单机超越分布式？！强化学习新姿势，并行环境模拟器EnvPool实现速度成本双赢

2022-07-12 13:11:50 浏览数 (1)

机器之心专栏

机器之心编辑部

在训练强化学习智能体的时候，你是否为训练速度过慢而发愁？又是否对昂贵的大规模分布式系统加速望而却步？来自 Sea AI Lab 团队的最新研究结果表明，其实鱼和熊掌可以兼得：对于强化学习标准环境 Atari 与 Mujoco，如果希望在短时间内完成训练，需要采用数百个 CPU 核心的大规模分布式解决方案；而使用 EnvPool，只需要一台游戏本就能完成相同体量的训练任务，并且用时不到 5 分钟，极大地降低了训练成本。

目前，EnvPool 项目已在 GitHub 开源，收获超过 500 Stars，并且受到众多强化学习研究者的关注。

  • 项目地址：https://github.com/sail-sg/envpool
  • 在线文档：https://envpool.readthedocs.io/en/latest/
  • arXiv 链接：https://arxiv.org/abs/2206.10558

EnvPool 是一个基于 C 、高效、通用的强化学习并行环境（vectorized environment）模拟器，不仅能够兼容已有的 gym/dm_env API，还支持了多智能体环境。除了 OpenAI Gym 本身拥有的环境外，EnvPool 还支持一些额外的复杂环境。

目前支持的环境有：

  • Atari games
  • Mujoco（gym）
  • Classic control RL envs: CartPole, MountainCar, Pendulum, Acrobot
  • Toy text RL envs: Catch, FrozenLake, Taxi, NChain, CliffWalking, Blackjack
  • ViZDoom single player
  • DeepMind Control Suite

追求极致速度

EnvPool 采取了 C 层面的并行解决方案。根据现有测试结果，使用 EnvPool 并行运行多个强化学习环境，能在正常笔记本上比主流的 Python Subprocess 解决方案快近 3 倍；使用多核 CPU 服务器能够达到更好的性能。

例如在 NVIDIA DGX-A100（256 核 CPU 服务器）上的测试结果表明，Atari 游戏能够跑出每秒一百多万帧的惊人速度，Mujoco 物理引擎的任务更是能跑出每秒三百多万模拟步数的好成绩，比 Python Subprocess 快近二十倍，比之前最快的 CPU 异步模拟器 Sample Factory 还快两倍。

与此同时，EnvPool CleanRL 的整系统测试表明，使用原始的 PPO 算法，直接把原来基于 Python Subprocess 的主流解决方案替换成 EnvPool，整体系统在标准的 Atari 基准测试中能快近三倍！

标准测试结果表明，对于数量稍大（比如超过 32）的并行环境，Subprocess 的运行效率十分堪忧。

为此有研究者提出分布式解决方案（比如 Ray）和基于 GPU 的解决方案（比如 Brax 和 Isaac-gym）进行加速。分布式方案经过测试，计算资源利用率其实并不高；基于 GPU 的解决方案虽然可以达到千万 FPS，但并不是所有环境都能使用 CUDA 重写，不能很好兼容生态以及不能复用一些受商业保护的代码。

EnvPool 由于采用了 C 层面的并行解决方案，并且大部分强化学习环境都使用 C 实现来保证运行效率，因此只需要在 C 层面实现接口即可完成高效的并行。

打造开放生态

EnvPool 对上下游的生态都有着良好的支持：

  • 对于上游的强化学习环境而言，目前最多使用的是 OpenAI Gym，其次是 DeepMind 的 dm_env 接口。EnvPool 对两种环境 API 都完全支持，并且每次 env.step 出来的数据都是经过 numpy 封装好的，用户不必每次手动合并数据，同时也提高了吞吐量；
  • 对于下游的强化学习算法库而言，EnvPool 支持了目前 PyTorch 最为流行的两个算法库 Stable-baselines3 和 Tianshou，同时还支持了 ACME、CleanRL 和 rl_games 等强化学习算法库，并且达到了令人惊艳的效果（在笔记本电脑上，2 分钟训练完 Atari Pong、5 分钟训练完 Mujoco Ant/HalfCheetah，并且通过了 Gym 原本环境的验证）。

为了更好地营造生态，EnvPool 采用了 Bazel 进行构建，拥有完善的软件工程标准，也提供了高质量的代码、单元测试和在线文档。

使用示例

以下是一些简单的 EnvPool 使用示例。首先导入必要的包：

代码语言：javascript复制
import numpy as np, envpool

以 gym.Env 接口为例，初始化 100 个 Atari Pong 的并行环境，只需要一行代码：

代码语言：javascript复制
env = envpool.make_gym("Pong-v5", num_envs=100)

访问 observation_space 和 action_space 和 Gym 如出一辙：

代码语言：javascript复制
observation_space = env.observation_spaceaction_space = env.action_space

在同步模式下，API 与已有的 Gym API 无缝衔接，只不过第一维大小是并行环境个数：

代码语言：javascript复制
obs = env.reset()  # should be (100, 4, 84, 84)act = np.zeros(100, dtype=int)obs, rew, done, info = env.step(act)

当然也可以只 step/reset 部分环境，只需多传一个参数 env_id 即可：

代码语言：javascript复制
while True:  act = policy(obs)  obs, rew, done, info = env.step(act, env_id)  env_id = info["env_id"]

为了追求极致性能，EnvPool 还支持异步模式的 step/reset，于在线文档和论文中对此进行了详细阐述与实验。

实际体验效果

EnvPool 只需要一句命令 pip install envpool 就能安装，目前仅支持 Linux 操作系统并且 Python 版本为 3.7/3.8/3.9。EnvPool 在短期内会对其他操作系统（Windows 和 macOS）进行支持。

在 EnvPool 的论文中，作者们给出了如下 rl_games 的惊艳结果：只用一台游戏本，在其他条件都完全相同的情况下，把基于 ray 的 vectorized env 实现直接换成 EnvPool，能够直接获得免费的加速。

Atari Pong 使用了 EnvPool，可以在大约 5 分钟的时候训练完成，相比而言 ray 的方案需要在大约 15 分钟的时候训练完成（达到接近 20 的 reward）；Mujoco Ant 更为明显，使用原始 PPO 算法在不到 5 分钟的时间内达到了超过 5000 的 reward，而基于 ray 的解决方案运行了半小时还没达到 5000。

为了验证上述结果的真实性，我们尝试着运行了一下在 EnvPool README 提供的 colab 示例：

  • Pong：https://colab.research.google.com/drive/1iWFv0g67mWqJONoFKNWUmu3hdxn_qUf8?usp=sharing
  • Ant：https://colab.research.google.com/drive/1C9yULxU_ahQ_i6NUHCvOLoeSwJovQjdz?usp=sharing

我们找了台和论文 appendix 中与 rl_games 的实验类似配置的机子：

  • OS: Debian GNU/Linux 11 (bullseye) x86_64
  • Kernel: 5.16.0-0.bpo.4-amd64
  • CPU: AMD Ryzen 9 5950X (32) @ 3.400GHz
  • GPU: NVIDIA GeForce RTX 3080 Ti
  • Memory: 128800MiB

从 colab 的结果来看，Pong 跑到 200 个 epoch 结果已经收敛了，于是设置 200 个 epoch 跑测试，发现在这台测试机上运行代码，居然只需要要 2 分 17 秒就能跑完，并且 reward 能超过 19：

Ant 跑到 1000 个 epoch 结果差不多收敛了。设置 max_epochs 为 1000 之后运行，在 2 分 36 秒之后运行完毕，并且 reward 超过了 5300：

相比 RLLib 和 SeedRL 等工作，使用几百个 CPU 核心的分布式计算，EnvPool rl_games 只用了单机做到了同样的效果（甚至更好），确实不错。

项目作者

Jiayi Weng（翁家翌）是强化学习算法库 Tianshou（天授）的第一作者，目前的研究兴趣主要是对机器学习与强化学习系统进行加速。该项目是他在 Sea AI Lab 的实习项目。CMU 硕士毕业后入职 OpenAI 当任 Research Engineer。

Min Lin（林敏）是 Network in network 的第一作者，在图灵奖获得者 Yoshua Bengio 下从事多年博士后研究，目前就职于 Sea AI Lab；

Shengyi Huang（黄晟益）是 CleanRL 的第一作者，目前在 Drexel University 攻读计算机博士学位。

Bo Liu（刘博）是 TorchOpt 的共同第一作者，目前在北京大学担任研究助理。

Denys Makoviichuk 是 rl_games 的第一作者，目前就职于 Snap 担任多年机器学习部门经理。

Viktor Makoviychuk 目前就职于 NVIDIA，是 Isaac-gym 的第一作者。

Zichen Liu （刘梓辰）就职于 Sea AI Lab，同时也是新加坡国立大学 NUS 的博士生。

Yufan Song（宋宇凡）、Ting Luo（罗婷）、Yukun Jiang（蒋宇昆）是 CMU MCDS 项目的在读学生。

Zhongwen Xu（徐仲文）曾在 DeepMind 担任 Research Scientist，目前就职于 Sea AI Lab。

Shuicheng Yan（颜水成），Sea AI Lab负责人、Sea集团首席科学家。

© THE END 

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