PPO와 공개 Benchmark · 학습

실행 조건

필요한 패키지가 없으면 Colab·Jupyter 코드 셀에서 %pip install control==0.10.2 gymnasium==1.3.0 stable-baselines3==2.9.2를 실행하세요.

이번에 배울 내용

정책을 한 번에 크게 바꾸는 문제를 제한하는 방식과 실제 정책 성능을 연결합니다.

PPO의 제한

새 정책과 이전 정책이 같은 행동에 부여한 확률의 비를 사용합니다. Clipping은 목적함수에서 과도한 갱신의 영향을 제한하며 물리적 Action 한계를 대신하지 않습니다.

Benchmark의 조건

환경·학습량·seed·평가 방법이 맞아야 설정 차이를 비교할 수 있습니다. Zoo의 긴 학습 결과와 짧은 실습 실행을 동일한 결과로 보지 않습니다.

풀이 예제

Queue의 이산 행동

"""Synthetic service queue. An action chooses capacity, including its energy cost."""
import numpy as np

class Queue:
    def reset(self, seed=0):
        self.rng = np.random.default_rng(seed)
        self.q, self.t = 0, 0
        return self.q

    def step(self, action):
        capacity = (0, 2, 4)[int(action)]
        arriving = int(self.rng.poisson(2))
        raw = max(0, self.q - capacity) + arriving
        dropped = max(0, raw - 20)
        self.q = min(20, raw)
        self.t += 1
        reward = -(self.q + .2 * capacity**2 + 10 * dropped)
        return self.q, reward, False, self.t >= 100, {'queue': self.q, 'capacity': capacity, 'dropped': dropped}

def evaluate(policy, seeds=range(100, 105)):
    rows = []
    for seed in seeds:
        env = Queue(); q = env.reset(seed)
        total = waiting = energy = dropped = 0
        while True:
            q, r, terminated, truncated, info = env.step(policy(q))
            total += r; waiting += q; energy += info['capacity']**2; dropped += info['dropped']
            if terminated or truncated: break
        rows.append([total, waiting / env.t, energy / env.t, dropped])
    return np.array(rows)

policies = {'constant': lambda q: 1, 'threshold': lambda q: 0 if q == 0 else (1 if q < 5 else 2)}
for name, policy in policies.items():
    print(name, evaluate(policy).mean(axis=0))

# Run the Queue or Motor definition first. Install gymnasium and stable-baselines3 if absent.
import gymnasium as gym
from gymnasium import spaces
from stable_baselines3 import A2C, PPO, SAC
class QueueGym(gym.Env):
    def __init__(self):
        self.model=Queue();self.action_space=spaces.Discrete(3)
        self.observation_space=spaces.Box(0.,1.,(1,),dtype=np.float32)
    def reset(self,seed=None,options=None):
        super().reset(seed=seed)
        return np.array([self.model.reset(seed)/20],dtype=np.float32),{}
    def step(self,a):
        q,r,te,tr,info=self.model.step(a)
        return np.array([q/20],dtype=np.float32),r/20,te,tr,info
class MotorGym(gym.Env):
    def __init__(self):
        self.model=Motor();self.action_space=spaces.Box(-1.,1.,(1,),dtype=np.float32)
        self.observation_space=spaces.Box(-np.inf,np.inf,(2,),dtype=np.float32)
    def reset(self,seed=None,options=None):
        super().reset(seed=seed)
        return self.model.reset(seed),{}
    def step(self,a):return self.model.step(a)

def fit_sb3(algorithm='PPO',seed=0,steps=2048):
    cls={'A2C':A2C,'PPO':PPO,'SAC':SAC}[algorithm]
    env=MotorGym() if algorithm=='SAC' else QueueGym()
    options={'policy_kwargs':dict(net_arch=[32,32]),'seed':seed,'verbose':0,'device':'cpu'}
    if algorithm=='PPO':options.update(n_steps=128,batch_size=64,n_epochs=3)
    if algorithm=='A2C':options.update(n_steps=32)
    if algorithm=='SAC':options.update(learning_starts=100,buffer_size=5000,batch_size=64)
    model=cls('MlpPolicy',env,**options);model.learn(total_timesteps=steps)
    return model

model=fit_sb3('PPO')
print(evaluate(lambda q:int(model.predict(np.array([q/20],dtype=np.float32),deterministic=True)[0])).mean(0))
constant [-921.2      8.052    4.       3.6  ]
threshold [-387.4     2.77    5.52    0.  ]
[-531.4      2.114   16.       0.   ]

공식 문서·데이터

참고 예제

추가 예제 보기