Автор статьи: Артем Михайлов

В области искусственного интеллекта и машинного обучения, SARSA (State-Action-Reward-State-Action) является одним из фундаментальных алгоритмов обучения с подкреплением. Он широко применяется в реализации различных задач, включая игровые приставки, роботов и системы автопилотирования. В данной статье мы рассмотрим определение SARSA и обсудим его значимость в области искусственного интеллекта и машинного обучения.

Определение SARSA

SARSA - это алгоритм обучения с подкреплением, который используется для решения задачи управления марковским процессом принятия решений. Он основан на идее обучения с подкреплением, где агент взаимодействует с окружающей средой, выбирая действия и получая награды или штрафы за свои действия. Цель SARSA - научить агента выбирать оптимальные действия в разных состояниях среды, чтобы максимизировать общую полученную награду.

В алгоритме SARSA каждый шаг обучения состоит из последовательности: выбор действия a, переход в новое состояние s', получение награды r, выбор нового действия a', и обновление оценки значения действия Q(s,a). Опираясь на эту последовательность, агент оценивает значения Q(s,a) для каждой пары состояние-действие, совершая обновление на каждом шаге.

Основные принципы SARSA

Марковский процесс принятия решений

Марковский процесс принятия решений (MDP) - это математическая модель, используемая для формализации задачи управления в условиях неопределенности. MDP состоит из состояний, действий, функции перехода, функции награды и горизонта времени. SARSA базируется на концепции MDP, где агент принимает решения на основе текущего состояния и выбирает действие, чтобы максимизировать общую получаемую награду в течение определенного горизонта времени.

Q-функция и ее обновление

Q-функция является оценкой значения состояния-действия (state-action) в MDP. Она представляет собой функцию, которая вычисляет ожидаемую общую получаемую награду в будущем при выборе определенного действия в текущем состоянии. В SARSA-алгоритме Q-функция обновляется на основе выбранного действия, следующего состояния, награды и нового выбранного действия.

Принцип SARSA

State-Action-Reward-State-Action. SARSA получил свое название от последовательности состояний (State), действий (Action), наград (Reward) и следующих состояний (State), которые используются при обновлении Q-функции. В соответствии с принципом SARSA, агент выбирает действие a на основе текущего состояния s, взаимодействует с окружающей средой, получает награду r и переходит в новое состояние s'. Затем агент выбирает новое действие a' в новом состоянии s' и обновляет Q-значение для пары состояние-действие Q(s,a).

Основные шаги SARSA-алгоритма:

1. Инициализация Q-функции. Начальные значения Q-функции устанавливаются случайными или нулевыми.

2. Наблюдение состояния. Агент наблюдает текущее состояние окружающей среды.

3. Выбор действия. Агент выбирает действие на основе стратегии выбора, например, эпсилон-жадная стратегия.

4. Взаимодействие с окружающей средой. Агент выполняет выбранное действие и взаимодействует с окружающей средой.

5. Наблюдение нового состояния и награды. Агент наблюдает новое состояние и получает награду за выполненное действие.

6. Обновление Q-функции. Агент обновляет Q-значение для пары состояние-действие на основе полученных данных.

7. Повторение шагов. Шаги 2-6 повторяются до достижения условия остановки, например, достижения максимального количества эпох обучения или достижения сходимости Q-функции.

Реализация SARSA

Выбор функции награды и модели состояний

Перед реализацией SARSA необходимо определить функцию награды, которая будет использоваться для оценки действий агента. Функция награды должна быть выбрана таким образом, чтобы способствовать достижению конечной цели агента и стимулировать желательные действия. Также, важно определить модель состояний, которая будет отражать окружение агента и предоставлять информацию о текущем состоянии.

Выбор стратегии обновления Q-функции

Одним из ключевых аспектов реализации SARSA является выбор стратегии обновления Q-функции. Q-функция является оценочной функцией, которая отображает пару состояние-действие на ожидаемую общую награду от выполнения этого действия в данном состоянии. В SARSA обновление Q-функции происходит путем учета текущего состояния, выбранного действия, полученной награды, нового состояния и выбранного в нем нового действия. Существуют различные подходы к обновлению Q-функции, такие как метод временной разности или градиентный спуск.

Использование эпсилон-жадной стратегии для балансировки исследования и эксплуатации

Одной из сложностей обучения с подкреплением является задача балансировки между исследованием и эксплуатацией. Агенту необходимо исследовать окружающую среду, чтобы определить оптимальные действия, но при этом он должен также использовать полученный опыт для максимизации общей награды. Для этого в реализации SARSA часто используется эпсилон-жадная стратегия, которая позволяет агенту с некоторой вероятностью выбирать случайное действие (исследование) и с вероятностью 1-epsilon - выбирать действие с максимальной ожидаемой наградой (эксплуатация). Такой подход позволяет достигать баланса между исследованием и использованием накопленного знания.

Применение SARSA

Решение задач обучения с подкреплением

SARSA является одним из наиболее эффективных алгоритмов для решения задач обучения с подкреплением. Он позволяет агенту учиться на основе взаимодействия с окружающей средой, выбирая действия и обновляя значения Q-функции на каждом шаге. Это дает возможность агенту улучшать свою стратегию с течением времени, максимизируя получаемую награду.

Применение в игровых сценариях

SARSA широко применяется в игровых сценариях, где агент должен принимать решения на основе текущего состояния игры. Алгоритм может использоваться для обучения искусственных соперников в играх, чтобы они могли принимать оптимальные решения и адаптироваться к игровым условиям. SARSA позволяет создавать более интеллектуальных и реалистичных соперников, что улучшает игровой опыт пользователей.

Применение в робототехнике

SARSA также находит применение в области робототехники, где агент-робот должен принимать решения на основе текущего состояния окружающей среды. Алгоритм позволяет роботам обучаться на основе взаимодействия с окружением и находить оптимальные действия для достижения целей, таких как навигация в неизвестной среде или выполнение задач манипуляции. SARSA помогает роботам повысить эффективность и адаптивность в различных задачах, что особенно полезно в сложных сценариях.

Преимущества и ограничения SARSA

Преимущества SARSA:

1. Универсальность. SARSA может быть применен к широкому спектру задач обучения с подкреплением, включая игровые сценарии, робототехнику, автопилотирование и другие.

2. Итеративное обучение. Алгоритм SARSA позволяет агенту постепенно улучшать свою стратегию на основе взаимодействия с окружающей средой и полученных наград.

3. Способность к обновлению. SARSA позволяет агенту динамически обновлять оценки действий на основе текущей информации о состоянии и полученных наградах.

4. Работа с неполной информацией. Алгоритм SARSA может успешно работать, даже если некоторые аспекты среды или состояний неизвестны или недоступны.

Ограничения и возможные потенциальные проблемы SARSA:

1. Проблема временного различия. SARSA обновляет оценки действий на основе недетерминированной информации о следующем действии, что может влиять на полученные результаты.

2. Зависимость от выбранной стратегии. Эффективность SARSA может зависеть от выбранной стратегии обновления Q-функции, и неправильный выбор может вести к неправильным оценкам действий.

3. Высокая вычислительная сложность. SARSA может потребовать значительных вычислительных ресурсов для обучения в сложных и больших средах.

4. Проблема исследования и эксплуатации. Стандартная стратегия SARSA может иметь проблему балансирования исследования (exploration) и эксплуатации (exploitation) - недостаточное исследование может привести к пропуску оптимальных решений, а слишком много исследования может замедлить обучение.

Пример реализации на Python

Давайте представим, что у нас есть игровое поле размером N x M, где N - количество строк, а M - количество столбцов. Целью агента является достижение определенной клетки на поле с максимальной суммарной наградой. Однако, по пути к цели будут присутствовать препятствия, которые агент должен избегать. Передвижение агента на поле разрешено только по горизонтали и вертикали. Каждое действие, совершаемое агентом, имеет некоторую стоимость, которая влияет на выбор оптимального пути.

Для начала, создадим игровое поле и определим его состояния, действия и награды. Затем, мы инициализируем таблицу Q-значений для каждого состояния-действия.

import numpy as np

# Создание игрового поля
N = 5
M = 5
game_field = np.zeros((N, M))

# Определение состояний, действий и наград
states = [(i, j) for i in range(N) for j in range(M)]
actions = ['вверх', 'вниз', 'влево', 'вправо']
rewards = np.array([[0, -1, -1, -1, -1], # награды для клеток
                    [-1, -1, -1, -1, -1],
                    [-1, -1, -1, -1, -1],
                    [-1, -1, -1, -1, -1],
                    [-1, -1, -1, -1, 10]])

# Инициализация таблицы Q-значений
Q_values = np.zeros((N, M, len(actions)))

Далее, мы можем перейти к основному циклу обучения алгоритма SARSA. В каждой эпизоде, агент с заданной вероятностью выбирает случайное действие или выбирает оптимальное действие на основе текущих Q-значений. Далее, агент осуществляет выбранное действие, получает награду и обновляет свои Q-значения, используя формулу SARSA. Этот процесс повторяется до тех пор, пока агент не достигнет целевой клетки.

num_episodes = 1000 # количество эпизодов обучения
alpha = 0.1 # learning rate
gamma = 0.9 # discount factor
epsilon = 0.1 # вероятность случайного действия

# Основной цикл обучения
for episode in range(num_episodes):
    state = (0, 0) # начальное состояние
    
    while state != (N-1, M-1): # пока агент не достигнет целевой клетки
        if np.random.rand() < epsilon:
            action = np.random.choice(actions) # случайное действие
        else:
            action = actions[np.argmax(Q_values[state])] # оптимальное действие
            
        next_state = make_move(state, action) # получение следующего состояния
        reward = rewards[next_state] # получение награды
        
        next_action = actions[np.argmax(Q_values[next_state])] # выбор следующего действия
        
        Q_values[state][action] += alpha * (reward + gamma * Q_values[next_state][next_action] - Q_values[state][action]) # обновление Q-значения
        
        state = next_state # обновление состояния
  
# Функция для осуществления действия
def make_move(state, action):
    # ваш код для осуществления действия
    
    return next_state

В результате обучения алгоритма, таблица Q-значений будет содержать оптимальные значения для каждого состояния-действия пары. Теперь, агент может использовать эти Q-значения для выбора оптимального пути к целевой клетке.

Заключение

В целом, алгоритм SARSA представляет собой мощный инструмент в области обучения с подкреплением и его применение может привести к достижению оптимальных стратегий в сложных и динамичных средах. Однако, для достижения наилучших результатов, важно провести дополнительные исследования и настройку параметров алгоритма в конкретной задаче.

Кстати, уже сегодня мои друзья из OTUS проведут бесплатный вебинар где расскажут про историю Reinforcement Learning для понимания того, чем это семейство алгоритмов отличается от основного машинного обучения. На вебинаре будет разобран классический пример многорукого бандита — автомата для казино, чтобы продемонстрировать возможности примитивного алгоритма RL в упрощенной среде. Также коллеги расскажут о самых знаковых приложениях RL нашего времени.

• Зарегистрироваться на бесплатный вебинар