カスタムGym環境作成(19) - 広げたマップを強化学習で攻略(報酬を改善2)

カスタムGym環境作成(19) - 広げたマップを強化学習で攻略(報酬を改善2)

前回、広げたマップに対してエージェントが移動しない場合のマイナス報酬を修正して攻略を試みましたが、ゴールにたどり着くことができませんでした。

[広くしたマップイメージ]

今回は再度報酬を見直して、攻略を目指します。

ゴール近くから動かないことの対策

前回の結果を見ていてまたまた問題だと思ったのが、スタート地点付近からエージェントが全く動かないことが多いということです。

そのため前回、移動しない場合のマイナス報酬をよりマイナスにしたのですが、それでもスタート位置付近にいるケースが多々ありました。

という訳で今回はスタート地点に移動したときの報酬を-10としてみました。

修正箇所は52行目、99~100行目となります。

[ソース]

env7.py
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# activate openai_gym
import sys

import gym
import numpy as np
import gym.spaces

class MyEnv(gym.Env):
FIELD_TYPES = [
'S', # 0: スタート
'G', # 1: ゴール
' ', # 2: 平地
'山', # 3: 山(歩けない)
'☆', # 4: プレイヤー
'三', # 5: 橋
'川', # 6: 川
'林', # 7: 林
]
MAP = np.array([
[0, 3, 3, 3, 2, 3, 7, 7, 3, 2, 2, 3],
[2, 2, 2, 2, 2, 2, 7, 3, 2, 2, 2, 2],
[3, 2, 3, 2, 3, 7, 7, 2, 2, 2, 2, 3],
[3, 2, 2, 2, 7, 7, 6, 6, 3, 3, 2, 2],
[7, 7, 3, 2, 6, 6, 6, 3, 7, 7, 3, 3],
[3, 2, 3, 2, 3, 7, 3, 1, 2, 7, 2, 2],
[3, 7, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 3, 3, 2, 7],
[2, 2, 3, 2, 2, 3, 2, 3, 2, 3, 3, 2],
[7, 3, 2, 7, 7, 2, 2, 2, 7, 6, 6, 7],
[2, 3, 2, 6, 6, 6, 2, 3, 2, 7, 2, 2],
[3, 3, 2, 3, 2, 3, 6, 2, 3, 2, 2, 3],
[7, 2, 2, 2, 3, 3, 6, 2, 7, 3, 2, 2],
])
MAX_STEPS = 2000

def __init__(self):
super().__init__()
# action_space, observation_space, reward_range を設定する
self.action_space = gym.spaces.Discrete(4) # 上下左右
self.observation_space = gym.spaces.Box(
low=0,
high=len(self.FIELD_TYPES),
shape=self.MAP.shape
)
self.reset()

def reset(self):
# 諸々の変数を初期化する
self.pos = self._find_pos('S')[0]
self.goal = self._find_pos('G')[0]
self.river = self._find_pos('川')
self.trees = self._find_pos('林')
self.start = self._find_pos('S')[0]
self.done = False
self.steps = 0
return self._observe()

def step(self, action):
# 1ステップ進める処理を記述。戻り値は observation, reward, done(ゲーム終了したか), info(追加の情報の辞書)
# 左上の座標を(0, 0)とする
if action == 0: # 右移動
next_pos = self.pos + [0, 1]
elif action == 1: # 左移動
next_pos = self.pos + [0, -1]
elif action == 2: # 下移動
next_pos = self.pos + [1, 0]
elif action == 3: # 上移動
next_pos = self.pos + [-1, 0]

if self._is_movable(next_pos):
self.pos = next_pos
moved = True
else:
moved = False

self.steps += 1
observation = self._observe()
reward = self._get_reward(self.pos, moved)
self.done = self._is_done()
return observation, reward, self.done, {}

def render(self, mode='console', close=False):
for row in self._observe():
for elem in row:
print(self.FIELD_TYPES[elem], end='')
print()

def _close(self):
pass

def _seed(self, seed=None):
pass

def _get_reward(self, pos, moved):
# 報酬を返す。
# - ゴールにたどり着くと 3000 ポイント
# - 川に入ったら -10 ポイント
# - 林に入ったら -3 ポイント
# - 1ステップごとに-1ポイント(できるだけ短いステップでゴールにたどり着きたい)
if (self.start == pos).all(): # スタート位置に戻ってきたときのマイナス報酬
return -10
if moved:
if (self.goal == pos).all():
return 3000
for x in self.river:
if (x == pos).all():
return -10
for x in self.trees:
if (x == pos).all():
return -3
return -1
else: # エージェントが動かなかった場合
return -10

def _is_movable(self, pos):
# マップの中にいるか、歩けない場所にいないか
return (
0 <= pos[0] < self.MAP.shape[0]
and 0 <= pos[1] < self.MAP.shape[1]
and self.FIELD_TYPES[self.MAP[tuple(pos)]] != '山'
)

def _observe(self):
# マップにプレイヤーの位置を重ねて返す
observation = self.MAP.copy()
observation[tuple(self.pos)] = self.FIELD_TYPES.index('☆')
return observation

def _is_done(self):
# 最大で self.MAX_STEPS まで
if (self.pos == self.goal).all():
return True
elif self.steps > self.MAX_STEPS:
return True
else:
return False

def _find_pos(self, field_type):
return np.array(list(zip(*np.where(self.MAP == self.FIELD_TYPES.index(field_type)))))

報酬を修正したこのカスタム環境に対して、前回と同じように学習率を変更しながら実行し、それぞれの最終結果と平均報酬遷移(グラフ)を確認します。

各実行結果をまとめると下記のようになりました。

[結果]

学習率 最終位置・最終報酬 平均報酬遷移
0.01
0.05
0.1
0.5
1.0
5.0
10.0
50.0

学習率が1.0以下の場合は、スタート地点から移動したまにゴールすることもありますが、学習が完了することはありませんでした。

学習率が5.0以上の場合は、移動をあきらめたのかスタート地点付近にとどまり続けてしまっています。

次回はまた報酬を見直しゴールを目指します。

(また学習率を5.0以上に設定した場合ですが、結果があまりにも悪いのでもう検証しないことにします)


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