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4. 奖励函数设置

news 2024/11/14 20:39:08

奖励函数的设计取决于具体的任务目标，因为奖励函数直接影响智能体的行为和学习效果。在设计奖励函数时，通常需要根据任务的特性和最终目标来定义一个合理的奖励信号，使智能体能够通过最大化累积奖励来达到预期的效果。

以下是一些奖励函数设计的基本原则和常见示例。

1. 确定任务目标

首先明确任务的目标。奖励函数需要驱动智能体完成特定目标，因此奖励的定义应该直接反映任务的成功条件。例如：

导航任务：奖励智能体接近目标点，惩罚偏离轨迹或撞到障碍物。
控制任务：奖励智能体保持稳定或快速达到目标状态，惩罚能量消耗或抖动。
连续动作任务：奖励智能体完成任务的效率和速度，惩罚不必要的动作。

2. 设计奖励的组成

一般来说，奖励函数可以包含多个组成部分。通常包括：

主要目标奖励：基于智能体的核心任务。例如，在距离目标点最近时获得较大的正奖励。
惩罚项：惩罚不期望的行为（如撞到障碍物、高速消耗能量等）。
行为控制奖励：奖励平滑的行为或低消耗的动作，避免频繁的急剧变化。

示例奖励函数
假设您在设计一个机器人导航任务的奖励函数，希望机器人到达目标，同时避免障碍物。

例1：距离奖励
假设 $d_t$ 是智能体当前的距离目标的距离， $d_{t-1}$ 是前一步的距离，那么我们可以根据距离的减少量来定义奖励：

reward = d_{t-1} - d_t

在这种奖励设计中，智能体接近目标时得到正奖励，远离时得到负奖励。

例2：基于目标的奖励和惩罚

def compute_reward(state, action, next_state):# 假设目标位置是 goal_pos，当前位置是 state 中的一个元素current_pos = state[:2]  # 假设位置在 state 的前两个元素中next_pos = next_state[:2]goal_pos = np.array([goal_x, goal_y])# 距离计算distance_to_goal = np.linalg.norm(next_pos - goal_pos)# 主要奖励：接近目标的奖励goal_reward = -distance_to_goal# 惩罚：不必要的动作或者偏离目标action_penalty = -0.1 * np.linalg.norm(action)  # 动作幅度惩罚# 组合奖励reward = goal_reward + action_penaltyreturn reward

在这个奖励函数中：

主要奖励：基于智能体接近目标的距离。距离越小，奖励越大。
动作惩罚：惩罚动作的幅度，鼓励智能体做出更节省能量的决策。

例3：带终止状态的奖励函数
在一些任务中，达到特定状态（如目标位置）时会触发终止状态，可以设计终止奖励和失败惩罚：

def compute_reward(state, action, next_state, done):goal_pos = np.array([goal_x, goal_y])next_pos = next_state[:2]distance_to_goal = np.linalg.norm(next_pos - goal_pos)# 距离奖励goal_reward = -distance_to_goal# 动作惩罚action_penalty = -0.1 * np.linalg.norm(action)# 终止奖励：如果达到目标，给较大的正奖励if done:if distance_to_goal < threshold:final_reward = 100  # 达到目标奖励else:final_reward = -100  # 未达到目标的失败惩罚else:final_reward = 0reward = goal_reward + action_penalty + final_rewardreturn reward

在这个奖励函数中：

距离奖励：智能体接近目标时得到正奖励。
动作惩罚：动作幅度越大，惩罚越大，鼓励智能体采用平滑的控制。
终止奖励：当智能体达到目标（或者失败）时，给予额外的奖励或惩罚。

奖励函数设计的注意事项

1 ) 奖励的尺度：确保奖励的尺度合理，不要让奖励值过大或过小。过大的奖励可能导致训练不稳定，而过小的奖励会延缓学习速度。

2 ) 稀疏奖励 vs. 稠密奖励：

稀疏奖励：例如只有在任务完成时才给予奖励，训练可能较慢，但更符合实际情况。
稠密奖励：例如每一步都给予一个基于距离的奖励，可以帮助智能体更快地收敛。

3 ) 避免正负奖励冲突：奖励函数应该清晰地表明智能体的优先目标，避免奖励和惩罚之间相互矛盾。

4 ) 任务依赖性：奖励函数应与任务紧密相关，不要过于复杂。简单明确的奖励往往更有助于模型的学习和收敛。

3. 案例分析

在我之前的算法中，定义了一个“值贪婪算法”（value greedy algorithm）来逐步改进 v_qualities，其中每个 v_qualities[i] 表示第 i 个客户端的质量等级。根据 obj_incre 值的增量，算法会决定是否增加质量等级，直到增量变为负值或者达到某些约束条件（如带宽限制）。

根据这个算法的过程，可以设计一个奖励函数来鼓励智能体最大化 v_qualities 的改进，同时避免过多地占用带宽和延迟，具体可以如下定义：

3.1 奖励函数设计思路

1 ） 质量改进奖励：每次成功提升 v_qualities 中任意一项的质量等级，可以获得一定的奖励，这可以鼓励智能体提高视频流的整体质量。

2 ） 带宽使用惩罚：如果超过了客户端的带宽限制或总带宽限制，则会有惩罚，这样可以确保智能体不会为了提升质量而过度使用带宽。

3 ） 延迟和抖动惩罚：delay_portion 和 var_portion 分别衡量延迟和抖动的变化。这两个值越大，表示系统延迟和抖动越大，因此可以在奖励函数中引入惩罚项来限制这些值的增大。

4 ） 整体改进奖励：最终的 v_improve 代表了总的改进，可以用于奖励函数的正向激励。

3.2 奖励函数示例

下面是一个基于上述思路的奖励函数：

def compute_reward(v_qualities, bandwidth_clients, users, pred_delays, config, time_slot, ALPHA, GAMMA):v_improve = 0  # 总改进penalty = 0    # 总惩罚# 遍历每个客户端计算改进量和惩罚项for index in range(len(v_qualities)):rate_high = cal_bandwidth(v_qualities[index] + 1)rate_low = cal_bandwidth(v_qualities[index])# 计算延迟变化if self.delay_pred == 0:delay_portion = users[index].next_delay[v_qualities[index] + 1] - users[index].next_delay[v_qualities[index]]else:delay_portion = pred_delays[index][v_qualities[index]] - pred_delays[index][v_qualities[index] - 1]# 计算抖动变化old_mean = users[index].dynamic_meanvar_portion = users[index].est_pred * (time_slot - 1) * ((v_qualities[index] + 1 - old_mean) ** 2 - (v_qualities[index] - old_mean) ** 2) / time_slot# 质量增益奖励quality_reward = users[index].est_pred - ALPHA * delay_portion - GAMMA * var_portionif quality_reward > 0:v_improve += quality_reward  # 增加正向奖励# 带宽限制惩罚cur_rate = cal_bandwidth(v_qualities[index])if cur_rate > bandwidth_clients[index] or sum([cal_bandwidth(q) for q in v_qualities]) > config.RATE_LIMIT_SERVER:penalty += 10  # 惩罚过度使用带宽# 额外的延迟和抖动惩罚penalty += ALPHA * max(0, delay_portion) + GAMMA * max(0, var_portion)# 总奖励为改进减去惩罚reward = v_improve - penaltyreturn reward

3.3 奖励函数说明

v_improve：累计质量改进奖励，每次成功提升 v_qualities 的某个质量等级时，就会根据 quality_reward 增加奖励。
带宽惩罚：当 v_qualities 的提升导致超出客户端或服务器带宽限制时，penalty 会增加一个固定的惩罚值（可以根据具体情况调整）。
延迟和抖动惩罚：如果延迟或抖动增加，也会相应增加惩罚，以鼓励智能体保持较低的延迟和稳定性。