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双深度Q网络（Double DQN）基础解析与python实例：训练稳定倒立摆

backend 2025/8/3 12:55:34

1. 前言

2. Double DQN的核心思想

3. Double DQN 实例：倒立摆

4. Double DQN的关键改进点

5. 双重网络更新策略

6. 总结

1. 前言

在强化学习领域，深度Q网络（DQN）开启了利用深度学习解决复杂决策问题的新篇章。然而，标准DQN存在一个显著问题：Q值的过估计。为解决这一问题，Double DQN应运而生，它通过引入两个网络来减少Q值的过估计，从而提高策略学习的稳定性和性能。本文将深入浅出地介绍Double DQN的核心思想，并通过一个完整python实现案例，帮助大家全面理解强化这一学习算法。

2. Double DQN的核心思想

标准DQN使用同一个网络同时选择动作和评估动作价值，这容易导致Q值的过估计。Double DQN通过将动作选择和价值评估分离到两个不同的网络来解决这个问题：

一个网络（在线网络）用于选择当前状态下的最佳动作
另一个网络（目标网络）用于评估这个动作的价值

这种分离减少了自举过程中动作选择和价值评估的关联性，从而有效降低了Q值的过估计。

结构如下：

3. Double DQN 实例：倒立摆

接下来，我们将实现一个完整的Double DQN，解决CartPole平衡问题。这个例子包含了所有关键组件：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import numpy as np
import gym
import random
from collections import deque# 1. 定义DQN网络结构
class DQN(nn.Module):def __init__(self, state_dim, action_dim):super(DQN, self).__init__()self.fc1 = nn.Linear(state_dim, 128)self.fc2 = nn.Linear(128, 128)self.fc3 = nn.Linear(128, action_dim)def forward(self, x):x = torch.relu(self.fc1(x))x = torch.relu(self.fc2(x))x = self.fc3(x)return x# 2. 经验回放缓冲区
class ReplayBuffer:def __init__(self, capacity):self.buffer = deque(maxlen=capacity)def add(self, state, action, reward, next_state, done):self.buffer.append((state, action, reward, next_state, done))def sample(self, batch_size):samples = random.sample(self.buffer, batch_size)states, actions, rewards, next_states, dones = zip(*samples)return states, actions, rewards, next_states, donesdef __len__(self):return len(self.buffer)# 3. Double DQN代理
class DoubleDQNAgent:def __init__(self, state_dim, action_dim):self.policy_net = DQN(state_dim, action_dim)self.target_net = DQN(state_dim, action_dim)self.target_net.load_state_dict(self.policy_net.state_dict())self.target_net.eval()self.optimizer = optim.Adam(self.policy_net.parameters(), lr=0.001)self.replay_buffer = ReplayBuffer(10000)self.batch_size = 64self.gamma = 0.99  # 折扣因子self.epsilon = 1.0  # 探索率self.epsilon_decay = 0.995self.min_epsilon = 0.01self.action_dim = action_dim# 根据ε-greedy策略选择动作def select_action(self, state):if random.random() < self.epsilon:return random.randint(0, self.action_dim - 1)else:with torch.no_grad():return self.policy_net(torch.FloatTensor(state)).argmax().item()# 存储经验def store_transition(self, state, action, reward, next_state, done):self.replay_buffer.add(state, action, reward, next_state, done)# 更新网络def update(self):if len(self.replay_buffer) < self.batch_size:return# 从经验回放中采样states, actions, rewards, next_states, dones = self.replay_buffer.sample(self.batch_size)# 转换为PyTorch张量states = torch.FloatTensor(states)actions = torch.LongTensor(actions)rewards = torch.FloatTensor(rewards)next_states = torch.FloatTensor(next_states)dones = torch.FloatTensor(dones)# 计算当前Q值current_q = self.policy_net(states).gather(1, actions.unsqueeze(1)).squeeze(1)# 计算目标Q值（使用Double DQN方法）# 使用策略网络选择动作，目标网络评估价值with torch.no_grad():# 从策略网络中选择最佳动作policy_actions = self.policy_net(next_states).argmax(dim=1)# 从目标网络中评估这些动作的值next_q = self.target_net(next_states).gather(1, policy_actions.unsqueeze(1)).squeeze(1)target_q = rewards + self.gamma * next_q * (1 - dones)# 计算损失并优化loss = nn.MSELoss()(current_q, target_q)self.optimizer.zero_grad()loss.backward()self.optimizer.step()# 更新目标网络（软更新）for target_param, policy_param in zip(self.target_net.parameters(), self.policy_net.parameters()):target_param.data.copy_(0.001 * policy_param.data + 0.999 * target_param.data)# 减少探索率self.epsilon = max(self.min_epsilon, self.epsilon * self.epsilon_decay)# 训练过程def train_double_dqn():# 创建环境env = gym.make('CartPole-v1')state_dim = env.observation_space.shape[0]action_dim = env.action_space.n# 创建代理agent = DoubleDQNAgent(state_dim, action_dim)# 训练参数episodes = 500max_steps = 500# 训练循环for episode in range(episodes):state, _ = env.reset()total_reward = 0for step in range(max_steps):action = agent.select_action(state)next_state, reward, done, _, _ = env.step(action)# 修改奖励以加速学习reward = reward if not done else -10agent.store_transition(state, action, reward, next_state, done)agent.update()total_reward += rewardstate = next_stateif done:break# 每10个episodes更新一次目标网络if episode % 10 == 0:agent.target_net.load_state_dict(agent.policy_net.state_dict())print(f"Episode: {episode + 1}, Total Reward: {total_reward}, Epsilon: {agent.epsilon:.2f}")env.close()# 执行训练
if __name__ == "__main__":train_double_dqn()

4. Double DQN的关键改进点

双网络结构：通过将动作选择（策略网络）和价值评估（目标网络）分离，减少了Q值的过估计。
经验回放：通过存储和随机采样历史经验，打破了数据的相关性，提高了学习稳定性。
ε-greedy策略：平衡探索与利用，随着训练进行逐渐减少探索概率。

目标网络在Double DQN中扮演着非常重要的角色：

它为策略网络提供稳定的目标Q值
通过延迟更新，减少了目标Q值的波动
与策略网络共同工作，实现了动作选择和价值评估的分离

5. 双重网络更新策略

在Double DQN中，我们使用了软更新（soft update）策略来更新目标网络：

for target_param, policy_param in zip(self.target_net.parameters(), self.policy_net.parameters()):target_param.data.copy_(0.001 * policy_param.data + 0.999 * target_param.data)

这种软更新方式比传统的目标网络定期硬更新（hard update）更平滑，有助于训练过程的稳定。

6. 总结

本文通过详细讲解Double DQN的原理，并提供了完整的python实现代码，展示了如何应用这一先进强化学习算法解决实际问题。与标准DQN相比，Double DQN通过引入双网络结构，有效解决了Q值过估计问题，提高了策略学习的稳定性和最终性能。Double DQN是强化学习领域的一个重要进步，为后续更高级的算法（如Dueling DQN、C51、Rainbow DQN等）奠定了基础。通过理解Double DQN的原理和实现，读者可以为进一步探索复杂强化学习算法打下坚实基础。在实际应用中，可以根据具体任务调整网络结构、超参数（如学习率、折扣因子、经验回放缓冲区大小等）以及探索策略，以获得最佳性能。

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http://www.xdnf.cn/news/8886.html