【RL】元强化学习(MRL)VS 基于迁移学习的强化学习(RL-TL)

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不去幼儿园 发表于 2024/12/03 08:23:44 2024/12/03
【摘要】 元强化学习(Meta Reinforcement Learning)与基于迁移学习的强化学习之间的区别 元强化学习(Meta Reinforcement Learning, MRL)和基于迁移学习的强化学习(Reinforcement Learning with Transfer Learning, RL-TL)在本质上都是为了提高模型在新任务中的学习效率,但它们的具体实现方式和应用场景有着明显的

     📢本篇文章是博主强化学习RL领域学习时,用于个人学习、研究或者欣赏使用,并基于博主对相关等领域的一些理解而记录的学习摘录和笔记,若有不当和侵权之处,指出后将会立即改正,还望谅解。文章分类在👉强化学习专栏:

       【强化学习】(7)---《元强化学习(MRL)VS 基于迁移学习的强化学习(RL-TL)》

元强化学习(MRL)VS 基于迁移学习的强化学习(RL-TL)

目录

1.元强化学习(Meta Reinforcement Learning)与基于迁移学习的强化学习之间的区别

2.具体解释

3.两者的应用场景

4.总结

5.元学习(Meta Learning)与迁移学习(Transfer Learning)的区别

[Python] Q-learning实现

[Notice] 代码说明


1.元强化学习(Meta Reinforcement Learning)与基于迁移学习的强化学习之间的区别

        元强化学习(Meta Reinforcement Learning, MRL)和基于迁移学习的强化学习(Reinforcement Learning with Transfer Learning, RL-TL)在本质上都是为了提高模型在新任务中的学习效率,但它们的具体实现方式和应用场景有着明显的区别。

以下是它们在几个关键维度上的比较:


比较维度 元强化学习(Meta Reinforcement Learning) 基于迁移学习的强化学习(Reinforcement Learning with Transfer Learning)
目标 学习如何在面对新任务时迅速适应,减少探索和训练成本。 将从一个强化学习任务中学到的知识迁移到另一个相关的强化学习任务中。
训练任务 在多个任务上进行训练,通过元策略学习如何快速适应新任务。 先在源任务上进行强化学习,然后将学到的策略、模型参数或知识迁移到目标任务中。
适应方式 使用少量数据或梯度更新,通过元策略快速调整模型在新任务中的表现。 使用预训练的策略或模型,在目标任务上继续训练,或者使用迁移的知识减少目标任务的学习时间。
任务间关系 任务间可以相关也可以无关,元策略能够适应各种不同的任务。 源任务和目标任务需要有一定的相似性或共享的特征,才能有效地迁移。
策略学习 通过在多任务上的训练来学习一个能适应不同任务的元策略。 将源任务中学到的策略应用到目标任务,可能是策略的直接迁移或部分参数的微调。
具体方法 MAML(Model-Agnostic Meta-Learning)RL^2(RL-Squared) 等方法。 多任务学习(Multi-task Learning)特征迁移(Feature Transfer)模型迁移(Model Transfer)
应用场景 适用于频繁任务变化或多任务的场景,如机器人控制、无人机集群等。 适用于任务间有明确关系,如游戏中的多个关卡、相似的机器人任务。
例子 在多个不同类型的迷宫中训练机器人,学习如何快速适应新迷宫的导航。 将在一个迷宫中学到的导航策略迁移到相似的迷宫中,从而减少目标迷宫中的探索时间。

想要更为了解 元强化学习(Meta Reinforcement Learning)和 基于迁移学习的强化学习(Reinforcement Learning with Transfer Learning)的实现,可以参考下面两篇文章:

【RL Latest Tech】元强化学习(Meta Reinforcement Learning)

【RL】基于迁移学习的强化学习(RL-TL)算法


2.具体解释

1. 元强化学习的工作方式:

        元强化学习的核心思想是学习如何快速学习,也就是“学习如何学习”(Learning to Learn)。它关注的是如何通过少量的数据或训练,在新的任务上快速取得较好的表现。其具体实现方式包括:

  • MAML(Model-Agnostic Meta-Learning):通过元训练,学习一种能通过几次梯度更新快速适应新任务的初始参数。该方法能够适应不同的强化学习任务,而不依赖于具体任务的特定结构。
  • RL^2(Reinforcement Learning Squared):通过在不同任务上训练一个递归神经网络(RNN)作为策略,这个RNN在新的任务中能够快速适应新的环境,表现出学习的能力。

2. 基于迁移学习的强化学习的工作方式:

        基于迁移学习的强化学习关注的是如何将从一个强化学习任务中学到的策略或知识有效地迁移到另一个任务中。其实现方式包括:

  • 策略迁移(Policy Transfer):将从源任务中学到的策略直接应用于目标任务,或者使用源任务中的策略作为目标任务的初始化策略,再在目标任务上进一步训练。
  • 模型迁移(Model Transfer):将源任务中学到的模型参数迁移到目标任务上,只在目标任务中微调部分参数。
  • 特征迁移(Feature Transfer):在源任务中学习到通用的特征表示(例如视觉特征),将这些特征迁移到目标任务中作为输入,减少目标任务的探索空间。

3.两者的应用场景

元强化学习应用场景:

  1. 机器人控制:在不同任务(如从拾取物体到清理地面)的快速适应和切换。
  2. 无人机智能集群:无人机群在不同环境中快速适应任务变化,例如从城市侦察切换到山区搜索。
  3. 个性化推荐系统:不同用户的个性化偏好变化较大时,快速调整推荐策略。

基于迁移学习的强化学习应用场景:

  1. 游戏AI:将学到的策略从一个关卡迁移到相似的关卡,减少目标关卡中的探索时间。
  2. 工业控制:从一个机器人的控制任务中学到的策略迁移到另一个相似的机器人任务中。
  3. 自动驾驶:将一个城市中学到的驾驶策略迁移到另一个城市中,通过适当的微调减少学习时间。

4.总结

  • 元强化学习:关注的是如何在多个不同任务上训练一个元策略,以便在新任务中能够快速适应。它不需要任务之间有严格的关联性,只要能够通过少量数据快速调整策略即可。
  • 基于迁移学习的强化学习:关注的是如何将一个任务中学到的知识或策略迁移到另一个相似任务中,依赖于源任务和目标任务之间的相似性。它通常在源任务中进行充分训练,然后将其迁移到目标任务。

        两者虽然都有助于提高模型在新任务中的适应能力,但元强化学习的应用更加灵活,而迁移学习则更适用于任务间存在显著相似性的情况。


5.元学习(Meta Learning)与迁移学习(Transfer Learning)的区别

        补充:元学习(Meta Learning)和迁移学习(Transfer Learning)也都是为了提高模型在新任务中的学习效率,但它们的工作原理和应用场景有所不同。以下是两者在几个关键维度上的详细比较:

比较维度 元学习(Meta Learning) 迁移学习(Transfer Learning)
目标 学习如何快速学习,即“学习如何学习”,使模型在遇到新任务时快速适应。 将从一个任务中学到的知识迁移到另一个相关任务中,减少目标任务的训练时间。
任务间关系 不要求任务之间有较强的关联性,元学习模型通过泛化能力适应多种任务。 源任务和目标任务之间通常有较强的相似性,如共享特征或领域。
适应方式 学习元策略,使模型能够在面对新任务时快速学到最佳策略。 通过将源任务的知识迁移到目标任务中,减少目标任务中的训练需求。
训练方式 在多个任务上训练,使模型具备快速适应新任务的能力。 先在源任务上训练,然后将知识迁移到目标任务中进行进一步的微调或调整。
模型泛化 通过学习在不同任务之间的共同模式,模型能够在没有见过的任务中迅速泛化。 源任务的知识帮助在目标任务上实现更好的泛化,但如果差异过大,可能导致负迁移。
应用场景 适用于需要频繁适应新任务或动态变化的任务环境,如机器人控制、个性化推荐系统。 适用于任务间有一定的相似性或共享特征的情况,如图像分类、语言模型的迁移。
具体方法 MAML(Model-Agnostic Meta-Learning)元神经网络(Meta Networks) 特征迁移(Feature Transfer)模型迁移(Model Transfer)
例子 训练一个元学习模型,使其能够快速适应不同类型的图像分类任务。 在 ImageNet 上训练的图像分类模型迁移到医学图像分类任务中。
  • 元学习:关注的是模型在多个任务之间如何快速适应,解决的是“如何快速学习”的问题。
  • 迁移学习:关注的是如何将一个任务中学到的知识迁移到另一个相关任务中,解决的是“如何重用已有知识”的问题。

[Python] Transfer Learning实现

        以下是一个简单的迁移学习代码示例,使用 PyTorch 预训练的 ResNet18 模型,将其从 ImageNet 数据集迁移到一个自定义的图像分类任务(例如,猫和狗的分类任务)。代码示例展示了如何加载预训练模型、冻结部分层并在新的数据集上进行微调。

        🔥若是下面代码复现困难或者有问题,欢迎评论区留言;需要以整个项目形式的代码,请在评论区留下您的邮箱📌,以便于及时分享给您(私信难以及时回复)。 

安装依赖

首先,确保已经安装了 PyTorchtorchvision

pip install torch torchvision
"""《迁移学习代码示例》
    时间:2024.09.20
    作者:不去幼儿园
"""
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, models, transforms
from torch.utils.data import DataLoader

# 定义数据预处理和增强
data_transforms = {
    'train': transforms.Compose([
        transforms.Resize((224, 224)),
        transforms.RandomHorizontalFlip(),
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
    ]),
    'val': transforms.Compose([
        transforms.Resize((224, 224)),
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
    ]),
}

# 加载自定义的训练和验证数据集
data_dir = 'data/cats_and_dogs'  # 替换为你的数据集路径
image_datasets = {
    'train': datasets.ImageFolder(root=f'{data_dir}/train', transform=data_transforms['train']),
    'val': datasets.ImageFolder(root=f'{data_dir}/val', transform=data_transforms['val']),
}
dataloaders = {
    'train': DataLoader(image_datasets['train'], batch_size=32, shuffle=True),
    'val': DataLoader(image_datasets['val'], batch_size=32, shuffle=False),
}
dataset_sizes = {x: len(image_datasets[x]) for x in ['train', 'val']}
class_names = image_datasets['train'].classes

# 使用预训练的 ResNet18 模型
model = models.resnet18(pretrained=True)

# 冻结所有层的参数
for param in model.parameters():
    param.requires_grad = False

# 替换最后的全连接层,以适应新的任务(例如二分类:猫和狗)
num_ftrs = model.fc.in_features
model.fc = nn.Linear(num_ftrs, len(class_names))  # 输出类别数

# 将模型移到 GPU(如果可用)
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model = model.to(device)

# 定义损失函数和优化器,只优化新添加的全连接层的参数
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.SGD(model.fc.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

# 定义训练和验证函数
def train_model(model, criterion, optimizer, num_epochs=5):
    for epoch in range(num_epochs):
        print(f'Epoch {epoch}/{num_epochs - 1}')
        print('-' * 10)

        # 每个epoch包含训练和验证阶段
        for phase in ['train', 'val']:
            if phase == 'train':
                model.train()  # 训练模式
            else:
                model.eval()  # 评估模式

            running_loss = 0.0
            running_corrects = 0

            # 遍历数据
            for inputs, labels in dataloaders[phase]:
                inputs = inputs.to(device)
                labels = labels.to(device)

                # 前向传播
                with torch.set_grad_enabled(phase == 'train'):
                    outputs = model(inputs)
                    loss = criterion(outputs, labels)
                    _, preds = torch.max(outputs, 1)

                    # 反向传播 + 优化(仅在训练阶段)
                    if phase == 'train':
                        optimizer.zero_grad()
                        loss.backward()
                        optimizer.step()

                # 统计损失和准确率
                running_loss += loss.item() * inputs.size(0)
                running_corrects += torch.sum(preds == labels.data)

            epoch_loss = running_loss / dataset_sizes[phase]
            epoch_acc = running_corrects.double() / dataset_sizes[phase]

            print(f'{phase} Loss: {epoch_loss:.4f} Acc: {epoch_acc:.4f}')

    print('Training complete')

# 训练模型
train_model(model, criterion, optimizer)

[Notice] 代码说明

  1. 数据预处理

    • 我们使用 torchvision.transforms 对图像进行预处理,包括调整图像大小到 224x224(ResNet 输入大小)、随机水平翻转(数据增强)以及归一化。
    • 数据集加载使用了 ImageFolder,其需要数据存储在指定格式的文件夹中(例如 train/cat 和 train/dog 文件夹分别存储猫和狗的图像)。
  2. 加载预训练模型

    • 使用 torchvision.models.resnet18(pretrained=True) 加载预训练的 ResNet18 模型。
    • 冻结了所有预训练层的参数,只训练最后的全连接层。这是因为我们只想训练最后一层适应新的分类任务,而保留之前学到的通用特征。
  3. 替换全连接层

    • 最后的全连接层被替换为一个新的线性层,输出的类别数为我们新任务的类别数(如 2 类:猫和狗)。
  4. 优化器和损失函数

    • 只优化新的全连接层的参数,因此在定义优化器时,我们只传递 model.fc.parameters()
  5. 训练过程

    • train_model 函数用于训练和评估模型。它包含训练阶段和验证阶段,并在每个 epoch 结束后输出损失和准确率。

执行流程

  1. 准备你的数据集,将其放在指定的 data/cats_and_dogs 文件夹中,按照 train 和 val 的子文件夹进行分类。
  2. 运行代码,它将加载预训练的 ResNet18 模型并微调最后的全连接层。
  3. 训练完成后,你将看到每个 epoch 的损失和准确率。

      文章若有不当和不正确之处,还望理解与指出。由于部分文字、图片等来源于互联网,无法核实真实出处,如涉及相关争议,请联系博主删除。如有错误、疑问和侵权,欢迎评论留言联系作者,或者添加VXRainbook_2联系作者。✨

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