ray.rllib 入门实践-5：训练算法

前面的博客介绍了ray.rllib中算法的配置和构建，也包含了算法训练的代码。但是rllib中实现算法训练的方式不止一种，本博客对此进行介绍。很多教程使用 PPOTrainer 进行训练，但是 PPOTrainer 在最近的 ray 版本中已经取消了。

环境配置：

torch==2.5.1

ray==2.10.0

ray[rllib]==2.10.0

ray[tune]==2.10.0

ray[serve]==2.10.0

numpy==1.23.0

python==3.9.18

方式1： algo.train()

rllib 中的 Algorithm 类自带了.train() 函数，实现算法训练，前面几个博客教程均是采用的这种方式。这里仅再提供一下示例，不再赘述：

import os 
from ray.rllib.algorithms.ppo import PPO,PPOConfig
from ray.tune.logger import pretty_print
 
## 配置算法
storage_path = "F:/codes/RLlib_study/ray_results/build_method_3"
config = PPOConfig()
config = config.rollouts(num_rollout_workers=2)
config = config.resources(num_gpus=0,num_cpus_per_worker=1,num_gpus_per_worker=0)
config = config.environment(env="CartPole-v1",env_config={})
config.output = storage_path  ## 设置过程文件的存储路径
 
## 构建算法
algo = config.build()
 
## 训练
for i in range(3):
    result = algo.train() 
    print(f"episode_{i}")

方式2：tune.Tuner()

以上方式只能固定训练超参数，不能对训练超参数寻优。ray中还有一个模块 tune, 专门用于算法训练过程中超参数调参。

在使用tune.Tuner()执行rllib算法训练时，可以默认为tune背后自动执行了以下操作：

algo = PPOConfig().build() ## 构建算法

result = algo.train() ## 算法训练

print(pretty_print(result)) ## 每完成一次algo.train，打印一次阶段性训练结果

algo.save_checkpoint() ## 保存训练模型

并且遍历了多个超参数组合，多次进行训练。直到达到停止训练的条件（自己配置）。

基于tune的rllib训练示例如下(代码篇幅比较大是因为添加的功能模块和注释比较多，后面的介绍主要以方式一为主，所以对于这种方式，这里介绍的多一些)：

import ray 
from ray.rllib.algorithms.ppo import PPO,PPOConfig 
from ray import train, tune
import torch 
import os 
import shutil 
from ray.tune.logger import pretty_print 
import gymnasium as gym 

ray.init()

####  配置算法  ####
config = PPOConfig()
config = config.training(lr=tune.grid_search([0.01, 0.001]))
config = config.environment(env="CartPole-v1")

####  配置 tune  ####

## 准备 tune 的 stop_condition，多个条件之间是”或“的关系。有一个满足即停止训练。 
##   'episode_reward_mean'关键字将在 ”ray-2.40”版中中被抛弃，
##   届时需要用 'env_runners/episode_return_mean' 替代 'episode_reward_mean'
stop_condition = {
    'episode_reward_mean':10,    ## 这里设置的结束条件很宽松，所以能够快速结束训练。
    "training_iteration":3
    }

## 准备 tune 的过程文件存储路径
storage_path = "F:/codes/RLlib_study/ray_results"
os.makedirs(storage_path, exist_ok=True)

## 准备 tune 的 checkpoint_config
##    tune 默认保存每个 algo.train() 训练得到的 checkpoint.
##    通过以下配置，可以对此进行自定义修改
checkpoint_config =  train.CheckpointConfig(num_to_keep=None, ## 保存几个checkpoint, None 表示保存所有checkpoint
                                            checkpoint_at_end=True) ## 是否在训练结束后保存 checkpoint. 

## 配置 tuner
tuner = tune.Tuner(
    PPO,                                       ## 需要是一个 rllib 的 Algorithm 类， 从 ray.rllib.algorithms 导入， 也可以是自定义的，后面介绍                   
    run_config = train.RunConfig(
        stop = stop_condition, 
        checkpoint_config = checkpoint_config,  ## 用于设置保存哪个checkpoint. 
        storage_path = storage_path,            ## 如果不设置， 默认存储路径是 “~/ray-results” 或 “C:/用户/xxx/ray_results”
    ),
    param_space=config,  ## 这里定义了参数搜索调优空间，是一个 PPOConfig 对象
)

## 执行训练                         
results = tuner.fit() ## tuner 返回一个Result表格对象，该对象允许进一步分析训练结果并检索经过训练的智能体的checkpoint。
print("====训练结束====")

## 获取最佳训练结果
best_result = results.get_best_result(metric="episode_reward_mean", mode="max")
## 以 "episode_reward_mean" 为选择指标， 从results里面选择checkpoint, 选择模式是“max”，
## 'episode_reward_mean'关键字将在ray-2.40版中中被抛弃，届时需要用 'env_runners/episode_return_mean' 替代 'episode_reward_mean'


## 从最佳训练结果中提取对应的 checkpoint ， 并保存
checkpoint_save_dir = "F:/codes/RLlib_study/ray_results/best_checkpoints"
os.makedirs(checkpoint_save_dir, exist_ok=True)

best_checkpoint = best_result.checkpoint 
if best_checkpoint:
    with best_checkpoint.as_directory() as checkpoint_dir:
        print(f"====最佳模型路径位于:{checkpoint_dir}====")
        ## 把最佳模型转存到指定位置。 
        shutil.rmtree(checkpoint_save_dir)
        shutil.copytree(checkpoint_dir,checkpoint_save_dir)
        print(f"====保存最佳模型到:{checkpoint_save_dir}====")

## 加载保存的最佳模型
checkpoint_dir = "F:/codes/RLlib_study/ray_results/best_checkpoints"
algo = PPO.from_checkpoint(checkpoint_dir)
print(f"==== 加载最佳模型： {checkpoint_dir}")

## evaluate 模型
env_name = "CartPole-v1"
env = gym.make(env_name)

## 模型推断: method-1
step = 0
episode_reward = 0
terminated = truncated = False 

obs,info = env.reset()
while not terminated and not truncated:
    action = algo.compute_single_action(obs)
    obs, reward, terminated, truncated, info = env.step(action)
    episode_reward += reward
    step += 1
    print(f"step = {step}, reward = {reward}, action = {action}, obs = {obs}, episode_reward = {episode_reward}")

ray.rllib 入门实践-5： 训练算法

方式1： algo.train()

方式2：tune.Tuner()

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