

32 个卷积核在滑动覆盖输入特征图时，它们覆盖的区域是相同的，但它们学习到的特征是不同的。

可以这样理解：

每个卷积核：每个卷积核都有自己独特的权重。当它在输入特征图上滑动时，它会对每个覆盖的区域进行点积运算。由于每个卷积核的权重不同，它们会检测输入中不同的模式或特征，例如边缘、角点、纹理等。

TensorBoard

TensorBoard 是 TensorFlow 生态的一部分，但它也可以与 PyTorch 等其他深度学习框架一起使用，通过写入特定格式的数据到日志文件，然后用 TensorBoard 工具来读取和展示。

Scalars: 可视化训练过程中的标量值（性能）变化，如损失 (loss)、准确率 (accuracy)、学习率 (learning rate) 等。这些值会随着训练步数或时间的变化绘制成曲线图，方便观察训练趋势。
Graphs: 可视化模型的计算图（Computational Graph），展示模型各层之间的连接关系。这有助于理解模型结构，以及识别潜在的问题。
Histograms: 可视化张量（如模型权重或激活值）随时间变化的分布。通过直方图，你可以观察到权重是否在训练过程中发生剧烈变化（梯度爆炸/消失），或者激活值是否集中在某个范围。
Distributions: 以更紧凑的方式可视化张量分布随时间的变化，通常以热力图的形式展示。
Images: 可视化训练过程中的图像数据，例如输入图像、模型生成的图像或特征图。
Audio: 可视化训练过程中的音频数据。
Text: 可视化训练过程中的文本数据。
Projector: 可视化高维数据（如词嵌入或模型中间层的特征）在低维空间（2D 或 3D）的投影。

要更改配置、优化模型性能，特别是在强化学习任务中，你需要了解并调整以下几个关键参数和步骤（代码链接https://github.com/vwxyzjn/cleanrl/blob/master/cleanrl/dqn_atari.py）

1. 算法参数 (args):

在你的代码中，Args 这个 dataclass 定义了大部分可以调整的参数。更改这些参数会直接影响模型的训练行为和性能。一些重要的参数包括：

learning_rate: 优化器的学习率。
- 影响: 决定了模型参数每次更新的步长。过大的学习率可能导致训练不稳定甚至发散，过小的学习率可能导致训练缓慢。
- 调整: 尝试不同的学习率，通常从 1e-4 或 3e-4 开始，然后可以尝试更大或更小的值（例如，乘以或除以 3 或 10）。
gamma: 折扣因子。
- 影响: 决定了未来奖励的重要性。越接近 1，未来奖励的影响越大，智能体倾向于追求长期收益；越接近 0，智能体越关注短期奖励。
- 调整: 在 Atari 游戏中，0.99 是一个常用的值。
buffer_size: 回放缓冲区大小。
- 影响: 决定了智能体存储经验的数量。更大的缓冲区可以存储更多样化的经验，有助于打破数据之间的相关性，但会占用更多内存。
- 调整: 根据可用内存和任务需求进行调整。对于 Atari 游戏，100 万通常是一个合理的大小。
batch_size: 采样批次大小。
- 影响: 每次从回放缓冲区采样多少经验用于训练。更大的批次通常可以提供更稳定的梯度估计，但也需要更多计算资源。
- 调整: 32 是一个常用的大小。可以尝试 64 或 128。
start_e 和 end_e 以及 exploration_fraction: 控制 epsilon-greedy 策略的探索衰减。
- 影响: 决定了智能体在训练过程中是更多地探索（随机动作）还是更多地利用（选择最优动作）。
- 调整: 调整起始、结束 epsilon 值和衰减时长，以找到探索与利用之间的最佳平衡。早期的探索有助于智能体发现更好的策略，后期的利用有助于收敛到最优策略。
target_network_frequency: 更新目标网络的频率。
- 影响: 决定了目标网络多久与 Q 网络同步一次。更频繁的更新可能导致训练不稳定，不频繁的更新可能导致目标不准确。
- 调整: 通常是一个经验值，可以尝试调整。
tau: 目标网络的软更新率 (Soft Update Rate)。
- 影响: 决定了目标网络权重更新的平滑程度。tau = 1.0 是硬更新，将 Q 网络的权重完全复制到目标网络；小于 1.0 是软更新，以一定的比例混合新旧权重。软更新可以使训练更稳定。
- 调整: 如果使用软更新，通常会设置一个较小的值，例如 0.005 或 0.01。你的代码中使用了 tau = 1.0，表示硬更新。

2. 模型架构 (QNetwork):

更改 Q 网络的结构也会显著影响模型性能。

卷积层: 调整卷积核大小、步长、填充和通道数。这些会影响模型提取图像特征的能力。
全连接层: 调整全连接层的层数和神经元数量。这会影响模型处理特征并输出 Q 值的能力。
激活函数: 尝试不同的激活函数（如 Leaky ReLU、ELU 等）。
网络深度和宽度: 增加或减少网络的层数和每层的神经元数量。更深或更宽的网络理论上可以学习更复杂的函数，但也更容易过拟合和训练困难。

3. 环境和 Wrapper 配置:

对环境的预处理和 Wrapper 配置也会影响模型的输入和训练效果。

Wrappers 的选择和参数: 确保使用的 Wrappers 和其参数适合你的任务。例如，对于非 Atari 环境，你可能不需要所有的 Atari Wrapper。
观测空间的归一化: 在你的代码中，观测被除以 255.0 进行归一化。这是图像数据常用的归一化方法。对于其他类型的观测，可能需要采用不同的归一化方法。

4. 训练过程和技巧:

除了参数和模型，训练过程本身也包含可以优化的步骤和技巧。

优化器: 尝试不同的优化器（如 AdamW、RMSprop 等）及其参数。
学习率调度: 除了线性的 epsilon 调度，还可以考虑学习率调度，例如阶梯衰减、指数衰减等，以在训练的不同阶段调整学习率。
正则化: 添加正则化技术（如 L1 或 L2 正则化）以防止过拟合，尤其是在模型较大时。
梯度裁剪: 对梯度进行裁剪，防止梯度爆炸。
批量归一化 (Batch Normalization) 或 层归一化 (Layer Normalization): 在神经网络中添加归一化层，有助于稳定训练和加速收敛。
优先经验回放 (Prioritized Experience Replay): 一种改进的回放缓冲区采样策略，优先采样那些具有更高 TD Error 的经验，可以提高训练效率。
Multi-step Learning: 在计算 TD 目标时，考虑多步的奖励，而不是仅仅下一步的奖励。
Double DQN: 一种改进的 DQN 算法，通过解耦动作选择和 Q 值评估来解决 Q 值过估计的问题。

优化模型的步骤：

理解基线性能: 首先使用你的当前代码运行一个实验，并在 TensorBoard 中记录结果，作为你的基线性能。
逐个调整参数: 一次只修改一个或少数几个参数，然后运行实验并与基线进行比较。这有助于 isolat 不同参数的影响。
超参数调优: 对于重要的超参数（如学习率、epsilon 衰减参数），可以考虑使用超参数搜索技术，如网格搜索、随机搜索或更高级的优化算法（如贝叶斯优化）。
模型结构调整: 在对超参数进行初步调优后，可以尝试调整模型结构，并再次进行超参数调优。
引入高级技巧: 如果基本的 DQN 性能不佳，可以考虑引入 Double DQN、Prioritized Experience Replay 等更先进的 DQN 变种。
监控和分析: 在训练过程中密切关注 TensorBoard 中的指标（损失、奖励、Q 值、SPS 等），分析训练趋势，判断模型是否存在过拟合、欠拟合或训练不稳定等问题。
评估: 在训练完成后，使用独立的评估环境来评估模型的最终性能，而不是仅仅依赖训练过程中的奖励曲线。

优化强化学习模型性能是一个迭代的过程，需要耐心和实验。通过系统地调整参数、模型和训练技巧，并结合对训练过程的深入分析，你可以逐步提高模型的性能。

内置变量

dataclass类

Gymnasium 中的 Wrappers

卷积层

TensorBoard

要更改配置、优化模型性能，特别是在强化学习任务中，你需要了解并调整以下几个关键参数和步骤（代码链接https://github.com/vwxyzjn/cleanrl/blob/master/cleanrl/dqn_atari.py）

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