はじめに

Project Bonsaiについて調べてみましたの2回目です。
一回目はこちら「Bonsaiを触ってみる」
前回は、チュートリアルをそのまま実行しただけなので、今回は学習カリキュラム（Inklingコード）を、変えてみたいと思います。

Bonsaiって何？

Microsoftが提供している自律システム向け機械教示サービスです。（現在はPublic Preview）
産業制御システムに焦点を当てた汎用ディープ強化学習プラットフォームのようです

目標を変えてみる。

動かすのはできたので、次は目標の内容を変えてみたいと思います。
現状チュートリアルの目標は、

Poleの角度を、12度以上傾けないようにする
Cartの位置を、0.25m以上動かないようする

Poleを維持するだけでなく、Cartを前方に進むようにしたいと思います。

目標の指定方法

Inklingコードのgoalで設定することができます。
Goalがサポートしている目標は以下の通り

Goalの目標

目標	動作	成功条件
avoid	シミュレート結果が特定の状態にならないように維持します。	指定の状態にならなければ成功
drive	できるだけ早く指定された状態にし、その状態を維持します	反復中に指定された状態の範囲に戻る場合は成功
maxmize	特定の状態の平均値を、指定された範囲内で可能な限り大きくするようにします	トレーニング中の平均テスト値が範囲内の下限を上回っている場合は成功
minimize	特定の状態の平均値を、指定された範囲内で可能な限り小さくするようにします。	トレーニング中の平均テスト値が範囲内の上限を下回っている場合は成功
reach	きるだけ早く指定された状態に移行させるが、維持する必要はない	テスト値が規定の範囲内に少なくとも１回収まると、成功

ゴールの範囲

定義	範囲
Goal.Range(X, Y)	X と Y の間の値 (X と Y を含む)
Goal.RangeAbove(X)	X 以上の値
Goal.RangeBelow(X)	X 以下の値
Goal.Sphere(X, R)	半径 R、中心ポイント (X) の 1D 球 (線) 内の値
Goal.Sphere([X, Y], R)	半径 R、中心ポイント (X, Y) の 2D 球 (円) 内の値
Goal.Sphere([X, Y, Z], R)	半径 R、中心ポイント (X, Y, Z) の 3D 球内の値

※テスト値の次元と、提供された範囲の次元は一致させる必要があります。
例えば、3次元上で動くものが定義されている場合は、テスト値も3次元空間内の位置に対応している必要があります。

補足

目標を使ったGoalの設定が推奨されているようですが、報酬関数や、ターミナル関数という方法を使用して指定することも可能なようです。
「報酬関数とターミナル関数」に記述方法が記載されていますが、一般的なプログラムの書き方に似ているので、機会があれば使ってみたいと思います。

goalの修正

Cartを前方に進ますために、以下のようにGoal条件を修正

修正前

goal (State: SimState) {
    avoid `Fall Over`:
        Math.Abs(State.pole_angle)
        in Goal.RangeAbove(MaxPoleAngle)
     avoid `Out Of Range`:
        Math.Abs(State.cart_position)
        in Goal.RangeAbove(TrackLength / 2)
}

Cartの位置を維持するだけのOut Of Rangeを削除し、
cart_positionが前向きに2m以上で一番大きくなるようなmoveを追加しています。

修正後

goal (State: SimState) {
    avoid `Fall Over`:
        Math.Abs(State.pole_angle)
        in Goal.RangeAbove(MaxPoleAngle)
    maximize `move`:
        State.cart_position
        in Goal.RangeAbove(2)
}

実行する

教育カリキュラムの修正が終わったので、
前回と同じように「Train」ボタンをクリックして、学習を始めます。

余談

ちなみに余談ですが、教育カリキュラムの内容が変わると自動的にバージョン管理されていきます。
変更後も前回の学習を活用することが可能です。
※そもそも一度学習が完了すると、教育カリキュラムを変えるか、学習回数を増やさない限り学習を実行できません。

何かおかしい。

13分（前回の半分程度）実行したけど、目標の達成率が伸びていないです。

グラフ見ると、Poleを倒さない目標（青線）はほぼ100%達成しているけど、2m移動させる目標（緑線）が全然達成で来ていない事がわかります。

入力値を変更

教育カリキュラムを見直した結果、入力値の移動距離が少ないが原因ではないかと過程し、
もっとがっつり動くように移動範囲を修正してみました。

修正前

type SimAction {
    command: number<-1 .. 1>
}

修正後

type SimAction {
    command: number<-3 .. 3>
}

再度実行！

今回も14分くらい学習を実行しました。
前よりも3%ほど改善していますが、まだまだ目的が遠そうです。

合わせて、データグラフも確認してみると、
pole_angleは、安定し、cart_positionも順調に右移動しています。
動きは問題ないので、目標に達するまでに反復回数が終わるの問題と判断しました。

反復回数を増やす

120回で0.55m進んでいるので、2m進めるためにとりあえず回数を4倍に変更してみます。

修正前

training {
    EpisodeIterationLimit: 120
}

修正後

training {
    EpisodeIterationLimit: 480
}

3度目の正直！

ついに目標100%の達成が見えてきました！

失敗するパターンもまだありますが、目標である2mを進むを達成する状況もでてきてます。
このまま、学習が終了するまで待ってみます。

ついに終了！

前回のPoleを保持する学習が28分でしたが、今回は148分なので、4倍にした反復回数以上に増えてます。
変更前は約10万回の反復で目標達成率が100%に達していましたが、
今回は、30万回の反復が必要になるなど、難易度があがっていることがわかります。

目標は2m以上としていましたが、結果として45mも進むようになっています。

気になるから実行

ここで思ったのがSimActionの変更不要だったのでは？ということです。
移動量を戻して、反復回数を増やすパターンも試してみました。

無事に、学習が完了しました。移動量は関係なかったようです。。
ちなみに、移動範囲を小さくした場合の移動量は26mほどでした。

まとめ

教育カリキュラムの修正で、目的の結果は得られたかなと思います。
何度か失敗をしたため、注意する点に気づけたのも大きいです。
※どんどんお金がかかるのはちょっと痛いですが・・

今回は、教育カリキュラムをいじったので、次はシミュレータを触ってみたと思います。

[Project Bonsai] Bonsaiをいじってみる