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개발자로서 현장에서 일하면서 새로 접하는 기술들이나 알게된 정보 등을 정리하기 위한 블로그입니다. 운 좋게 미국에서 큰 회사들의 프로젝트에서 컬설턴트로 일하고 있어서 새로운 기술들을 접할 기회가 많이 있습니다. 미국의 IT 프로젝트에서 사용되는 툴들에 대해 많은 분들과 정보를 공유하고 싶습니다.
솔웅

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Introduction to reinforcement learning

 

Developers, start your engines!

This guide will walk you through the basics of reinforcement learning (RL), how to train an RL model, and define the reward functions with parameters.

With this knowledge, you’ll be ready to race in the 2019 AWS DeepRacer League.

 

 

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Introduction to Reinforcement Learning

 

d2k9g1efyej86q.cloudfront.net

 

(RL)Reinforcement learning (RL)은 기계 학습 machine learning의 한 유형으로, agent가 원하는 임무를 어떻게 수행할 것인가를 배우기 위해 주어진 환경environment 을 탐구하는 것입니다. 좋은 결과를 위한 액션을 취하고 나쁜 결과를 초래하는 액션은 회피함으로서 원하는 임무에 최적화 된 행동을 학습하게 됩니다.  

reinforcement learning 모델은 경험을 통해 배우며 시간이 지남에 따라 어떤 행동이 최상의 보상reward으로 이어질지 식별 할 수 있게 됩니다.

 

다른 타입의 machine learning

 

Supervised learning

예제 중심 교육 - 주어진 입력들에 대해 알려진 출력들에 대한 레이블된 데이터를 가지고 이 모델은 새로운 입력에 대한 출력을 예측하도록 훈련됩니다. 

 

Unsupervised learning

추론 기반 교육 - 알려진 출력이 없는 레이블된 데이터를 가지고 이  모델은 입력 데이터 내의 관련 구조 또는 유사한 패턴을 식별하도록 훈련됩니다.

 

How does AWS DeepRacer learn to drive by itself?

 

In reinforcement learning, an agent interacts with an environment with an objective to maximize its total reward.

The agent takes an action based on the environment state and the environment returns the reward and the next state. The agent learns from trial and error, initially taking random actions and over time identifying the actions that lead to long-term rewards.

Let's explore these ideas and how they relate to AWS DeepRacer.

 

reinforcement learning에서 agent 는 환경environment 과 상호 작용하여 총 보상reward을 최대화합니다.

agent 는 환경environment  상태state 에 따라 조치를 취하고 환경environment  은 보상reward과 다음 상태state 를 반환합니다. 에이전트agent 는 초기에 무작위로 행동을 취하고 시간이 지남에 따라 장기 보상long-term rewards으로 이어지는 행동을 식별함으로써 이러한 시행 착오를 통해 학습합니다.

이런 각각의 개념들을 살펴보고 AWS DeepRacer와의 관계에 대해서도 알아보겠습니다.

Agent

The agent simulates the AWS DeepRacer vehicle in the simulation for training. More specifically, it embodies the neural network that controls the vehicle, taking inputs and deciding actions.

 

에이전트agent 는 훈련을 하기 위해 시뮬레이션에서 AWS DeepRacer 차량을 시뮬레이트 합니다. 보다 구체적으로, 차량을 제어하고 입력을 취하고 행동을 결정하는 신경망을 구현합니다.

 

Environment

The environment contains a track that defines where the agent can go and what state it can be in. The agent explores the envrionment to collect data to train the underlying neural network.

 

환경environment 은 에이전트agent 가 어디로 갈 수 있고 어떤 상태에 놓일 수 있는 지에 대해 정의하는 트랙으로 구성됩니다.  에이전트는 기본 신경 네트워크를 훈련하기 위해 주어진 환경(트랙)을 탐색하면서 데이터를 수집합니다.

 

State

A state represents a snapshot of the environment the agent is in at a point in time.

For AWS DeepRacer, a state is an image captured by the front-facing camera on the vehicle.

 

상태state 는 특정 시점에 에이전트가있는 환경의 스냅 샷을 가리킵니다.
AWS DeepRacer의 경우 상태는 차량의 전면 카메라가 캡처 한 이미지입니다.

 

Action

An action is a move made by the agent in the current state. For AWS DeepRacer, an action corresponds to a move at a particular speed and steering angle.

 

동작action 은 현재 상태에서 agent가 수행 한 동작입니다. AWS DeepRacer의 경우 동작은 특정 속도 및 방향(핸들) 각도 등의 움직임과 관계된 액션을 말합니다. 

 

Reward

The reward is the score given as feedback to the agent when it takes an action in a given state.

In training the AWS DeepRacer model, the reward is returned by a reward function. In general, you define or supply a reward function to specify what is desirable or undesirable action for the agent to take in a given state.

 

보상reward은 어떤 주어진 상태에서 action를 취했을 때 agent 에게 피드백으로 주어지는 점수입니다.

AWS DeepRacer 모델을 교육 할 때 보상reward reward function에 의해 반환됩니다. 일반적으로 agent 가 주어진 상태에서 취할 수있는 바람직하거나 바람직하지 않은 작업을 지정하기 위해 보상 기능을 정의하거나 제공합니다.

 

 

 

훈련은 반복적 인 과정입니다. 시뮬레이터에서 에이전트는 환경을 탐색하고 경험을 쌓습니다. 수집 된 경험은 신경망을 주기적으로 업데이트하는 데 사용되며 업데이트 된 모델은 더 많은 경험을 생성하는 데 사용됩니다.

 

AWS DeepRacer를 사용하여 자율 운전을 위한 차량을 교육합니다. 교육 과정을 시각화하는 것이 까다로울 수 있으므로 간단한 예를 살펴 보겠습니다.

 

 

이 예에서는 출발점에서 결승점까지 차량이 최단 경로로 갈 수 있도록 훈련시키려고 합니다.

 

우리는 환경environment 을 사각형 격자로 단순화했습니다. 각 사각형은 개별 상태를 나타내며, 목표 방향으로 차량을 위 또는 아래로 움직일 수 있습니다.

 

 

grid 내의 각 격자(사각형)마다 점수를 할당 할 수 있습니다. 그럼으로서 어떤 행동에 인센티브를 줄지 결정할 수 있게 됩니다. 

 

여기서 우리는 트랙의 가장자리에있는 사각형들을 "정지 상태 stop states"로 지정하여 차량이 트랙에서 벗어 났음을 알립니다.

 

우리가 트랙의 중심을 주행하는 법을 배울 수 있게 하도록 차량에 인센티브를 부여하기를 원하기 때문에 센터 라인의 사각형에 높은 보상reward 을 설정하고 다른 곳에는 보다 낮은 보상reward 을 설정합니다.

 

An episode

In reinforcement training, the vehicle will start by exploring the grid until it moves out of bounds or reaches the destination.

 

As it drives around, the vehicle accumulates rewards from the scores we defined. This process is called an episode.

In this episode, the vehicle accumulates a total reward of 2.2 before reaching a stop state.

 

reinforcement training은 여기서 차량이 grid 를 탐색하기 시작하여 경계를 벗어나거나 목적지까지 도달하면 일단락 하게 됩니다.

 

차량이 움직이게 되면 우리가 지정한 점수에 따라 rewards 가 점점 쌓이게 됩니다. 이러한 과정을 에피소드라고 합니다. 위 에피소드에서 이 차량이 stop state에 도달하기 까지 총 2.2 점의 reward 를 쌓았습니다.  

 

Iteration

Reinforcement learning algorithms are trained by repeated optimization of cumulative rewards.

 

Reinforcement learning algorithms은 누적된 rewards를 최적화 (최대화) 하기 위해 반복해서 훈련하게 됩니다.

 

The model will learn which action (and then subsequent actions) will result in the highest cumulative reward on the way to the goal.

 

이 모델은 우리가 목표로 하는 것을 달성하기 위한 최대화된 누적보상의 결과를 가져 올 수 있게 하는 것이 어떤 행동 (그리고 후속 행동)인가를 배우게 됩니다. 

 

Learning doesn’t just happen on the first go; it takes some iteration. First, the agent needs to explore and see where it can get the highest rewards, before it can exploit that knowledge.

 

학습은 한번에 완성되지 않습니다. 반복이 필요합니다. 첫째, 에이전트는 knowledge를 취하기 전에 가장 높은 보상을 받을 수 있는 것이 어떤 것인지를 탐색해야 합니다. 

 

Exploration

As the agent gains more and more experience, it learns to stay on the central squares to get higher rewards.

If we plot the total reward from each episode, we can see how the model performs and improves over time.

 

agent 는 점점 더 많은 경험을 쌓게 됩니다. 그러는 와중에 더 많은 점수를 얻으려면 중앙 격자를 계속 따라가야 한다는 것을 배우게 될 것입니다. 

 

각 에피소드별 보상 점수가 어떤지를 보면 이 모델이 어떤 퍼포먼스를 보여주고 있고 얼마나 개선되고 있는지를 알 수 있습니다.

Exploitation and Convergence

With more experience, the agent gets better and eventually is able to reach the destination reliably.

 

경험이 많아질 수록 agent 는 점점 더 나아지고 결국에는 목표에 도달할 수 있게 됩니다.

 

Depending on the exploration-exploitation strategy, the vehicle may still have a small probability of taking random actions to explore the environment.

 

이 exploration-exploitation strategy(탐사-탐사 전략)에 근거해서 차량은 환경을 탐사하기 위한 랜덤한 액션 (무작위 행동)을 할 가능성이 점점 더 줄어들게 됩니다.

 

 

 

AWS DeepRacer에서 보상 기능 reward function은 현재 상태를 설명하고 숫자 보상 값을 반환하는 특정 매개 변수가있는 Python 함수입니다.

 

보상 기능으로 전달 된 매개 변수는 트랙의 위치와 방향, 관측 된 속도, 조향 각도 등과 같은 차량 상태의 다양한 측면을 나타냅니다.

 

우리는이 매개 변수 중 몇 가지를 탐색하고 트랙 주변을 따라 차량을 묘사하는 방법을 살펴 보겠습니다.

 

  • Position on track
  • Heading
  • Waypoints
  • Track width
  • Distance from center line
  • All wheels on track
  • Speed
  • Steering angle

1. Position on track

The parameters x and y describe the position of the vehicle in meters, measured from the lower-left corner of the environment.

 

매개 변수 x 및 y는 환경의 왼쪽 하단 모서리에서 측정 한 차량의 위치를 미터 단위로 나타냅니다.

 

 

2. Heading

The heading parameter describes the orientation of the vehicle in degrees, measured counter-clockwise from the X-axis of the coordinate system.

 

heading 매개 변수는 좌표계의 X 축에서 시계 반대 방향으로 측정 한 차량의 방향을 도 단위로 나타냅니다.

 

 

3. Waypoints

The waypoints parameter is an ordered list of milestones placed along the track center.

Each waypoint in waypoints is a pair [x, y] of coordinates in meters, measured in the same coordinate system as the car's position.

 

waypoints 매개 변수는 트랙 센터를 따라 배치 된 마일스톤의 정렬 된 목록입니다.
waypoints 안에있는 각 waypoints 는  자동차의 위치에 대해 좌표계에서 측정 된 미터 단위의 좌표 [x, y] 쌍입니다.

 

 

4. Track width

The track_width parameter is the width of the track in meters.

 

track_width parameter는 미터로 된 트랙의 너비 입니다.

 

 

5. Distance from center line

The distance_from_center parameter measures the displacement of the vehicle from the center of the track.

The is_left_of_center parameter is a boolean describing whether the vehicle is to the left of the center line of the track.

 

distance_from_center 매개 변수는 트랙의 중심에서 차량의 변위를 측정합니다.
is_left_of_center 매개 변수는 차량이 트랙의 중심선 왼쪽에 있는지 여부를 나타내는 boolean  값입니다.

 

 

6. All wheels on track

The all_wheels_on_track parameter is a boolean (true / false) which is true if all four wheels of the vehicle are inside the track borders, and false if any wheel is outside the track.

 

all_wheels_on_track 매개 변수는 boolean  (true / false)이며 차량의 네 바퀴가 모두 트랙 테두리 안에 있으면 true이고, 하나라도 바퀴가 밖에 있으면 false가 됩니다.

 

 

7. Speed

The speed parameter measures the observed speed of the vehicle, measured in meters per second.

 

speed parameter는 초속 몇미터인가를 나타내는 차량의 관측된 속도입니다.

 

 

8. Steering angle

The steering_angle parameter measures the steering angle of the vehicle, measured in degrees.

This value is negative if the vehicle is steering right, and positive if the vehicle is steering left.

 

steering_angle 매개 변수는 차량의 조향 각도를 도 단위로 측정합니다.
이 값은 차량이 오른쪽으로 조향하는 경우 음수이고 차량이 좌회전하는 경우 양수입니다.

 

 

read the detailed documentation

 

Train and Evaluate AWS DeepRacer Models Using the AWS DeepRacer Console - AWS DeepRacer

Train and Evaluate AWS DeepRacer Models Using the AWS DeepRacer Console To train a reinforcement learning model, you can use the AWS DeepRacer console. In the console, create a training job, choose a supported framework and an available algorithm, add a re

docs.aws.amazon.com

 

 

The Reward Function.

 

Putting it all together

With all these parameters at your disposal, you can define a reward function to incentivize whatever driving behavior you like.

Let's see a few examples of reward functions and how they use the parameters to determine a reward. The following three reward functions are available as examples in the AWS DeepRacer console so you can try them out and see how they behave, or submit them to the AWS DeepRacer League.

 

이러한 모든 매개 변수를 마음대로 활용하면 원하는 운전 행동에 대한 인센티브를 주는 보상 기능을 정의 할 수 있습니다.

보상 기능의 몇 가지 예와 보상을 결정하기 위해 매개 변수를 사용하는 방법을 살펴 보겠습니다. AWS DeepRacer 콘솔에서 다음과 같은 세 가지 보상 기능을 사용할 수 있으므로 이를 시험해보고 어떻게 동작하는지 보거나 AWS DeepRacer League에 제출할 수 있습니다.

 

 

이 예에서는 자동차가 궤도에 머무를 때 높은 보상을주고 차가 궤도 경계를 벗어나는 경우 페널티를줍니다.

이 예제에서는 all_wheels_on_track, distance_from_center 및 track_width 매개 변수를 사용하여 자동차가 트랙에 있는지 여부를 확인하고 높은 경우 보상을 제공합니다.

이 기능은 트랙에 머무르는 것 이외의 특정 종류의 행동에 대해 보상하지 않으므로이 기능으로 교육받은 agent 는 특정 행동으로 수렴하는 데 시간이 오래 걸릴 수 있습니다.

 

 

 

 

이 예제에서 우리는 트랙의 중심에서 차가 얼마나 떨어져 있는지 측정하고, 차가 중심선에 가까이 있으면 더 높은 보상을줍니다.

이 예제에서는 track_width 및 distance_from_center 매개 변수를 사용하고 트랙의 중심에서 차가 멀어 질수록 보상이 줄어 듭니다.

이 예는 보상의 대상이되는 운전 행동의 유형에 따라 다르므로이 기능을 사용하여 교육을받은 agent는 트랙을 잘 따라갈 수 있습니다. 그러나 모서리의 가속이나 제동과 같은 다른 행동을 배우기는 쉽지 않습니다.

 

 

 

대안의 전략 alternative strategy은 자동차가 운전하는 방식에 관계없이 각 단계에 대해 지속적인 보상을 제공하는 것입니다.

이 예제는 입력 매개 변수를 사용하지 않고 각 단계마다 상수 보상 1.0을 반환합니다.

에이전트의 유일한 인센티브는 트랙을 성공적으로 끝내는 것이고, 더 빠르게 운전하거나 특정 경로를 따라갈 인센티브가 없습니다. 그것은 불규칙하게 행동 할 수 있습니다.

그러나 보상 기능은 agent의 행동을 제한하지 않으므로 예상치 못한 전략과 행동을 탐색하여 오히려 실적이 좋을 수도 있습니다.