神经网络变得轻松（第四十部分）：在大数据上运用 Go-Explore

概述

在上一篇文章 “神经网络变得轻松（第三十九部分）：Go-Explore，一种不同的探索方式” 中，我们领略了 Go-Explore 算法，及其探索环境的能力。 您也许还记得，该算法包括 2 个阶段：

• 第 1 阶段 — 探索
  
• 第 2 阶段 — 依据样本训练策略

在第 1 阶段，我们使用随机动作选择来获得尽可能完整的环境全景。 这种方式令我们能够收集足够的样本数据库，令其能在一个日历月内基于历史数据成功训练代理者。 我们构建的模型能够依据训练集找到一种可盈利的策略。

但一个日历月的时间周期，对于总结数据，并制定在可预见的未来都能盈利的策略，无疑太短暂。 由此，为了寻找我们的策略，我们被迫增加训练周期。 当我们将训练周期延长到三个月时，我们发现使用随机动作选择无法产生一次可盈利的验算。

根据概率论，这是一个完全可预期的结果。 毕竟，一个总体事件的概率等于其所有组成部分的概率乘积。 但由于每个单独事件的概率小于 1，因此随着步数的增加，获得可盈利验算的概率就会降低。

此外，随着训练周期的增加，环境可能会发生变化，从而影响代理者的学习结果。 故此，定期监控代理者的性能，并在中间阶段分析其性能非常重要。

为了改进覆盖长周期训练结果，可以应用 Go-Explore 算法的各种优化方法，例如，使用改进的动作选择方法。 这种方式应考虑到任务的更广泛背景，并允许代理者做出更明智的决策。

在本文中，我们将仔细研究 Go-Explore 算法的可能优化方法，以提高其在覆盖长周期训练的绩效。

1. 随着训练周期的增加，运用 Go-Explore 的困难

Go-Explore 算法随着训练周期的增加，浮现出一定的困难。 其中一些包括：

1. 维度诅咒：随着训练周期的增加，代理者可以访问的状态数量呈指数级增长，这令查找最优策略变得更加困难。

2. 环境变化：随着训练周期的增加，环境也许会发生变化，而这也许会影响代理者的学习成果。 这会导致以前成功的策略变得无效，甚至不可能。

3. 选择动作困难：随着训练周期的增加，代理者也许需要考虑任务的更广泛背景，以便做出明智的决定。 这会令选择最佳行的任务复杂化，并且需要更复杂的方法来优化算法。

4. 训练时间增加：随着训练周期的增加，收集足够数据和训练模型所需时间也会增加。 这会降低代理者训练的效率和速度。

随着训练周期的增加，需要探索的状态空间维度也许会出现增加的问题。 这也许会导致 “维度诅咒” 问题，其中可能状态的数量随着维度的增加呈指数增长。 这令状态空间探索变得困难，并可能导致算法花费太多时间探索不相关的状态。

为了解决这个问题，可以使用降维技术，例如 PCA。 它们能够降低状态空间的维数，同时维护有关数据结构的信息。 我们还可以利用重要特征选择技术来降低状态空间的维数，并专注于问题最关切的方面。

此外，我们还可以运用其它方法，例如基于进化或遗传算法的优化，这令我们能够在大状态空间中寻找最优解。 这些方法令我们能够探索代理者行为的各种选项，并为给定任务选择最优解。

还可以采用各种行动选择方式，例如基于置信度的探索方法，它允许代理者探索状态空间的新区域，不仅考虑到获得奖励的概率，还考虑到有关任务知识的信心。 这有助于避免陷入局部最优的问题，并允许更有效地探索状态空间。

强化学习（RL）典型范例是计算机游戏或其它人工模拟的环境，其是固定的，这意味着它们不会随时间而变化。 不过，在现实世界的应用中，环境也许会随时间而变化，从而影响代理者的学习成果。

当运用 Go-Explore 算法，其中包括获取历史数据的环境探索步骤之时，若随后依据历史数据进行代理者训练时，环境的变化可能会导致意外结果。

例如，如果代理者已经接受了若干个月的数据训练，而在这期间环境发生了变化，诸如游戏规则的变化，或新物体的出现，那么代理者也许无法应对新环境，其以前成功的策略可能会变得无效，甚至不可能。

为了降低环境变化对代理者训练结果的影响，有必要在贯穿整个代理者训练过程中定期监测环境，并分析其变化。 如果检测到环境中的重大变化，则必须依据更新后的数据和算法重启代理者训练过程。

我们还可以采用在训练过程中考虑环境变化的训练方法，诸如基于模型的强化学习（RL）方法，该方法构建环境模型，并用它来预测未来的状态和奖励。 这令代理者能够适应环境的变化，并做出更明智的决策。

也可以采用其它优化技术，诸如更改算法的超参数，或更改算法本身，使之训练更有效。

通常，运用 Go-Explore 算法基于较长周期来训练代理者可能非常复杂，并且需要许多技术方案和改进。

结果就是，运用 Go-Explore 算法可能非常复杂，需要许多技术方案和改进。 Go-Explore 算法是一个强力的工具，适合探索复杂环境，以及含有大量状态和动作的训练代理者任务。 但其有效性可能会随着训练周期的增加，和任务条件的变化而降低。 故此，需要采用各种优化方法和参数调优，来达成最佳效果。这可能是一个非常实用，和有前途的研究方向。

2. 优化方式的选项

考虑到上面所说的，延长训练周期需要一种更谨慎的方式，而不是简单地在策略测试器中指定新日期，并加载额外的历史数据。 为了创建真实的交易策略，必须依据尽可能多的历史数据训练模型。 只有这种方式才能让我们创建一个有能力在未来产生盈利的模型。

在本文中，我们不会让模型复杂化。 取而代之的是，我们将采用几种简单的方式，这将有助于扩展历史数据的深度，以便运用 Go-Explore 算法进行模型训练。

在优化先前创建的算法之前，有必要分析其瓶颈。

第一步是更改 Cell 结构中的常量。 该结构存储系统的单独状态，和所采取的路径。 由于技术原因，我们被迫在此结构中仅使用静态数组。 随着模型训练周期的增加，达成所述状态的路径规模也会增加。 我们已经创建了一个常量，指示数组的大小。 现在我们应更改这个常量的值，以便有足够的空间来记录代理者从训练期开始到结束的整体路径。

为了判定常量的值，我们要用到简单的数学。 平均而言，一个日历月份包含 21-22 个工作日。 为避免出错，我们取工作日的最大值 — 22。 4 个月内将有 88 个工作日。

在测试模型时，我们将取用 H1 时间帧。 一个工作日有 24 小时。 因此，为了训练模型，我们需要一个包含 2112 个元素（88 * 24）的缓冲区。 这些计算考虑到可能的最大值，并略微超过实际的柱线数量，这令我们不必担心遭遇数组大小超界的严重错误。 不过，若依据包括周末在内的报价（例如，加密货币）上进行训练时，应采用日历日期来计算缓冲区大小，同时考虑到整个训练周期，和金融产品报价的特征。

#define                    Buffer_Size  2112

第二个瓶颈是在保存样本之前进行的排序。 实践表明，数据排序要比遍历历史数据和收集这些状态花费更多时间。 随着训练周期的增加，需要排序的数据量也会有所增加。 故此，我们决定放弃数据排序。 最终结果，Faza1.mq5 智能程序中的 OnTesterDeinit 函数得以改成以下形式：

//+------------------------------------------------------------------+
//| TesterDeinit function                                            |
//+------------------------------------------------------------------+
void OnTesterDeinit()
  {
//---
   int total = ArraySize(Total);
   printf("total %d", total);
   Print("Saving...");
   SaveTotalBase();
   Print("Saved");
  }

在测试过程中，发现 EA 经常开立多笔仓位，并长期持仓。 我们希望通过采取整体方式来解决这个问题，并对样本收集 EA 进行一些更改。

其中一项变化涉及薪酬的定义。 以前，我们曾用净值变化作为奖励。 这种方式允许模型参考累计变化和未记录利润、惩罚性回撤、以及盈利仓位的利润积累的鼓励。 然而，这种方式限制了获利的可能性。 我们不想放弃采用净值的益处，但我们也想增加获利回吐奖励。

我们找到了一个折衷的方案，涉及采用净值和账户余额变化的算术平均值。 当持一笔持仓积累了利润或亏损时，净值会发生变化，但账户余额保持不变。 代理者获得的奖励或惩罚等于净值变化的一半。 当利润或损失被记录时，净值不会改变，但累计金额会在账户余额上反映出来。 代理者收到待结算的另一半奖励或惩罚。 因此，代理者对获利了结更感兴趣，而不太倾向于捂仓。

      Base[action_count - 1].value = ( Base[action_count - 1].state[241] - state[241] + 
                                       Base[action_count - 1].state[240] - state[240] ) / 2.0f;

我们还决定限制开仓的最大交易量，以减少其数量。 在创建样本和测试模型时，我们为每笔交易采用了固定的最小交易量。 因此，对开仓的交易量进行限制，与限制开仓的数量完全雷同。 不过，当描述系统的当前状态时，我们会收集有关持仓数量，和累计盈亏的信息。 为了避免额外的计算，我们采用开仓交易量来限制最大交易量。 我们将开仓的最大可能交易量的数值移到外部变量之中，这令我们能够取不同的数值进行实验。

input double               MaxPosition = 0.1;

我们限制最大开仓交易量的最终目标是减少账户中的开仓数量，避免盈亏锁定时积累交易。 为此，我们分别检查多头和空头交易的限额，而并不考虑它们的差别。

要注意的重点是，我们并未明确指定模型的约束。 取而代之，我们在创建训练模型的样本阶段，会针对最大开仓交易量施加限制。 接下来，我们用这些样本来训练模型，且基于得到的样本自行构建其策略。 这种方式令模型能够适应不断变化的市场情况，并选择最有效的行动。

不过，值得考虑的是，在我们生成一个开仓动作的情况下，若由于施加的限制而无法执行时，系统的后续状态和奖励将与生成的动作不对应。 为了解决这个问题，我们在样本数据库中保存了一个与期望（无交易）相对应的动作，以防生成的动作未能执行。 这就确保了行动和奖励之间的对应关系，并确保正确训练模型。

   switch(act)
     {
      case 0:
         if(buy_value >= MaxPosition || !Trade.Buy(Symb.LotsMin(), Symb.Name()))
            act = 3;
         break;
      case 1:
         if(sell_value >= MaxPosition || !Trade.Sell(Symb.LotsMin(), Symb.Name()))
            act = 3;
         break;
      case 2:
         for(int i = PositionsTotal() - 1; i >= 0; i--)
            if(PositionGetSymbol(i) == Symb.Name())
               if(!Trade.PositionClose(PositionGetInteger(POSITION_IDENTIFIER)))
                 {
                  act = 3;
                  break;
                 }
         break;
     }

由于我们是在高风险的市场交易条件下运作，我们的任务不仅是赚取利润，而且还要尽量减少可能的损失。 为此，我们在模型中添加了持仓最长时间的限制。

此限制是一个整数型外部变量，以最大柱线数量为单位指定持仓时限。 

input int                  MaxLifeTime = 48;

我们判定最久持仓的生存期，当达到边界值时，我们创建一个动作强制将所有持仓了结。

这是必要的，如此我们就不会持仓超期，否则可能导致巨大的损失。 在收集有关当前账户状态和持仓的信息时，我们会参考该限制，以免超过最长持有时间。

   int total = PositionsTotal();
   datetime time_current = TimeCurrent();
   int first_order = 0;
   for(int i = 0; i < total; i++)
     {
      if(PositionGetSymbol(i) != Symb.Name())
         continue;
      switch((int)PositionGetInteger(POSITION_TYPE))
        {
         case POSITION_TYPE_BUY:
            buy_value += PositionGetDouble(POSITION_VOLUME);
            buy_profit += PositionGetDouble(POSITION_PROFIT);
            break;
         case POSITION_TYPE_SELL:
            sell_value += PositionGetDouble(POSITION_VOLUME);
            sell_profit += PositionGetDouble(POSITION_PROFIT);
            break;
        }
      first_order = MathMax((int)(PositionGetInteger(POSITION_TIME) - time_current) / PeriodSeconds(TimeFrame), first_order);
     }

不过，如果我们允许超过此限制，则应采取适当的措施。 在这种情况下，我们不是简单地在时间到期后平仓一笔，而是特指动作会将所有持仓了结。 这令我们能够在完成的动作、新状态和奖励之间保持对应关系，这对于模型的正确操作很重要。

   int act = (first_order < MaxLifeTime ? SampleAction(4) : 2);

因此，使用持仓最长时间限制是我们模型中的另一种机制，可以帮助我们在不确定的市场条件下控制风险，并取得更稳定的结果。

我们讲述了在模型测试过程中，根据辨别出的缺点优化算法的方式。 现在，我们转移到基于扩展历史数据来训练模型。 我们研究一下将大型训练集合拆分为较小的部分，并依据每个部分来训练代理者的可能性。 我们可以假设，如果一个算法在很短的周期内运行良好，那么它也可以在较长的时间内运行良好。 因此，我们可以采用这种方式来改进大数据的模型训练。

这种方式令模型能够更有效地捕捉市场趋势，并增加其对外部因素变化的抵抗力。 当利用该模型在真实市场交易时，这一点尤其重要，因为在真实市场中，预测趋势方向的变化至关重要。 此外，这种方法令模型能够更有效地利用所有可用数据，而不仅仅是最新的观测结果，这反过来又提高了预测的品质。

需注意的重点是，将训练集合划分为更小的时间周期时，应考虑到数据的时间顺序，以避免数据重叠和预测偏差。 还必须考虑到，当将数据划分为更小的片段时，每个片段中可用于训练的数据量会更少，这可能会导致模型的预测精度降低。

因此，将训练集合拆分为更小的时间片段是优化算法的有效方式，可以显著提高模型的预测品质。

当将训练集合划分为更小的子集时，我们面对的是开发一个通体策略，以便我们能够成功地遍历整个训练集合。 为此，我们可以把随机动作抽样和定向分步训练结合使用，这将有助于我们找到最成功和最有利可图的策略。

这个思路是按顺序遍历小子集，在每个子集中使用动作随机抽样。 然后，我们选择最有利可图的验算，并将它们用作下一子集的起点。 如此，我们按顺序遍历整个训练集合，积累有利可图的策略样本。

这种方式结合了看似互逆的思路：随机抽样和定向训练。 使用随机抽样，我们是在探索环境；训练样本的定向推进则有助于我们找到最成功的策略。 结果就是，我们能为我们的代理者获得更普遍和更有利可图的策略。

一般来说，将随机抽样和定向训练相结合，可以让我们尽享随机性和已经积累的成功行动的经验，依据所传递的训练样本获得最优策略。

为了实现这种方式，我们需引入 3 个外部变量：

• MinStartSteps — 采样开始前的最小步数
• MaxSteps - 最大采样步数（序列大小）
• MinProfit - 保存到样本数据库的最低利润。

input int                  MinStartSteps = 96;
input int                  MaxSteps = 120;
input double               MinProfit = 10;

在讨论算法优化时，我们发现在保存之前进行样本排序效率低下。 取而代之，我们决定采用 MinProfit 变量作为最低利润，判定是否将样本包含在数据库。 这令我们能够为后续抽样的起点优选样本。 此外，我们利用 MinStartSteps 变量来设置样本中起点所需的最小步骤。 这令我们能够避免在采样过程中陷入中间步骤，并继续下一子集。

我们还用到 MaxSteps 变量，其判定了最大子集长度。 一旦超过此数值，采样将不再有效，且我们需要保存行进的路径。 以这种方式，我们可以更有效地利用资源，并加快训练速度。

在 Faza1.mq5 EA 的 OnInit 方法中，加载以前创建的样本数据库后，我们首先选择满足完成步骤所需的样本。

   if(LoadTotalBase())
     {
      int total = ArraySize(Total);
      Cell temp[];
      ArrayResize(temp, total);
      int count = 0;
      for(int i = 0; i < total; i++)
         if(Total[i].total_actions >= MinStartSteps)
           {
            temp[count] = Total[i];
            count++;
           }

之后，从所选样本中随机抽样选择一个样本。 我们将用这个随机选择的样本作为起始采样点。

      if(count > 0)
        {
         count = (int)(((double)(MathRand() * MathRand()) / MathPow(32768.0, 2.0)) * (count - 1));
         StartCell = temp[count];
        }
      else
        {
         count = (int)(((double)(MathRand() * MathRand()) / MathPow(32768.0, 2.0)) * (total - 1));
         StartCell = Total[count];
        }
     }

在 EA 的 OnTick 方法中，我们首先无条件地执行整条路径，直到我们到达子集的起点。

void OnTick()
  {
//---
   if(!IsNewBar())
      return;
   bar++;
   if(bar < StartCell.total_actions)
     {
      switch(StartCell.actions[bar])
        {
         case 0:
            Trade.Buy(Symb.LotsMin(), Symb.Name());
            break;
         case 1:
            Trade.Sell(Symb.LotsMin(), Symb.Name());
            break;
         case 2:
            for(int i = PositionsTotal() - 1; i >= 0; i--)
               if(PositionGetSymbol(i) == Symb.Name())
                  Trade.PositionClose(PositionGetInteger(POSITION_IDENTIFIER));
            break;
        }
      return;
     }

只有在到达我们的子集开头后，我们才会转进到动作采样操作。 与此同时，我们控制随机操作执行的数量。 它们的数量不应超过最大子集长度。

如果达到最大步数，我们首先生成一个操作来把所有仓位平仓。

   int act = (action_count < MaxSteps || first_order < MaxLifeTime ? SampleAction(4) : 2);

这次转进之后，我们着手结束 EA 的工作。

   if(action_count > MaxSteps)
      ExpertRemove();

在策略测试器中完成验算后，我们检查验算后获得的利润规模。 如果满足达到最小盈利阈值的条件，我们将数据添加到样本数据库之中。

//+------------------------------------------------------------------+
//| Tester function                                                  |
//+------------------------------------------------------------------+
double OnTester()
  {
//---
   double ret = 0.0;
//---
   double profit = TesterStatistics(STAT_PROFIT);
   action_count--;
   if(profit >= MinProfit)
      FrameAdd(MQLInfoString(MQL_PROGRAM_NAME), action_count, profit, Base);
//---
   return(ret);
  }

在此，我们仅提供并解释 EA 代码的微小更改，大部分在上一篇文章中已有详述。 完整的 EA 代码可在附件中找到。

3. 测试

如同上一篇文章，我们为训练模型来收集 EURUSD H1 上的历史数据样本。 不过，这次我们将取 2023 年 4 个月的历史数据。

为了最有效地探索环境，必须在样本采集过程中采用各种外部参数值。 在这种情况下，我们将把这些参数作为优化参数，这样能令我们在每次验算时更改它们的数值。

为了开始优化过程，我们将选择两个参数：MaxSteps 和 MaxLifeTime。 第一个参数确定子集的最大长度，超距后，所收集样本无效。 第二个参数指示在一个子集中持仓的最长期限。 在收集样本的过程中采用这些参数的不同数值，我们可以尽可能全面地研究环境。

例如，通过采用 MaxSteps 和 MaxLifeTime 的不同数值，我们能够收集到不同持仓持续时间和期限的样本。 这令我们能够获得环境中也许会浮现的更广泛状况的样本。 以这种方式，我们能创建一个更通用、更有效的训练模型，该模型将参考许多不同的场景。

我们设置利润值的阈值接近 0。 毕竟，这是首次验算，我们只需要赚取微薄的利润。

作为优化过程的首次验算，我们看到在 2023 年 1 月的前 2 周内，有若干次成功的验算，达到 46 美元的利润。 此类验算的利润系数达到 1.55

在运行优化之前，我们将对参数进行一些更改。 为确保按不同的时间间隔收集样本，我们将在采样开始之前往优化变量里加上最小步数。 此变量的值将在 1 到 3 周之间变化，增量按周为单位。 此外，我们把利润阈值提高到 40 美元，来提升所获得的结果。

根据第二次优化的结果，我们看到 2023 年 1 月的利润增加到 84 美元。 尽管利润因子下降到 1.38。

尽管如此，我们看到为优化样本采集过程付出的努力开始取得成果。 尽管我们还没有达成最终的成功，然事件的大趋势与我们的目标和期望是一致的。 

我们在 2023 年 1 月的第二周开始采样之前增加最小步骤数，并执行另一次优化过程。 这一次，我们把最低盈利能力提高到 80 美元。 毕竟，我们努力寻找最有利可图的策略。

正如我们预期的那样，由于随后对样本收集过程的优化，我们达成更高的盈利能力。 最成功的验算总收入已增加到 125 美元。 同时，盈利因子略有下降，为 1.36，这仍然意味着盈利超过成本。 重点注意的是，这种盈利能力的提高是通过改进样本采集过程达成的，我们可以对其效率充满信心。 不过，请记住，训练尚未完成，我们将继续进行。

我们继续迭代在策略测试器的优化模式下收集样本，依次改变抽样起点，和利润阈值。 这种方式令我们能够在遍历整个训练集获得若干次成功验算的样本。 其中最有利可图的产生了 281 美元的收入，盈利系数为 1.5。 这些结果确认了我们优化案例收集流程的策略具有积极效果，有助于达成更高的利润门槛。 不过，我们明白这个过程并不完整，需要进一步优化和改进。

一旦收集样本的过程完成后，我们转进到依据所获数据运用 Go-Explore 算法训练模型。 然后，我们利用强化训练方法重新训练模型，以进一步提升其性能。

为了检查训练模型的品质和成效，我们依据训练和测试样本对其进行了测试。 重点注意的是，我们的模型能够自 2023 年 5 月第一周的历史数据中获利，这些数据不包括在训练集之中，而是训练集的直接延续。

结束语

在本文中，我们研究了优化 Go-Explore 算法的简单但有效的方法，令其能够基于大数据训练模型。 我们的模型是依据 4 个月的历史数据上训练的，但感谢采用的优化方法，Go-Explore 算法可在更长的时间周期内训练模型。 我们还依据训练和测试样本进行了模型测试，确认了其高效率和高品质。

总体而言，Go-Explore 算法为基于大数据训练模型开辟了新的可能性，对于人工智能领域额各种应用，其已成为有力工具。

然而，重点是要记住，金融市场是极具动态的，且易受突发变化影响，因此即使是最优质的模型也不能保证 100% 的成功。 因此，我们必须不断监测市场的变化，并相应地调整我们的模型。

链接

1. Go-Explore：解决艰难探索难题的新途径
2. 神经网络变得轻松（第三十五部分）：内在好奇心模块
3. 神经网络变得轻松（第三十六部分）：关系强化学习
4. 神经网络变得轻松（第三十七部分）：分散关注度
5. 神经网络变得轻松（第三十八部分）：凭借分歧进行自我监督探索
6. 神经网络变得轻松（第三十九部分）：Go-Explore，一种不同的探索方式

本文中用到的程序

#	名称	类型	说明
1	Faza1.mq5	智能交易系统	第一阶段 EA
2	Faza2.mql5	智能交易系统	第二阶段 EA
3	GE-lerning.mq5	智能交易系统	优调 EA 的政策
4	Cell.mqh	类库	系统状态定义结构
5	FQF.mqh	类库	完全参数化模型的工作安排类库
6	NeuroNet.mqh	类库	用于创建神经网络的类库
7	NeuroNet.cl	代码库	OpenCL 程序代码库