阿爾法狗的工作原理及核心技術(shù)

　　阿爾法圍棋（AlphaGo）是第一個(gè)擊敗人類職業(yè)圍棋選手、第一個(gè)戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍的人工智能程序，由谷歌（Google）旗下DeepMind公司戴密斯·哈薩比斯領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)開發(fā)。

　　那么阿爾法狗的工作原理是什么？相關(guān)技術(shù)又有哪些呢？下面讓我們一起來看看。

　　阿爾法狗工作原理

　　阿爾法圍棋（AlphaGo）為了應(yīng)對(duì)圍棋的復(fù)雜性，結(jié)合了監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)。它通過訓(xùn)練形成一個(gè)策略網(wǎng)絡(luò)（policynetwork），將棋盤上的局勢(shì)作為輸入信息，并對(duì)所有可行的落子位置生成一個(gè)概率分布。然后，訓(xùn)練出一個(gè)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)（valuenetwork）對(duì)自我對(duì)弈進(jìn)行預(yù)測(cè)，以-1（對(duì)手的絕對(duì)勝利）到1（AlphaGo的絕對(duì)勝利）的標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測(cè)所有可行落子位置的結(jié)果。這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)自身都十分強(qiáng)大，而阿爾法圍棋將這兩種網(wǎng)絡(luò)整合進(jìn)基于概率的蒙特卡羅樹搜索（MCTS）中，實(shí)現(xiàn)了它真正的優(yōu)勢(shì)。新版的阿爾法圍棋產(chǎn)生大量自我對(duì)弈棋局，為下一代版本提供了訓(xùn)練數(shù)據(jù)，此過程循環(huán)往復(fù)。

　　在獲取棋局信息后，阿爾法圍棋會(huì)根據(jù)策略網(wǎng)絡(luò)（policynetwork）探索哪個(gè)位置同時(shí)具備高潛在價(jià)值和高可能性，進(jìn)而決定最佳落子位置。在分配的搜索時(shí)間結(jié)束時(shí)，模擬過程中被系統(tǒng)最頻繁考察的位置將成為阿爾法圍棋的最終選擇。在經(jīng)過先期的全盤探索和過程中對(duì)最佳落子的不斷揣摩后，阿爾法圍棋的搜索算法就能在其計(jì)算能力之上加入近似人類的直覺判斷。

　　圍棋棋盤是19x19路，所以一共是361個(gè)交叉點(diǎn)，每個(gè)交叉點(diǎn)有三種狀態(tài)，可以用1表示黑子，-1表示白字，0表示無子，考慮到每個(gè)位置還可能有落子的時(shí)間、這個(gè)位置的氣等其他信息，我們可以用一個(gè)361*n維的向量來表示一個(gè)棋盤的狀態(tài)。我們把一個(gè)棋盤狀態(tài)向量記為s。

　　當(dāng)狀態(tài)s下，我們暫時(shí)不考慮無法落子的地方，可供下一步落子的空間也是361個(gè)。我們把下一步的落子的行動(dòng)也用361維的向量來表示，記為a。

　　這樣，設(shè)計(jì)一個(gè)圍棋人工智能的程序，就轉(zhuǎn)換成為了，任意給定一個(gè)s狀態(tài)，尋找最好的應(yīng)對(duì)策略a，讓你的程序按照這個(gè)策略走，最后獲得棋盤上最大的地盤。

　　阿爾法狗三大核心技術(shù)

　　AlphaGo結(jié)合了3大塊技術(shù)：先進(jìn)的搜索算法、機(jī)器學(xué)習(xí)算法（即強(qiáng)化學(xué)習(xí)），以及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這三者的關(guān)系大致可以理解為：

　　1、蒙特卡洛樹搜索（MCTS）是大框架

　　實(shí)質(zhì)上可以看成一種增強(qiáng)學(xué)習(xí)

　　蒙特卡羅樹搜索（MCTS）會(huì)逐漸的建立一顆不對(duì)稱的樹?？梢苑譃樗牟讲⒎磸?fù)迭代：

　　（1）選擇

　　從根節(jié)點(diǎn)，也就是要做決策的局面R出發(fā)向下選擇一個(gè)最急迫需要被拓展的節(jié)點(diǎn)T；局面R是第一個(gè)被檢查的節(jié)點(diǎn)，被檢查的節(jié)點(diǎn)如果存在一個(gè)沒有被評(píng)價(jià)過的招式m，那么被檢查的節(jié)點(diǎn)在執(zhí)行m后得到的新局面就是我們所需要展開的T；如果被檢查的局面所有可行的招式已經(jīng)都被評(píng)價(jià)過了，那么利用ucb公式得到一個(gè)擁有最大ucb值的可行招式，并且對(duì)這個(gè)招式產(chǎn)生的新局面再次進(jìn)行檢查；如果被檢查的局面是一個(gè)游戲已經(jīng)結(jié)束的游戲局面，那么直接執(zhí)行步驟4；通過反復(fù)的進(jìn)行檢查，最終得到一個(gè)在樹的最底層的最后一次被檢查的局面c和它的一個(gè)沒有被評(píng)價(jià)過的招式m，執(zhí)行步驟2。

　?。?）拓展

　　對(duì)于此時(shí)存在于內(nèi)存中的局面c，添加一個(gè)它的子節(jié)點(diǎn)。這個(gè)子節(jié)點(diǎn)由局面c執(zhí)行招式m而得到，也就是T。

　?。?）模擬

　　從局面T出發(fā)，雙方開始隨機(jī)的落子。最終得到一個(gè)結(jié)果（win/lost），以此更新T節(jié)點(diǎn)的勝利率。

　　（4）反向傳播

　　在T模擬結(jié)束之后，它的父節(jié)點(diǎn)c以及其所有的祖先節(jié)點(diǎn)依次更新勝利率。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的勝利率為這個(gè)節(jié)點(diǎn)所有的子節(jié)點(diǎn)的平均勝利率。并從T開始，一直反向傳播到根節(jié)點(diǎn)R，因此路徑上所有的節(jié)點(diǎn)的勝利率都會(huì)被更新。

　　之后，重新從第一步開始，不斷地進(jìn)行迭代。使得添加的局面越來越多，則對(duì)于R所有的子節(jié)點(diǎn)的勝利率也越來越準(zhǔn)。最后，選擇勝利率最高的招式。

　　實(shí)際應(yīng)用中，mcts還可以伴隨非常多的改進(jìn)。我描述的這個(gè)算法是mcts這個(gè)算法族中最出名的uct算法，現(xiàn)在大部分著名的ai都在這個(gè)基礎(chǔ)上有了大量的改進(jìn)了?！　?、強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）是學(xué)習(xí)方法，用來提升AI的實(shí)力。

　　2、強(qiáng)化學(xué)習(xí) （RL） 是學(xué)習(xí)方法，用來提升AI的實(shí)力

　　強(qiáng)化學(xué)習(xí)是從動(dòng)物學(xué)習(xí)、參數(shù)擾動(dòng)自適應(yīng)控制等理論發(fā)展而來，其基本原理是：

　　如果Agent的某個(gè)行為策略導(dǎo)致環(huán)境正的獎(jiǎng)賞（強(qiáng)化信號(hào)），那么Agent以后產(chǎn)生這個(gè)行為策略的趨勢(shì)便會(huì)加強(qiáng)。Agent的目標(biāo)是在每個(gè)離散狀態(tài)發(fā)現(xiàn)最優(yōu)策略以使期望的折扣獎(jiǎng)賞和最大。

　　強(qiáng)化學(xué)習(xí)把學(xué)習(xí)看作試探評(píng)價(jià)過程，Agent選擇一個(gè)動(dòng)作用于環(huán)境，環(huán)境接受該動(dòng)作后狀態(tài)發(fā)生變化，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)化信號(hào)（獎(jiǎng)或懲）反饋給Agent，Agent根據(jù)強(qiáng)化信號(hào)和環(huán)境當(dāng)前狀態(tài)再選擇下一個(gè)動(dòng)作，選擇的原則是使受到正強(qiáng)化（獎(jiǎng)）的概率增大。選擇的動(dòng)作不僅影響立即強(qiáng)化值，而且影響環(huán)境下一時(shí)刻的狀態(tài)及最終的強(qiáng)化值。

　　強(qiáng)化學(xué)習(xí)不同于連接主義學(xué)習(xí)中的監(jiān)督學(xué)習(xí)，主要表現(xiàn)在教師信號(hào)上，強(qiáng)化學(xué)習(xí)中由環(huán)境提供的強(qiáng)化信號(hào)是Agent對(duì)所產(chǎn)生動(dòng)作的好壞作一種評(píng)價(jià)（通常為標(biāo)量信號(hào)），而不是告訴Agent如何去產(chǎn)生正確的動(dòng)作。由于外部環(huán)境提供了很少的信息，Agent必須靠自身的經(jīng)歷進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過這種方式，Agent在行動(dòng)一一評(píng)價(jià)的環(huán)境中獲得知識(shí)，改進(jìn)行動(dòng)方案以適應(yīng)環(huán)境。

　　強(qiáng)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的目標(biāo)是動(dòng)態(tài)地調(diào)整參數(shù)，以達(dá)到強(qiáng)化信號(hào)最大。若已知r/A梯度信息，則可直接可以使用監(jiān)督學(xué)習(xí)算法。因?yàn)閺?qiáng)化信號(hào)r與Agent產(chǎn)生的動(dòng)作A沒有明確的函數(shù)形式描述，所以梯度信息r/A無法得到。因此，在強(qiáng)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，需要某種隨機(jī)單元，使用這種隨機(jī)單元，Agent在可能動(dòng)作空間中進(jìn)行搜索并發(fā)現(xiàn)正確的動(dòng)作。

　　3、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）是工具，用來擬合局面評(píng)估函數(shù)和策略函數(shù)

　　深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也被稱為深度學(xué)習(xí)，是人工智能領(lǐng)域的重要分支，根據(jù)麥卡錫（人工智能之父）的定義，人工智能是創(chuàng)造像人一樣的智能機(jī)械的科學(xué)工程。

　　通過比較當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值和我們真正想要的目標(biāo)值，再根據(jù)兩者的差異情況來更新每一層的權(quán)重矩陣（比如，如果網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值高了，就調(diào)整權(quán)重讓它預(yù)測(cè)低一些，不斷調(diào)整，直到能夠預(yù)測(cè)出目標(biāo)值）。因此就需要先定義“如何比較預(yù)測(cè)值和目標(biāo)值的差異”，這便是損失函數(shù)或目標(biāo)函數(shù)（lossfunctionorobjectivefunction），用于衡量預(yù)測(cè)值和目標(biāo)值的差異的方程。lossfunction的輸出值（loss）越高表示差異性越大。那神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練就變成了盡可能的縮小loss的過程。

　　所用的方法是梯度下降（Gradientdescent）：通過使loss值向當(dāng)前點(diǎn)對(duì)應(yīng)梯度的反方向不斷移動(dòng)，來降低loss。一次移動(dòng)多少是由學(xué)習(xí)速率（learningrate）來控制的。

　　總結(jié)

　　這三大技術(shù)都不是AlphaGo或者DeepMind團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的技術(shù)。但是強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)將這些結(jié)合在一起，配合Google公司強(qiáng)大的計(jì)算資源，成就了歷史性的飛躍。