本文为 AI 研习社编译的技术博客，原标题 ：
Curiosity in Deep Reinforcement Learning
作者 | Michael Klear
翻译 | 凝决2018
校对 | 酱番梨 整理 | 菠萝妹
原文链接：
https://towardsdatascience.com/curiosity-in-deep-reinforcement-learning-understanding-random-network-distillation-747b322e2403
深度强化学习中的好奇心
早期一个很难的深度强化学习任务，蒙特祖马的复仇，随着随机网络蒸馏探索取得了重大突破（来源：Parker Brothers Blog）。
Atari游戏是流行的深度强化学习（RL）算法基准任务。Atari很好地平衡了简单性和复杂性：一些游戏（例如Pong），简单到可以使用像香草策略梯度这样的基本算法来解决；而其他游戏则足够复杂，甚至可以难倒最先进的算法。
在最简单和最复杂游戏之间的一系列有用任务，已经成为很多深度强化学习研究论文的核心。
来自OpenAI博客。
之前“未解决的”Atari游戏，蒙特祖玛的复仇， 最近被一种算法（在某种程度上）解决了，该算法能够在得分方面超越人类表现。研究人员能够鼓励智能体探索级别1的不同房间，这是在此游戏中赢得积分的好方法。
通过好奇心探索
人类玩冒险游戏（如蒙特祖玛的复仇）时，有一种内在的探索欲望。游戏设计师构建此类游戏鼓励这种行为，通常要求玩家进行探索后才能继续游戏。这可以说是冒险游戏有趣的原因（问问任何一个喜欢玩《天际》的人。）
像《蒙特祖玛的复仇》或《天际》这样的冒险游戏充分利用了玩家的自然探索欲望，使探索成为完成游戏任务的关键组成部分。
一般的深度强化学习算法表现“探索”典型的方式是通过随机策略：从神经网络提供的动作似然分布中随机采样动作。其结果，特别在早期（当策略没有时间收敛时），是明显的随机行动选择。
此种方法在某些情况下有效。例如，Pong的解决方法是随机转动桨页并观察结果。幸运的话，球偏转可以启动优化。
在类似《蒙特祖马的复仇》这样的游戏中，这种方法是行不通的。试想从游戏一开始，头像随机左右移动、随机跳跃，结果就是陷入熔岩，或者在没有获得积分的情况下直接走进敌人。没有积分或奖励，算法得不到优化的信号。
所以，你就打算随机随意连枷？祝你好运（来源）。
好奇心
强调寻找更好的探索方法已经有很多次了。基于好奇心的探索可以被视为人类玩家好奇心驱动行为的一次尝试。
但是我们如何创造一个好奇智能体呢？
实现这个想法有多种方式。其中一种，即使用下一状态预测，因其简单性和可扩展性显得十分有趣。
基本思路是在培养独立预测模型同时培养策略模型。该预测模型输入观察到的当前状态和所选动作，并为下次观察做出预测。
对于探索充分的轨迹，我们假设损失很小（因为通过监督学习，我们不断培养预测模型）；对于探索不充分的轨迹，我们假设损失会很大。
那么，我们可以做的是创建一个新的奖励函数（称为“内在奖励”），它提供与预测模型的损失成比例的奖励。因此，当探索新的轨迹时，智能体接收到强烈的奖励信号。
（a）级别1学习探索 （b）级别2更快速的探索
在马里奥模拟器任务（源）中使用下一次预测，“学习探索” 由级别1中的好奇心，通向级别2的更快速的探索。
这种技术在超级马里奥模拟器中产生了一些令人鼓舞的结果。
拖延智能体：电视问题
这种技术并不完美。一个已知问题是：智能体被环境中的随机元素或嘈杂元素吸引。这钟情况有时被称为“白噪声”问题或“电视问题”; 亦被称为“拖延”。
为证明这种效果，想象一个智能体，通过观察他看到的像素学习在迷宫中导航。
下一状态预测引起智能体学习迷宫成功导航的好奇心（来源）。
智能体很好的完成了任务;他开始寻找未迷宫未被探索的部分，因为他有能力在探索充分的地区做出良好的预测（或者说，他无法在未开发的地区做出好的预测。）
现在在迷宫的墙上放置一个“电视”，快速连续地显示随机选择的图像。由于图像的随机来源，智能体无法准确预测接下来会出现什么图像。预测模型将产生高损失，从而为智能体提供高“内在”奖励。最终结果是智能体倾向于停下看电视，而不是继续探索迷宫。
在环境（来源）中，当智能体面对电视，或随机噪声来源时，下一状态预测引起智能体好奇心最终导致 “拖延”。
用随机网络蒸馏避免拖延。
OpenAI一些优秀的人最近发表了一篇论文，提出噪音电视问题的解决方案，随机网络蒸馏（RND）探索。
这里的新颖想法是将类似的技术应用于下一状态预测方法，但是去除对先前状态的依赖性。
下一状态预测 对比RND概述（来源）。
RND不是预测下一个状态，而是从下一个状态进行观察，并尝试对下一个状态进行预测。这是一个非常微不足道的预测，对吗？
RND随机网络目的是采用这个微小的预测任务并将其转换为硬预测任务。
使用随机网络
这是一个聪明的，但却反直觉的解决方案。
想法是，我们使用随机初始化的神经网络将观察结果映射到潜在的观察向量。这个函数本身的输出实际上并不重要;重要的是我们有一些未知的确定性函数（一个随机初始化的神经网络）以某种方式转换观察结果。
因此，我们的预测模型的任务不是预测下一个状态，而是预测给定观察状态的未知随机模型的输出。我们训练这个模型使用随机网络输出标签。
当智能体在熟悉的状态中，预测模型应该很好地预测来自随机网络的预期输出。当智能体处于不熟悉状态时，预测模型将对随机网络输出做出不良预测。
通过这种方式，我们可以定义一个内在的奖励函数，该函数再次与预测模型的损失成比例。
内在奖励计算的概念性概述。仅使用下一状态观察。
这可以被解释为“新颖性检测”方案，其中预测模型进行新的观察或不熟悉观察时，计算的损失更高。
作者使用MNIST作为这个想法的概念验证。在这个实验中，他们通过随机初始化的神经网络提供MNIST一类字符。然后，在给定输入条件下，他们训练并行网络预测随机网络的输入。正如预期的那样，当目标类的训练样例数量增加时，他们会看到并行网络对目标类丢失的损失。
数据2：MNIST上的新颖性检测：预测器网络模仿随机初始化的目标网络。 训练数据包括来自“0”类的不同比例的图像和目标类别。各条曲线表示MSE测试显示的针对目标类的训练例数绘制的目标类例（对数）
研究论文中的MNIST概念验证。
通过这种方式，当智能体看到随机噪声源时，它不会卡住。它不再试图预测屏幕上不可预测的下一帧，而只需要了解这些帧如何被随机网络转换。
探索蒙特祖玛的复仇
由于解决方案不好，之前的下一状态预测好奇心机制无法解决蒙特苏马的复仇，但RND似乎已经克服了这些问题。
由好奇心驱动的智能体探索房间，并学习收集钥匙，以便他们解锁新房间。
尽管取得了这样的成功，但智能体只是“偶尔”通过了级别1。这是因为通过最后一道门完成关卡，需要严格管理钥匙使用。需要通过内部状态模型（如LSTM）来克服这一障碍。
因此，虽然RND已经让智能体在得分方面超过了人类的平均表现，但在掌握游戏之前还有很长的路要走。
这是关于深度强化学习算法实验一系列帖子的一部分。查看系列中之前的一些帖子：
了解演进的策略梯度。
感谢Ludovic Benistant。
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