飞桨强化学习框架PARL发布首个工业级深度进化学习库EvoKit

深度进化学习库EvoKit

PARL 1.3 重点发布了首个工业级进化学习框架EvoKit，支持大规模神经网络在真实业务场景中调研和部署进化学习算法，针对性解决进化学习算法部署到业务场景所遇到的难题。

什么是进化学习算法？

进化学习（Evolution Strategy）借鉴自然界种群进化过程，通过演化的方式找到全局最优。进化学习由来已久，近年来被不少学者用于解决强化学习（Reinforcement Learning），AutoML（Auto Machine Learning）等场景的问题。相对于梯度优化而言，进化学习直接通过参数空间的扰动来观察最终目标（如下视频所示），并且和强化学习一样，进化学习不要求优化目标和参数之间可导，因此适用范围非常广泛，易于并行化。基于EvoKit，可以利用数百台CPU优化百万量级参数的模型。

进化学习能用到哪些地方？

1. 优化目标和模型之间不可导的场景。例如，模型超参数的搜索；一些推荐类产品留存，总时长等不能建模，或者直接建模成本较高的场景。

2. 模型和业务规则逻辑或和其他流程耦合的场景。例如，某业务线的流程包括上下游总共十几个模块串行处理，希望优化中间某个模块的模型参数，但是下游处理模块的逻辑对于当前优化是黑箱。通过进化算法可以避免黑箱对于优化的不确定性，直接提升最终评价指标。

3. 元学习。很多模型不是直接使用，而是需要在多个场景上进一步fine-tune。进化学习算法可以利用最终fine-tune结果来优化元学习模型，破解求导链条过长等问题。

EvoKit有哪些特点？

1. EvoKit提供一整套可供线下调研及线上部署的进化学习工具。线下借助飞桨开源框架 API实现快速调研，线上基于Paddle Lite等工具，支持以较小的成本完成调研到上线的流程。同时，EvoKit提供包含异步更新机制，参数压缩和还原等线上业务普遍需求的功能。

2. EvoKit使用上非常便利。用户可以利用飞桨开源框架 API搭建任意结构的复杂网络。进化学习算法包含两个关键步骤，采样（或者扰动）和更新。网络参数不断通过扰动收集反馈，并基于相关反馈迭代进化网络（如上图所示）。EvoKit定义了主接口分别用于网络的扰动（AddNoise）和更新迭代(Update)。用户只需通过简单几行代码就能实现完整的进化流程，下图展示了一个伪代码的样例。EvoKit内置了包括ES, GA, CMA-ES等常用进化策略，也提供了很好的便于二次开发的可扩展接口，可以方便实现新的算法。

多智能体强化学习

PARL 1.3还实现了全新的多智能体强化学习算法（Multi-Agent RL，MARL）的框架支持。MARL是RL挑战群体决策问题的“杀手锏”，可以被广泛运用在包括地图派单，游戏AI， 任务分配等等问题中，但是算法的复现难度比起传统算法更大。很多RL框架很难利用一套框架兼容多种单智能体RL算法和MARL算法的开发。PARL在这一点上有新的突破。在单智能体算法中，PARL抽象出了Model、Algorithm、Agent三个模块，分别定义了前向网络（forward）、算法损失函数（backward）、数据交互等逻辑（见下图）。这种以智能体为核心的设计方式，在扩展到多智能体算法的时候，只需创建多个Agent实例，就可以让多个智能体交互起来，共同更新MARL算法。

以主流的MADDPG算法的评估为例，可以看到PARL在MARL的扩展性：

当通过Model、Algorithm搭建好多个Agent之后，这些Agent可以很方便地和环境进行交互，存储各自的数据，然后训练模型。PARL1.3此次开源的MADDPG算法在OpenAI的8个MARL场景都进行了验证，效果能完全复现最优的表现。

此外，PARL 1.3版本还针对使用文档、应用样例进行了全面梳理，并开源了NuerIPS 2019强化学习赛事的冠军解决方法。

基于这些全新的功能，希望PARL和EvoKit能给相关领域的同学带来新的便利，助力强化学习和进化学习算法在工业场景的进一步应用落地。

PARL和EvoKit完全开源，欢迎大家使用，反馈和贡献。

PARL链接：

https://github.com/PaddlePaddle/PARL

如在使用过程中有技术问题，欢迎加入飞桨官方QQ群进行提问：703252161

飞桨开源框架项目地址：

GitHub: https://github.com/PaddlePaddle/Paddle

Gitee: https://gitee.com/paddlepaddle/Paddle