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一个使用Python和相关深度学习库（如`PyTorch`）实现GCN（图卷积网络）与PPO（近端策略优化）强化学习模型结合的详细代码示例

article 2025/3/18 15:14:49

以下是一个使用Python和相关深度学习库（如PyTorch）实现GCN（图卷积网络）与PPO（近端策略优化）强化学习模型结合的详细代码示例。这个示例假设你在一个图环境中进行强化学习任务。

1. 安装必要的库

确保你已经安装了以下库：

pip install torch torch_geometric stable_baselines3[extra]

2. 实现代码

import torch
import torch.nn.functional as F
from torch_geometric.nn import GCNConv
from stable_baselines3.common.policies import ActorCriticPolicy
from stable_baselines3.common.torch_layers import BaseFeaturesExtractor
from stable_baselines3 import PPO
import gym
from gym import spaces


# 定义GCN特征提取器
class GCNFeaturesExtractor(BaseFeaturesExtractor):
    def __init__(self, observation_space: spaces.Box, features_dim: int = 256):
        super(GCNFeaturesExtractor, self).__init__(observation_space, features_dim)
        self.num_nodes = observation_space.shape[0]
        self.input_dim = observation_space.shape[1]

        # GCN层
        self.conv1 = GCNConv(self.input_dim, 128)
        self.conv2 = GCNConv(128, features_dim)

    def forward(self, observations):
        x = observations[..., :-1]  # 节点特征
        edge_index = observations[..., -1].long()  # 边索引

        x = self.conv1(x, edge_index)
        x = F.relu(x)
        x = self.conv2(x, edge_index)
        x = F.relu(x)

        # 全局池化
        x = torch.mean(x, dim=0)
        return x


# 定义自定义策略
class GCNPPOPolicy(ActorCriticPolicy):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        super(GCNPPOPolicy, self).__init__(*args, **kwargs,
                                           features_extractor_class=GCNFeaturesExtractor,
                                           features_extractor_kwargs=dict(features_dim=256))


# 定义一个简单的图环境示例
class GraphEnv(gym.Env):
    def __init__(self):
        self.num_nodes = 10
        self.input_dim = 5
        self.observation_space = spaces.Box(low=-1, high=1, shape=(self.num_nodes, self.input_dim + 2))
        self.action_space = spaces.Discrete(5)

    def reset(self):
        # 生成随机的图观测
        obs = torch.randn(self.num_nodes, self.input_dim + 2)
        return obs.numpy()

    def step(self, action):
        # 简单的奖励函数
        reward = 1 if action == 0 else -1
        done = False
        next_obs = self.reset()
        info = {}
        return next_obs, reward, done, info


# 创建环境
env = GraphEnv()

# 创建PPO模型，使用自定义策略
model = PPO(GCNPPOPolicy, env, verbose=1)

# 训练模型
model.learn(total_timesteps=10000)

# 测试模型
obs = env.reset()
for _ in range(10):
    action, _states = model.predict(obs)
    obs, rewards, done, info = env.step(action)
    if done:
        obs = env.reset()

3. 代码解释

GCNFeaturesExtractor：这是一个自定义的特征提取器，使用两层GCN对图数据进行特征提取。输入是图的节点特征和边索引，输出是经过全局池化后的特征向量。
GCNPPOPolicy：自定义的策略类，继承自ActorCriticPolicy，并指定使用GCNFeaturesExtractor作为特征提取器。
GraphEnv：一个简单的图环境示例，包含图的观测空间和动作空间。reset方法用于重置环境，step方法用于执行动作并返回下一个观测、奖励、是否完成等信息。
PPO模型：使用stable_baselines3库中的PPO算法，结合自定义的策略类进行训练。
训练和测试：调用model.learn方法进行训练，然后使用训练好的模型进行测试。