【MADRL】多智能体近端策略优化（MAPPO）算法

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强化学习（8）---《【MADRL】多智能体近端策略优化（MAPPO）算法》

【MADRL】多智能体近端策略优化（MAPPO）算法

0.前言

1.背景与动机

2.算法结构

3.具体公式

4.算法流程

5.公式总结

6.优势与应用场景

7.结论

[Python] MAPPO实现（可移植）

0.前言

多智能体近端策略优化算法 MAPPO（Multi-Agent Proximal Policy Optimization）是PPO（Proximal Policy Optimization）在多智能体环境中的一种扩展，它通过在多智能体系统中引入PPO的策略优化机制，实现了在协作和竞争环境中更加高效的策略学习。MAPPO是一种基于策略梯度的多智能体强化学习算法，特别适用于混合协作和竞争的多智能体场景。

论文：The Surprising Effectiveness of PPO in Cooperative, Multi-Agent Games

代码：MADRL多智能体近端策略优化（MAPPO）算法

1.背景与动机

PPO 是近年来最流行的强化学习算法之一，它通过引入裁剪的策略更新，解决了传统策略梯度方法（如TRPO）中策略更新步长过大导致训练不稳定的问题。在多智能体环境中，多个智能体同时学习策略，每个智能体的行为会影响其他智能体的决策，因此需要一个鲁棒且稳定的策略优化方法。MAPPO通过中心化的Critic和去中心化的Actor来实现多智能体的协同训练，并采用PPO的优势来提高多智能体环境下的学习效率和稳定性。

2.算法结构

MAPPO继承了PPO的核心思想，并结合了多智能体系统的特点，采用了中心化训练，去中心化执行的架构：

中心化训练：在训练阶段，所有智能体的Critic网络都能够访问全局的状态和其他智能体的动作信息，以便于学习到更准确的价值函数。
去中心化执行：在执行阶段，每个智能体只使用自己观测到的局部状态和策略进行动作选择，保证了系统的分布式控制。

3.具体公式

MAPPO算法主要分为两部分：策略更新和价值函数估计。我们将分别介绍这两部分的公式。

策略更新：

在PPO中，策略更新的目标是通过最大化策略的期望回报 $( \mathbb{E}_{\pi} [R] )$ 来更新策略。然而，直接使用策略梯度更新容易导致大的策略变化。因此，PPO引入了一个裁剪目标函数来限制每次更新的策略变化幅度。MAPPO也遵循相同的原则，但应用在每个智能体 ( i ) 的策略上。

PPO的目标函数为：
$[ L^{CLIP}(\theta) = \mathbb{E}_t \left[ \min \left( r_t(\theta) \hat{A}_t, \text{clip}(r_t(\theta), 1 - \epsilon, 1 + \epsilon) \hat{A}_t \right) \right] ]$
其中：
- $( r_t(\theta) = \frac{\pi_{\theta}(a_t | s_t)}{\pi_{\theta_{\text{old}}}(a_t | s_t)} )$ 是当前策略与旧策略的比率；
- $( \hat{A}_t )$ 是优势函数的估计值，用于衡量动作 $( a_t )$ 在状态 $( s_t )$ 下的优势；
- $( \epsilon )$ 是裁剪的阈值，用于控制策略更新的幅度。
MAPPO中的每个智能体 $( i )$ 采用类似的目标函数进行策略更新，但每个智能体的策略仅依赖于自己的观测 $( o_i )$ ，即：
$[ L^{CLIP}_i(\theta_i) = \mathbb{E}_t \left[ \min \left( r_t(\theta_i) \hat{A}_t^i, \text{clip}(r_t(\theta_i), 1 - \epsilon, 1 + \epsilon) \hat{A}_t^i \right) \right] ]$
其中 $( r_t(\theta_i) )$ 是智能体 $( i )$ 的策略更新比率， $( \hat{A}_t^i )$ 是智能体 $( i )$ 的优势估计值。
价值函数估计：

每个智能体 $( i )$ 的价值函数 $( V_i(s) )$ 由一个中心化的Critic网络估计。Critic网络使用全局状态 $( s )$ 和所有智能体的动作 $( a_1, a_2, ..., a_N )$ 来估计全局的价值函数。MAPPO通过使用中心化Critic保证每个智能体在训练过程中可以考虑到其他智能体的策略，从而学到更有效的策略。

Critic的目标是最小化均方误差（MSE）损失函数： $[ L(\phi_i) = \mathbb{E}{s_t, r_t, s{t+1}} \left[ \left( V_i(s_t; \phi_i) - R_t \right)^2 \right] ]$
其中， $( R_t )$ 是从当前时刻 $( t )$ 到未来的累计回报，通常通过时间差分法（TD目标）进行估计： $[ R_t = r_t + \gamma V_i(s_{t+1}; \phi'_i) ]$
其中， $( \gamma )$ 是折扣因子， $( \phi'_i )$ 是目标网络的参数。
优势函数的计算：

优势函数 $( \hat{A}t^i )$ 用于衡量某个动作 $( a_t )$ 相对于当前策略下平均动作的优劣程度。优势函数可以通过以下公式估计： $[ \hat{A}t^i = \delta_t + (\gamma \lambda) \delta{t+1} + ... + (\gamma \lambda)^{T-t+1} \delta{T-1} ]$
其中 $( \delta_t )$ 是时间差分误差，定义为： $[ \delta_t = r_t + \gamma V(s_{t+1}) - V(s_t) ]$
这里 $( \lambda )$ 是GAE（Generalized Advantage Estimation）中的权重参数，用于平衡偏差和方差。

4.算法流程

初始化：为每个智能体初始化策略网络 $( \pi_i )$ 和Critic网络 $( V_i )$ ，并初始化对应的目标网络。
交互与经验收集：每个智能体根据当前策略与环境交互，并存储每个时间步的状态、动作、奖励、下一状态、价值等信息。
计算回报和优势：通过时间差分法计算每个智能体的回报 $( R_t )$ 和优势函数 $( \hat{A}_t^i )$ 。
更新Critic网络：根据Critic损失函数更新每个智能体的Critic网络参数，最小化均方误差。
更新Actor网络：根据裁剪的PPO目标函数，使用策略梯度法更新每个智能体的策略网络参数。
软更新目标网络：使用软更新机制逐步更新目标网络的参数。
重复：循环进行以上步骤，直到智能体策略达到收敛。

5.公式总结

策略更新目标： $[ L^{CLIP}_i(\theta_i) = \mathbb{E}_t \left[ \min \left( r_t(\theta_i) \hat{A}_t^i, \text{clip}(r_t(\theta_i), 1 - \epsilon, 1 + \epsilon) \hat{A}_t^i \right) \right] ]$
Critic网络损失函数： $[ L(\phi_i) = \mathbb{E}{s_t, r_t, s{t+1}} \left[ \left( V_i(s_t; \phi_i) - R_t \right)^2 \right] ]$
优势函数估计： $[ \hat{A}t^i = \sum{l=0}^{T-t} (\gamma \lambda)^l \delta_{t+l} ]$

6.优势与应用场景

鲁棒性与稳定性：PPO算法引入的裁剪更新机制使策略梯度更新更加稳定，避免了更新幅度过大的问题。MAPPO继承了这一优势，能够在多智能体环境中提供更稳定的策略更新。
中心化训练与去中心化执行：通过中心化的Critic结构，智能体可以利用全局信息进行策略训练，而去中心化的Actor使得智能体在执行过程中只依赖局部观测，提高了算法的灵活性和扩展性。
适应复杂的多智能体环境：MAPPO可以处理多智能体环境中的协作、竞争或混合型任务，非常适用于复杂的多智能体系统，如机器人集群、自动驾驶车队、多人游戏等。

7.结论

MAPPO是对PPO算法的多智能体扩展，采用了中心化的Critic和去中心化的Actor结构，能够在多智能体环境中提供稳定、高效的策略优化。通过PPO的裁剪更新机制，MAPPO在策略更新过程中保持了良好的收敛性和鲁棒性，是当前研究和应用中广泛使用的算法之一。

[Python] MAPPO实现（可移植）

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主文件：MAPPO_MPE_main

python">import torch
import numpy as np
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
import argparse
from normalization import Normalization, RewardScaling
from replay_buffer import ReplayBuffer
from mappo_mpe import MAPPO_MPE
from environment import Envclass Runner_MAPPO_MPE:def __init__(self, args, env_name, number, seed):self.args = argsself.env_name = env_nameself.number = numberself.seed = seed# Set random seednp.random.seed(self.seed)torch.manual_seed(self.seed)# Create envself.env = Env(env_name, discrete=True) # Discrete action spaceself.args.N = self.env.n  # The number of agentsself.args.obs_dim_n = [self.env.observation_space[i].shape[0] for i in range(self.args.N)]  # obs dimensions of N agentsself.args.action_dim_n = [self.env.action_space[i].n for i in range(self.args.N)]  # actions dimensions of N agents# Only for homogenous agents environments like Spread in MPE,all agents have the same dimension of observation space and action spaceself.args.obs_dim = self.args.obs_dim_n[0]  # The dimensions of an agent's observation spaceself.args.action_dim = self.args.action_dim_n[0]  # The dimensions of an agent's action spaceself.args.state_dim = np.sum(self.args.obs_dim_n)  # The dimensions of global state space（Sum of the dimensions of the local observation space of all agents）print("observation_space=", self.env.observation_space)print("obs_dim_n={}".format(self.args.obs_dim_n))print("action_space=", self.env.action_space)print("action_dim_n={}".format(self.args.action_dim_n))# Create N agentsself.agent_n = MAPPO_MPE(self.args)self.replay_buffer = ReplayBuffer(self.args)# Create a tensorboardself.writer = SummaryWriter(log_dir='runs/MAPPO/MAPPO_env_{}_number_{}_seed_{}'.format(self.env_name, self.number, self.seed))self.evaluate_rewards = []  # Record the rewards during the evaluatingself.total_steps = 0if self.args.use_reward_norm:print("------use reward norm------")self.reward_norm = Normalization(shape=self.args.N)elif self.args.use_reward_scaling:print("------use reward scaling------")self.reward_scaling = RewardScaling(shape=self.args.N, gamma=self.args.gamma)def run(self, ):evaluate_num = -1  # Record the number of evaluationswhile self.total_steps < self.args.max_train_steps:if self.total_steps // self.args.evaluate_freq > evaluate_num:self.evaluate_policy()  # Evaluate the policy every 'evaluate_freq' stepsevaluate_num += 1_, episode_steps = self.run_episode_mpe(evaluate=False)  # Run an episodeself.total_steps += episode_stepsif self.replay_buffer.episode_num == self.args.batch_size:self.agent_n.train(self.replay_buffer, self.total_steps)  # Trainingself.replay_buffer.reset_buffer()self.evaluate_policy()self.env.close()def evaluate_policy(self, ):evaluate_reward = 0for _ in range(self.args.evaluate_times):episode_reward, _ = self.run_episode_mpe(evaluate=True)evaluate_reward += episode_rewardevaluate_reward = evaluate_reward / self.args.evaluate_timesself.evaluate_rewards.append(evaluate_reward)print("total_steps:{} \t evaluate_reward:{}".format(self.total_steps, evaluate_reward))self.writer.add_scalar('evaluate_step_rewards_{}'.format(self.env_name), evaluate_reward, global_step=self.total_steps)# Save the rewards and modelsnp.save('./data_train/MAPPO_env_{}_number_{}_seed_{}.npy'.format(self.env_name, self.number, self.seed), np.array(self.evaluate_rewards))self.agent_n.save_model(self.env_name, self.number, self.seed, self.total_steps)def run_episode_mpe(self, evaluate=False):episode_reward = 0obs_n = self.env.reset()if self.args.use_reward_scaling:self.reward_scaling.reset()if self.args.use_rnn:  # If use RNN, before the beginning of each episode，reset the rnn_hidden of the Q network.self.agent_n.actor.rnn_hidden = Noneself.agent_n.critic.rnn_hidden = Nonefor episode_step in range(self.args.episode_limit):a_n, a_logprob_n = self.agent_n.choose_action(obs_n, evaluate=evaluate)  # Get actions and the corresponding log probabilities of N agentss = np.array(obs_n).flatten()  # In MPE, global state is the concatenation of all agents' local obs.v_n = self.agent_n.get_value(s)  # Get the state values (V(s)) of N agentsobs_next_n, r_n, done_n, _ = self.env.step(a_n)episode_reward += r_n[0]if not evaluate:if self.args.use_reward_norm:r_n = self.reward_norm(r_n)elif args.use_reward_scaling:r_n = self.reward_scaling(r_n)# Store the transitionself.replay_buffer.store_transition(episode_step, obs_n, s, v_n, a_n, a_logprob_n, r_n, done_n)obs_n = obs_next_nif all(done_n):breakif not evaluate:# An episode is over, store v_n in the last steps = np.array(obs_n).flatten()v_n = self.agent_n.get_value(s)self.replay_buffer.store_last_value(episode_step + 1, v_n)return episode_reward, episode_step + 1if __name__ == '__main__':parser = argparse.ArgumentParser("Hyperparameters Setting for MAPPO in MPE environment")parser.add_argument("--max_train_steps", type=int, default=int(3e6), help=" Maximum number of training steps")parser.add_argument("--episode_limit", type=int, default=25, help="Maximum number of steps per episode")parser.add_argument("--evaluate_freq", type=float, default=5000, help="Evaluate the policy every 'evaluate_freq' steps")parser.add_argument("--evaluate_times", type=float, default=3, help="Evaluate times")parser.add_argument("--batch_size", type=int, default=32, help="Batch size (the number of episodes)")parser.add_argument("--mini_batch_size", type=int, default=8, help="Minibatch size (the number of episodes)")parser.add_argument("--rnn_hidden_dim", type=int, default=64, help="The number of neurons in hidden layers of the rnn")parser.add_argument("--mlp_hidden_dim", type=int, default=64, help="The number of neurons in hidden layers of the mlp")parser.add_argument("--lr", type=float, default=5e-4, help="Learning rate")parser.add_argument("--gamma", type=float, default=0.99, help="Discount factor")parser.add_argument("--lamda", type=float, default=0.95, help="GAE parameter")parser.add_argument("--epsilon", type=float, default=0.2, help="GAE parameter")parser.add_argument("--K_epochs", type=int, default=15, help="GAE parameter")parser.add_argument("--use_adv_norm", type=bool, default=True, help="Trick 1:advantage normalization")parser.add_argument("--use_reward_norm", type=bool, default=True, help="Trick 3:reward normalization")parser.add_argument("--use_reward_scaling", type=bool, default=False, help="Trick 4:reward scaling. Here, we do not use it.")parser.add_argument("--entropy_coef", type=float, default=0.01, help="Trick 5: policy entropy")parser.add_argument("--use_lr_decay", type=bool, default=True, help="Trick 6:learning rate Decay")parser.add_argument("--use_grad_clip", type=bool, default=True, help="Trick 7: Gradient clip")parser.add_argument("--use_orthogonal_init", type=bool, default=True, help="Trick 8: orthogonal initialization")parser.add_argument("--set_adam_eps", type=float, default=True, help="Trick 9: set Adam epsilon=1e-5")parser.add_argument("--use_relu", type=float, default=False, help="Whether to use relu, if False, we will use tanh")parser.add_argument("--use_rnn", type=bool, default=False, help="Whether to use RNN")parser.add_argument("--add_agent_id", type=float, default=False, help="Whether to add agent_id. Here, we do not use it.")parser.add_argument("--use_value_clip", type=float, default=False, help="Whether to use value clip.")args = parser.parse_args()runner = Runner_MAPPO_MPE(args, env_name="simple_spread", number=1, seed=0)runner.run()

移植事项：

1.注意环境参数的设置格式

2.注意环境的返回值利用

3.注意主运行流程的runner.run()的相关设置，等

可借鉴：【MADRL】基于MADRL的单调价值函数分解（QMIX）算法中关于 QMIX算法移植的注意事项和代码注释。