Deep Recurrent Q-Learning for Partially Observable MDPs

　  摘要：DQN 的两个缺陷，分别是：limited memory 和 rely on being able to perceive the complete game screen at each decision point.

　　为了解决这两个问题，本文尝试用 LSTM 单元 替换到后面的 fc layer，这样就产生了 Deep Recurrent Q-Network （DRQN），虽然每一个时间步骤仅仅能看到一张图像，仍然成功的结合了相关信息，在Atari games 和 partically observed equivalents feature flikering game screens，得到了 DQN 相当的效果。另外，当用部分观测进行训练，并且用逐渐增加的完整的观测时，DRQN 的性能和观测成一定的函数关系。相反的，当用全屏进行训练的时候，用部分观测进行评估，但是DRQN 的性能却比 DQN 的效果要差。所以，给定同样长度的历史，recurrency 是一种实际可行的方法来存储 DQN 的输入层的历史。

　    引言：开头讲了 DQN 取得的成功，后面开始说他的两个弱点，使得 MDP问题逐渐变成了 部分观测的马尔科夫决策过程（partically-observable markov decision process）。

　　像下图所展示的那样，仅仅给定一帧图像，许多游戏就变成了 POMDPs。一个例子就是，我们只能知道这个球的位置，但是无法得知其速度。但是知道球的运动方向是非常重要的，因为这将会决定最优的踏板的位置。

　　我们观测到 DQN 的性能在给定不完全的状态观测时，性能就会下降。我们假设 DQN 可以被改善的能够处理 POMDPs，通过引入 RNN 的 advances 。 所以，我们引入了 Deep Recurrent Q-Network (DRQN)，组合了 LSTM 和 Deep Q-network。关键的是，我们表明 DRQN 能够处理部分观测的情况，and that recurrency confers benefits when the quality of observations change during evaluation time .

　　

　　Deep Q-learning 的简介（略）

　　Partical Observability : 

　　在真实世界的环境中，很少有 full state of the system 可以提供给 agent 。换句话说，马尔科夫属性在这样的环境中，几乎不成立 。部分观测的 MDPs 可以更好的抓住环境的动态，通过显示的认识到：agent 接受到的感知都是潜在系统状态的部分glimpse （only partical glimpses of  the underlying system state）。形式上来说，POMDP 可以表达为 6个变量：

　　(S, A, P, R, X, O). 假设这几个变量分别为：状态，动作，转移函数，奖励，X 表示真实的环境，但是agent 只能感知其部分信息 o 。

　　在一般情况下，预测一个 Q-value 可能是不准确的，是因为： $Q(o, a|\theta) != Q(s, a|\theta)$ 。

　　我们的实验表明，添加了 recurrency 到 DQN 当中，允许 Q-network 能够更好的预测潜在的系统状态，缩小上述不等式两者之间的差距。从而更加准确的预测 Q values ，进一步的提升学习到的策略。

　　DRQN Architecture：

　　像图 2 所示的那样，DRQN 的结构是将 DQN 上的 第一个 fc layer 替换成了 LSTM 单元。

　　

　　对于输入来说，Recurrent network 输入一张 84*84 的图像。