強化學習（RL），又稱再勵學習、評價學習，是一種重要的機器學習方法，在智能控制機器人及分析預測等領域有許多應用。

那么什么是強化學習？

強化學習是智能系統從環境到行為映射的學習，以使獎勵信號（強化信號）函數值最大，強化學習不同于連接主義學習中的監督學習，主要表現在教師信號上，強化學習中由環境提供的強化信號是對產生動作的好壞作一種評價（通常為標量信號），而不是告訴強化學習系統RLS（reinforcement learning system）如何去產生正確的動作。由于外部環境提供的信息很少，RLS必須靠自身的經歷或能力進行學習。通過這種方式，RLS在行動－評價的環境中獲得知識，改動方案以適應環境。

通俗的講，就是當一個小孩學習有迷茫或困惑時，如果老師發現小孩方法或思路正確，就給他（她）正反饋（獎勵或鼓勵）；否則就給他（她）負反饋（教訓或懲罰），激勵小孩的潛能，強化他（她）自我學習能力，依靠自身的力量來主動學習和不斷探索，最終讓他（她）找到正確的方法或思路，以適應外部多變的環境。

強化學習有別于傳統的機器學習，不能立即得到標記，而只能得到一個反饋（獎或罰），可以說強化學習是一種標記延遲的監督學習。強化學習是從動物學習、參數擾動自適應控制等理論發展而來的。

強化學習原理：

如果Agent的某個行為策略導致環境正的獎賞（強化信號），那么Agent以后產生這個行為策略的趨勢加強。Agent的目標是在每個離散狀態發現最優策略以使期望的折扣獎賞和最大。

強化學習把學習看作試探評價過程，Agent選擇一個動作用于環境，環境接受該動作后狀態發生變化，同時產生一個強化信號（獎或懲）反饋給Agent，Agent根據強化信號和環境當前狀態再選擇下一個動作，選擇的原則是使受到正強化（獎）的概率增大。選擇的動作不僅影響立即強化值，而且影響環境下一時刻的狀態及最終的強化值。

若已知R／A梯度信息，則可直接可以使用監督學習算法。因為強化信號R與Agent產生的動作A沒有明確的函數形式描述，所以梯度信息R／A無法得到。因此，在強化學習系統中，需要某種隨機單元，使用這種隨機單元，Agent在可能動作空間中進行搜索并發現正確的動作。

強化學習模型

強化學習模型包括下面幾個要素：

1） 規則（policy）：規則定義了Agent在特定的時間特定的環境下的行為方式，可以視為是從環境狀態到行為的映射，常用 π來表示。可以分為兩類：

確定性的policy（Deterministic policy）： a＝π（s）

隨機性的policy（Stochastic policy）： π（a｜s）＝P［At＝a｜St＝t］

其中，t是時間點，t＝0，1，2，3，……

St∈S，S是環境狀態的集合，St代表時刻t的狀態，s代表其中某個特定的狀態；

At∈A（St），A（St）是在狀態St下的actions的集合，At代表時刻t的行為，a代表其中某個特定的行為。

2） 獎勵信號（areward signal）：Reward是一個標量值，是每個time step中環境根據agent的行為返回給agent的信號，reward定義了在該情景下執行該行為的好壞，agent可以根據reward來調整自己的policy。常用R來表示。

3） 值函數（valuefunction）：Reward定義的是立即的收益，而value function定義的是長期的收益，它可以看作是累計的reward，常用v來表示。

4） 環境模型（a modelof the environment）：整個Agent和Environment交互的過程可以用下圖來表示：

Agent作為學習系統，獲取外部環境Environment的當前狀態信息St，對環境采取試探行為At，并獲取環境反饋的對此動作的評價Rt＋1和新的環境狀態St＋1 。如果Agent的某動作At導致環境Environment的正獎賞（立即報酬），那么Agent以后產生這個動作的趨勢便會加強；反之，Agent產生這個動作的趨勢將減弱。在強化學習系統的控制行為與環境反饋的狀態及評價的反復交互作用中，以學習的方式不斷修改從狀態到動作的映射策略，達到優化系統性能目的。

強化學習設計考慮：

1）如何表示狀態空間和動作空間。

2）如何選擇建立信號以及如何通過學習來修正不同狀態－動作對的值。

3）如何根據這些值來選擇適合的動作。

強化學習常見算法：

強化學習的常見算法包括：1）時間差分學習（Temporal difference learning）；2）Q學習（Q learning）；3）學習自動（LearningAutomata）；4）狀態－行動－回饋－狀態－行動（State－Action－Reward－State－Action）等。

強化學習目標：

強化學習通過學習從環境狀態到行為的映射，使得智能體選擇的行為能夠獲得環境最大的獎賞，使得外部環境對學習系統在某種意義下的評價（或整個系統的運行性能）為最佳。簡單的說，強化學習的目標是動態地調整參數，達到強化信號最大。

強化學習應用前景：

前段時間被刷屏的機器人，大家一定不陌生吧，來自波士頓動力的機器人憑借出色的平衡性給大家留下了深刻的印象。機器人控制領域就使用了大量的強化學習技術。除此之外，游戲、3D圖像處理、棋類（2016年備受矚目的AlphaGo圍棋）、等領域都有應用。

機 器 人

游 戲

3D 圖 像 處 理

人 機 大 戰

結語：

強化學習是通過對未知環境一邊探索一邊建立環境模型以及學習得到一個最優策略。強化學習與其他機器學習算法不同的地方在于沒有監督者，只有一個Reward信號，而且反饋是延遲的。強化學習是人工智能之機器學習中一種快速、高效且不可替代的學習算法，實際上強化學習是一套很通用的解決人工智能問題的框架，值得人們去研究。另外，深度學習［參見人工智能（22）］和強化學習相結合，不僅給強化學習帶來端到端優化便利，而且使得強化學習不再受限于低維空間，極大地拓展了強化學習的使用范圍。谷歌DeepMind中深度強化學習領頭人David Silver曾經說過，深度學習（DL）＋ 強化學習（RL） ＝ 人工智能（AI）。