随着多代理系统的出现,强化学习的复杂性不断增加。为了管理这种复杂性,像 TorchRL 这样的专门工具提供了一个强大的框架,可以开发和实验多代理强化学习(MARL)算法。本文将深入探讨如何使用 TorchRL 解决 MARL 问题,重点关注多代理环境中的近端策略优化(PPO)。
我们将使用 VMAS 模拟器,这是一个多机器人模拟器并且可以在 GPU 上进行并行训练。他的主要目标多个机器人必须导航到各自的目标,同时避免碰撞。
依赖
在开始之前,请确保安装以下依赖项:
!pip3 install torchrl
!pip3 install vmas
!pip3 install tqdm理解近端策略优化 (PPO)
PPO 是一种策略梯度算法,它迭代地从环境中采样数据,并直接使用这些数据来优化策略。这个过程包括采样和训练两个阶段,数据在收集后立即进行训练更新。这种在线方法确保策略根据与环境最近的交互持续改进。
在线学习
在 PPO 中,学习过程依赖于一个评论家(critic),它评估策略所采取行动的质量。评论家估计给定状态的价值,通过比较预期回报与实际结果来指导策略优化。
在多代理设置中,我们部署多个策略,每个代理一个,通常以分散的方式运作。每个代理的策略仅根据其局部观察来决定其行动。但是评论家可以是集中的或分散的:
- MAPPO : 评论家是集中的,以全局观察或连接的代理观察作为输入。这种方法在可获得全局状态信息的集中式训练场景中有益。
- IPPO : 评论家是分散的,仅依赖于局部观察。这种设置支持分散式训练,代理只需要局部信息。
集中式评论家有助于缓解多个代理同时学习时出现的非平稳性问题,但可能因输入的高维度性而面临挑战。
TorchRL
TorchRL是一个基于PyTorch的强化学习（Reinforcement Learning, RL）库，专为研究人员和开发者设计，旨在提供一个灵活、高效的框架来实现和实验各种RL算法。
- 与PyTorch深度集成：TorchRL充分利用了PyTorch的生态系统，使用户能够无缝地将RL算法与深度学习模型结合。
- 模块化设计：库提供了可组合的组件，允许用户轻松构建和定制RL算法。
- 高性能：TorchRL注重效率，支持GPU加速和并行化，以加快训练和推理速度。
- 多环境支持：兼容多种RL环境，包括OpenAI Gym、DeepMind Control Suite等。
- 丰富的算法实现：内置多种流行的RL算法，如DQN、PPO、SAC等。
- 扩展性：易于扩展和添加新的算法、环境和功能。
下面代码我们将使用TorchRL来完成我们的目标
1、设置超参数
我们从定义 MARL 设置的超参数开始。这些参数控制模拟和训练过程的各个方面,如设备类型、批量大小、学习率和 PPO 特定设置。
import torch
from torch import multiprocessing
# 设置设备
is_fork = multiprocessing.get_start_method() == "fork"
device = torch.device(0) if torch.cuda.is_available() and not is_fork else torch.device("cpu")
vmas_device = device # 运行 VMAS 模拟器的设备
# 采样和训练参数
frames_per_batch = 6000
n_iters = 10
total_frames = frames_per_batch * n_iters
# 训练细节
num_epochs = 30
minibatch_size = 400
lr = 3e-4
max_grad_norm = 1.0
# PPO 参数
clip_epsilon = 0.2
gamma = 0.99
lmbda = 0.9
entropy_eps = 1e-42、创建环境
TorchRL 与 VMAS 的集成允许我们高效地创建和管理多代理环境。在我们环境中多个代理必须在 LIDAR 传感器的引导下导航到各自的目标,同时避免碰撞。
from torchrl.envs.libs.vmas import VmasEnv
max_steps = 100
num_vmas_envs = frames_per_batch // max_steps
scenario_name = "navigation"
n_agents = 3
env = VmasEnv(
scenario=scenario_name,
num_envs=num_vmas_envs,
continuous_actions=True,
max_steps=max_steps,
device=vmas_device,
n_agents=n_agents,
)3、策略设计
策略网络在 PPO 中至关重要,它负责根据代理观察生成动作。鉴于环境中的连续动作空间,我们将使用 Tanh-Normal 分布来模拟动作，这样还可以决定是否在代理之间共享参数,在计算效率和行为多样性之间权衡。
from torch.nn import Sequential, Tanh
from tensordict.nn import TensorDictModule
from torchrl.modules import MultiAgentMLP, ProbabilisticActor, TanhNormal
from tensordict.nn.distributions import NormalParamExtractor
share_parameters_policy = True
# 定义策略网络
policy_net = Sequential(
MultiAgentMLP(
n_agent_inputs=env.observation_spec["agents", "observation"].shape[-1],
n_agent_outputs=2 * env.action_spec.shape[-1],
n_agents=env.n_agents,
centralised=False,
share_params=share_parameters_policy,
device=device,
depth=2,
num_cells=256,
activation_class=Tanh,
),
NormalParamExtractor(),
)
# 将网络包装在 TensorDictModule 中
policy_module = TensorDictModule(
policy_net,
in_keys=[("agents", "observation")],
out_keys=[("agents", "loc"), ("agents", "scale")],
)
# 创建概率性行动者
policy = ProbabilisticActor(
module=policy_module,
spec=env.unbatched_action_spec,
in_keys=[("agents", "loc"), ("agents", "scale")],
out_keys=[env.action_key],
distribution_class=TanhNormal,
distribution_kwargs={
"low": env.unbatched_action_spec[env.action_key].space.low,
"high": env.unbatched_action_spec[env.action_key].space.high,
},
return_log_prob=True,
log_prob_key=("agents", "sample_log_prob"),
)4、评论家网络设计
评论家网络评估状态值,指导策略更新。可以根据使用 MAPPO 还是 IPPO 来选择集中式或分散式评论家。在代理之间共享参数可以加速训练,但是可能导致同质化策略。
share_parameters_critic = True
mappo = True # 设置为 False 以使用 IPPO
critic_net = MultiAgentMLP(
n_agent_inputs=env.observation_spec["agents", "observation"].shape[-1],
n_agent_outputs=1,
n_agents=env.n_agents,
centralised=mappo,
share_params=share_parameters_critic,
device=device,
depth=2,
num_cells=256,
activation_class=Tanh,
)
critic = TensorDictModule(
module=critic_net,
in_keys=[("agents", "observation")],
out_keys=[("agents", "state_value")],
)5、数据收集
TorchRL 中的数据收集通过设计用于自动处理环境重置、动作计算和环境步进的类得到简化。所以我们可以直接使用 SyncDataCollector 来收集训练数据。
from torchrl.collectors import SyncDataCollector
collector = SyncDataCollector(
env,
policy,
device=vmas_device,
storing_device=device,
frames_per_batch=frames_per_batch,
total_frames=total_frames,
)6、训练循环
训练循环将环境、策略、评论家和数据收集器结合在一起,通过采样和训练阶段的迭代来优化代理的性能。
from torchrl.data.replay_buffers import ReplayBuffer
from torchrl.data.replay_buffers.samplers import SamplerWithoutReplacement
from torchrl.data.replay_buffers.storages import LazyTensorStorage
from torchrl.objectives import ClipPPOLoss, ValueEstimators
from tqdm import tqdm
# 重放缓冲区设置
replay_buffer = ReplayBuffer(
storage=LazyTensorStorage(
size=frames_per_batch,
device=device,
),
sampler=SamplerWithoutReplacement(),
)
# PPO 损失设置
ppo_loss = ClipPPOLoss(
actor=policy,
critic=critic,
clip_epsilon=clip_epsilon,
entropy_bonus=entropy_eps,
value_loss_coef=0.5,
gamma=gamma,
lam=lmbda,
advantage_normalization=True,
)
# 训练循环
for i in tqdm(range(n_iters)):
batch = collector.next()
replay_buffer.extend(batch)
for _ in range(num_epochs):
for minibatch in replay_buffer.sample(minibatch_size):
loss = ppo_loss(minibatch)
loss.backward()
torch.nn.utils.clip_grad_norm_(ppo_loss.parameters(), max_grad_norm)
optimizer.step()
optimizer.zero_grad()这样我们完整的代码就完成了，可以看到通过TorchRL，可以减少我们很多的代码开发工作。
总结
本文提供了使用 TorchRL 和 PPO 实现 MARL 解决方案的全面指南。通过这些步骤,可以在多代理环境中训练代理以导航复杂任务,同时利用 GPU 加速模拟和并行计算的力量。无论选择集中式还是分散式评论家,TorchRL 都提供了设计和实验不同 MARL 架构,可以帮助你解决多代理强化学习的复杂性。
