从DQN到Nature DQN再到Double DQN，这些Deep Q-learning算法的改进点在于TD-error的计算和Q值的计算，而在网络结构上并没有变化，其Deep与RL结合的程度只是使用了基本的DNN网络作为函数近似。而Dueling DQN并没有对外部计算做出改动，而是将RL的思想纳入到DNN网络结构中，通过对网络结构的改动达到提升DQN性能的目的。
Paper：
Dueling DQN:Dueling Network Architectures for Deep Reinforcement Learning
Github：https://github.com/xiaochus/Deep-Reinforcement-Learning-Practice
环境
- Python 3.6
- Tensorflow-gpu 1.8.0
- Keras 2.2.2
- Gym 0.10.8
算法原理
DQN与Dueling DQN的网络结构对比如下所示。DQN直接使用一个常规网络生成Q值；而Dueling DQN的网络结构在最后出现了两个分支，这两个分支的值合并后生成一个Q值。
DQN and Dueling
Dueling DQN网络结构中的这个分支可以用下列公式表达。网络的两个分支上分支产生一个advantage值，下分支产生action对应的value值，这两个值相加后才得到最终的action的Q值。
e2
其余的部分Dueling DQN与Nature DQN完全一致，其损失函数以及外部Q值的更新方式如下所示：
e1
那么为什么要使用Advantage值呢？通过Advantage我们可以直观地了解哪些状态是（或不是）有价值的，而不必了解每个action对每个状态的影响。 这在action不以任何相关方式影响环境的情况下特别有用。
下图显示了DuelingDQN在Atari游戏中不同时间步的value和advantage显着性图（红色覆盖部分）。在一个时间步（最左边的一对图像）中，我们看到价值网络流关注道路，尤其是新车出现的地平线，同时它也注重value得分。另一方面，优势网络流并不太关注视觉输入，因为当前面没有车辆时，它的动作选择实际上是无关紧要的。然而，在第二个时间步（最右边的一对图像）中，优势流引起注意，因为前面有一辆汽车，因此其选择的动作非常相关。因此value学会关注道路，advantage只有在前方有车时才会学会注意，以避免碰撞。
dueling
网络在使用Q=S+A计算Q值会出现一个可识别性问题：给定一个Q值，我们无法得到唯一的V和A。比如，V和A分别加上和减去一个值能够得到同样的Q值，但反过来显然无法由Q得到唯一的V和A。如果直接使用该等式，会使得模型的性能变差。
为了解决这个问题，作者提出两个解决方法：
1、强制优势函数在所选择的操作中没有任何优势
e3
2、使用优势函数的平均值代替上述的最优值
e4
采用这种方法，虽然使得值函数V和优势函数A不再完美的表示值函数和优势函数(在语义上的表示)，但是这种操作提高了稳定性。而且，并没有改变值函数V和优势函数A的本质表示。
算法实现
Dueling DQN与Nature DQN的区别仅在于DNN模型的区别，下面是Dueling DQN使用的DNN模型，可以看出我们使用了value和advantage分支来合并计算Q值。
def build_model(self):
"""basic model.
"""
inputs = Input(shape=(4,))
x = Dense(16, activation='relu')(inputs)
x = Dense(16, activation='relu')(x)
value = Dense(2, activation='linear')(x)
a = Dense(2, activation='linear')(x)
meam = Lambda(lambda x: K.mean(x, axis=1, keepdims=True))(a)
advantage = Subtract()([a, meam])
q = Add()([value, advantage])
model = Model(inputs=inputs, outputs=q)
model.compile(loss='mse', optimizer=Adam(1e-3))
return model
完整代码：
# -*- coding: utf-8 -*-
import os
import numpy as np
from keras.layers import Input, Dense, Add, Subtract, Lambda
from keras.models import Model
from keras.optimizers import Adam
import keras.backend as K
from NatureDQN import NDQN
class DuelingDQN(NDQN):
"""Dueling DQN.
"""
def __init__(self):
super(DuelingDQN, self).__init__()
def load(self):
if os.path.exists('model/dueling.h5'):
self.model.load_weights('model/dueling.h5')
def build_model(self):
"""basic model.
"""
inputs = Input(shape=(4,))
x = Dense(16, activation='relu')(inputs)
x = Dense(16, activation='relu')(x)
value = Dense(2, activation='linear')(x)
a = Dense(2, activation='linear')(x)
meam = Lambda(lambda x: K.mean(x, axis=1, keepdims=True))(a)
advantage = Subtract()([a, meam])
q = Add()([value, advantage])
model = Model(inputs=inputs, outputs=q)
model.compile(loss='mse', optimizer=Adam(1e-3))
return model
def train(self, episode, batch):
"""training
Arguments:
episode: game episode
batch： batch size
Returns:
history: training history
"""
history = {'episode': [], 'Episode_reward': [], 'Loss': []}
count = 0
for i in range(episode):
observation = self.env.reset()
reward_sum = 0
loss = np.infty
done = False
while not done:
# chocie action from ε-greedy.
x = observation.reshape(-1, 4)
action = self.egreedy_action(x)
observation, reward, done, _ = self.env.step(action)
# add data to experience replay.
reward_sum += reward
self.remember(x[0], action, reward, observation, done)
if len(self.memory_buffer) > batch:
X, y = self.process_batch(batch)
loss = self.model.train_on_batch(X, y)
count += 1
# reduce epsilon pure batch.
self.update_epsilon()
# update target_model every 20 episode
if count != 0 and count % 20 == 0:
self.update_target_model()
if i % 5 == 0:
history['episode'].append(i)
history['Episode_reward'].append(reward_sum)
history['Loss'].append(loss)
print('Episode: {} | Episode reward: {} | loss: {:.3f} | e:{:.2f}'.format(i, reward_sum, loss, self.epsilon))
self.model.save_weights('model/dueling.h5')
return history
if __name__ == '__main__':
model = DuelingDQN()
history = model.train(600, 32)
model.save_history(history, 'dueling.csv')
model.load()
model.play('dqn')
训练与测试结果如下，在使用与DQN同样的参数的情况下，可以看出Dueling DQN收敛的更好，在每次测试中都能够拿到200的分数。
play...
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Traning
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