safety-gymnasium

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安全强化学习的可扩展定制化环境库

Safety-Gymnasium为安全强化学习提供了可扩展的定制化环境。该库包含兼容约束信息的标准API和多种安全增强学习任务,如安全导航和速度控制。研究人员可通过其代码框架和环境设计探索新见解,促进SafeRL算法的基准测试和环境标准化。

Safety-Gymnasium安全强化学习基准环境MuJoCo可定制Github开源项目
<div align="center"> <h1> 安全体育馆 </h1> </div> <div align="center">

<a>Python 3.8+</a> <a href="https://pypi.org/project/safety-gymnasium">PyPI</a> <a href="https://safety-gymnasium.readthedocs.io">文档状态</a> <a href="https://pepy.tech/project/safety-gymnasium">下载量</a> <a href="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/stargazers">GitHub 仓库星标</a> <a href="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/blob/HEAD/LICENSE">许可证</a>

</div> <p align="center"> <a href="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium#why-safety-gymnasium">为什么选择安全体育馆?</a> | <a href="https://www.safety-gymnasium.com">文档</a> | <a href="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium#installation">安装指南</a> | <a href="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium#customize-your-environments">自定义</a> | <a href="https://sites.google.com/view/safety-gymnasium">视频</a> </p>

安全体育馆是一个高度可扩展和可定制的安全强化学习(SafeRL)库。它旨在提供一个良好的视角来对比SafeRL算法,并提供一套标准化的环境。我们提供了一组与约束信息兼容的标准API。用户可以通过优雅的代码框架和精心设计的环境探索新的见解。

引用安全体育馆

如果您发现安全体育馆对您有用,请在您的出版物中引用它。

@inproceedings{ji2023safety, title={Safety Gymnasium: 一个统一的安全强化学习基准}, author={季家明 and 张博荣 and 周佳怡 and 潘雪海 and 黄伟东 and 孙瑞阳 and 耿一然 and 钟一帆 and 戴约瑟夫 and 杨耀东}, booktitle={第三十七届神经信息处理系统会议数据集与基准跟踪}, year={2023}, url={https://openreview.net/forum?id=WZmlxIuIGR} }

v1.1.0和v1.2.0版本注意事项❗️❗️❗️

我们已经更新了Safe Vision系列和Safe Isaac Gym系列的环境。但是,由于包大小限制,我们尚未将版本v1.1.0v1.2.0上传到PyPI。因此,用户需要手动下载和安装。我们目前建议使用GitHub的Download zip功能来获取我们的包并访问最新环境。未来,我们计划将资源分别部署到云服务,以适应PyPI。请继续关注后续更新。

目前不支持Python 3.11,因为与pygame不兼容。

conda create -n example python=3.8 conda activate example wget https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/archive/refs/heads/main.zip unzip main.zip cd safety-gymnasium-main pip install -e .

为什么选择Safety-Gymnasium?

这里我们提供了Safety-Gymnasium与现有SafeRL环境库的比较表格。

SafeRL<br/>环境引擎向量化<br/> 环境新版Gym API<sup>(3)</sup>视觉输入
Safety-Gym<br/>GitHub最后提交mujoco-py<sup>(1)</sup>最小程度支持
safe-control-gym<br/>GitHub最后提交PyBullet
速度约束<sup>(2)</sup>不适用
mujoco-circle<br/>GitHub最后提交PyTorch
Safety-Gymnasium<br/>GitHub最后提交MuJoCo 2.3.0+

<sup>(1): 维护(预期错误修复和小更新);最后一次提交是2021年11月19日。Safety-Gym依赖于mujoco-py 2.0.2.7,该版本于2019年10月12日更新。</sup><br/> <sup>(2): 没有速度相关环境的官方库,其相关的成本约束是从信息中构建的。但该任务在SafeRL研究中广泛使用,我们在Safety-Gymnasium中对其进行了封装。</sup><br/> <sup>(3): 在gym 0.26.0版本更新中,重新定义了新的交互API。</sup>


环境

我们设计了各种安全增强学习任务,并整合了RL社区的贡献:safety-velocitysafety-runsafety-circlesafety-goalsafety-button等。 我们引入了一个名为Safety-Gymnasium的统一安全增强学习基准环境库。

此外,为了促进社区研究的进展,我们重新设计了Safety-Gym并移除了对mujoco-py的依赖。 我们在MuJoCo的基础上构建了它,并修复了一些错误,更具体的错误报告可以参考Safety-Gym的错误报告

以下是我们目前支持的所有环境列表:

<table border="1"> <thead> <tr> <th>类别</th> <th>任务</th> <th>代理</th> <th>示例</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td rowspan="4">安全导航</td> <td>按钮[012]</td> <td rowspan="4">点、汽车、四足机器人、赛车、蚂蚁</td> <td rowspan="4">SafetyPointGoal1-v0</td> </tr> <tr> <td>目标[012]</td> </tr> <tr> <td>推动[012]</td> </tr> <tr> <td>圆圈[012]</td> </tr> <tr> <td>安全速度</td> <td>速度</td> <td>半猎豹、跳跃者、游泳者、行走者2d、蚂蚁、人形机器人</td> <td>SafetyAntVelocity-v1</td> </tr> <tr> <td rowspan="7">安全视觉</td> <td>建筑按钮[012]</td> <td rowspan="7">点、汽车、四足机器人、赛车、蚂蚁</td> <td rowspan="7">SafetyFormulaOne1-v0</td> </tr> <tr> <td>建筑目标[012]</td> </tr> <tr> <td>建筑推动[012]</td> </tr> <tr> <td>简单淡出[012]</td> </tr> <tr> <td>困难淡出[012]</td> </tr> <tr> <td>赛车[012]</td> </tr> <tr> <td>一级方程式[012]</td> </tr> <tr> <td rowspan="8">安全多代理</td> <td>多目标[012]</td> <td>多点、多蚂蚁</td> <td>SafetyAntMultiGoal1-v0</td> </tr> <tr> <td>多代理速度</td> <td>6x1半猎豹、2x3半猎豹、3x1跳跃者、2x1游泳者、2x3行走者2d、2x4蚂蚁、4x2蚂蚁、9|8人形机器人</td> <td>Safety2x4AntVelocity-v0</td> </tr> <tr> <td>货运弗兰卡关闭抽屉(多代理)</td> <td rowspan="2">货运弗兰卡</td> <td rowspan="2">货运弗兰卡关闭抽屉(多代理)</td> </tr> <tr> <td>货运弗兰卡拾取和放置(多代理)</td> </tr> <tr> <td>影子手接球越过双臂下方安全手指(多代理)</td> <td rowspan="4">影子手</td> <td rowspan="4">影子手接球越过双臂下方安全关节(多代理)</td> </tr> <tr> <td>影子手接球越过双臂下方安全关节(多代理)</td> </tr> <tr> <td>影子手越过安全手指(多代理)</td> </tr> <tr> <td>影子手越过安全关节(多代理)</td> </tr> <tr> <td rowspan="6">安全Isaac健身房</td> <td>货运弗兰卡关闭抽屉</td> <td rowspan="2">货运弗兰卡</td> <td rowspan="2">货运弗兰卡关闭抽屉</td> </tr> <tr> <td>货运弗兰卡拾取和放置</td> </tr> <tr> <td>影子手接球越过双臂下方安全手指</td> <td rowspan="4">影子手</td> <td rowspan="4">影子手接球越过双臂下方安全关节</td> </tr> <tr> <td>影子手接球越过双臂下方安全关节</td> </tr> <tr> <td>影子手越过安全手指</td> </tr> <tr> <td>影子手越过安全关节</td> </tr> </tbody> </table>

以下是安全导航任务的一些截图。

代理

<table class="docutils align-default"> <tbody> <tr class="row-odd"> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/point_front.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/point_front.jpeg" style="width: 130px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="doc">点</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference" href="agents/car.html"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/car_front.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/car_front.jpeg" style="width: 130px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="doc">汽车</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference" href="agents/racecar.html"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/racecar_front.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/racecar_front.jpeg" style="width: 130px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="doc">赛车</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference" href="agents/doggo.html"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/doggo_front.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/doggo_front.jpeg" style="width: 130px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="doc">四足机器人</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference" href="agents/ant.html"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/ant_front.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/ant_front.jpeg" style="width: 130px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="doc">蚂蚁</span></a></strong> </p> </td> </tr> </tbody> </table>

任务

<table class="docutils align-default"> <tbody> <tr class="row-odd"> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/goal0.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/goal0.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">目标0</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/goal1.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/goal1.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">目标1</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/goal2.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/goal2.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">目标2</span></a></strong> </p> </td> </tr> <tr class="row-even"> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/button0.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/button0.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">按钮0</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference" href="./button#button1"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/button1.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/button1.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">按钮1</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference" href="./button#button2"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/button2.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/button2.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">按钮2</span></a></strong> </p> </td> </tr> <tr class="row-odd"> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/push0.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/push0.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">推动0</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/push1.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/push1.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">推动1</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/push2.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/push2.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">推动2</span></a></strong> </p> </td> </tr> <tr class="row-even"> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/circle0.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/circle0.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">圆圈0</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/circle1.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/circle1.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">圆圈1</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference" href="./circle#circle2"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/circle2.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/images/circle2.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">圆圈2</span></a></strong> </p> </td> </tr> </tbody> </table>

基于视觉的安全强化学习

基于视觉的安全强化学习缺乏真实场景。 尽管原始的Safety-Gym可以最低限度地支持视觉输入,但场景过于相似。 为了便于验证基于视觉的安全强化学习算法,我们开发了一系列真实的基于视觉的安全强化学习任务,目前正在对基准进行验证。

作为开胃菜,图像如下所示:

<table class="docutils align-default"> <tbody> <tr class="row-odd"> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/docs/_static/images/race0.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/docs/_static/images/race0.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">Race0</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/docs/_static/images/race1.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/docs/_static/images/race1.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">Race1</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/docs/_static/images/race2.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/docs/_static/images/race2.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">Race2</span></a></strong> </p> </td> </tr> <tr class="row-odd"> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/docs/_static/images/formula_one0.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/docs/_static/images/formula_one0.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">FormulaOne0</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/docs/_static/images/formula_one1.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/docs/_static/images/formula_one1.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">FormulaOne1</span></a></strong> </p> </td> <td> <figure class="align-default"> <a class="reference external image-reference"><img alt="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/docs/_static/images/formula_one2.jpeg" src="https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium/raw/HEAD/docs/_static/images/formula_one2.jpeg" style="width: 230px;"></a> </figure> <p class="centered"> <strong><a class="reference internal"><span class="std std-ref">FormulaOne2</span></a></strong> </p> </td> </tr> </tbody> </table>

环境使用

注意: 我们支持基于 Gymnasium APIs 明确表达 coststep 方法返回 6 个项目 (next_obervation, reward, cost, terminated, truncated, info),其中包含一个额外的 cost 字段。

import safety_gymnasium env_id = 'SafetyPointGoal1-v0' env = safety_gymnasium.make(env_id) obs, info = env.reset() while True: act = env.action_space.sample() obs, reward, cost, terminated, truncated, info = env.step(act) if terminated or truncated: break env.render()

我们还提供了两个便捷的包装器,用于将 Safety-Gymnasium 环境转换为标准 Gymnasium API,反之亦然。

# Safety-Gymnasium API: step 返回 (next_obervation, reward, cost, terminated, truncated, info) # Gymnasium API: step 返回 (next_obervation, reward, terminated, truncated, info),cost 在 `info` 字典中与字符串键 `'cost'` 关联 safety_gymnasium_env = safety_gymnasium.make(env_id) gymnasium_env = safety_gymnasium.wrappers.SafetyGymnasium2Gymnasium(safety_gymnasium_env) safety_gymnasium_env = safety_gymnasium.wrappers.Gymnasium2SafetyGymnasium(gymnasium_env)

用户可以轻松应用 Gymnasium 包装器:

import gymnasium import safety_gymnasium def make_safe_env(env_id): safe_env = safety_gymnasium.make(env_id) env = safety_gymnasium.wrappers.SafetyGymnasium2Gymnasium(safe_env) env = gymnasium.wrappers.SomeWrapper1(env) env = gymnasium.wrappers.SomeWrapper2(env, argname1=arg1, argname2=arg2) ... env = gymnasium.wrappers.SomeWrapperN(env) safe_env = safety_gymnasium.wrappers.Gymnasium2SafetyGymnasium(env) return safe_env

或者

import functools import gymnasium import safety_gymnasium def make_safe_env(env_id): return safety_gymnasium.wrappers.with_gymnasium_wrappers( safety_gymnasium.make(env_id), gymnasium.wrappers.SomeWrapper1, functools.partial(gymnasium.wrappers.SomeWrapper2, argname1=arg1, argname2=arg2), ..., gymnasium.wrappers.SomeWrapperN, )

此外,对于所有 Safety-Gymnasium 环境,我们还提供了相应的 Gymnasium 环境,环境 ID 后缀为 Gymnasium。例如:

import gymnasium import safety_gymnasium safety_gymnasium.make('SafetyPointGoal1-v0') # step 返回 (next_obervation, reward, cost, terminated, truncated, info) gymnasium.make('SafetyPointGoal1Gymnasium-v0') # step 返回 (next_obervation, reward, terminated, truncated, info)

安装

从 PyPI 安装

pip install safety-gymnasium

从源代码安装

conda create -n <envname> python=3.8 conda activate <envname> git clone https://github.com/PKU-Alignment/safety-gymnasium.git cd safety-gymnasium pip install -e .

重要说明

如果在服务器上无法渲染,可以尝试:

echo "export MUJOCO_GL=osmesa" >> ~/.bashrc source ~/.bashrc apt-get install libosmesa6-dev apt-get install python3-opengl

使用键盘进行调试

对于简单的智能体,我们提供了通过键盘控制机器人移动的功能,便于调试。只需在任务名称后添加 Debug 后缀,例如 SafetyCarGoal2Debug-v0,然后使用 IKJL 键来引导机器人的移动。 对于更复杂的代理,您还可以根据特定外设制定自定义控制逻辑。为了实现这一点,请为指定的代理实现BaseAgent中的debug方法。

自定义您的环境

我们构建了一个高度可扩展的代码框架,使您能够轻松理解并设计自己的环境,以便于您的研究,平均只需不到100行代码。

详情请参阅我们的文档。 以下是一个最小示例:

# 导入您想使用的对象 # 或者您可以自己定义特定对象,只需确保遵守我们的规范 from safety_gymnasium.assets.geoms import Apples from safety_gymnasium.bases import BaseTask # 继承BaseTask class MytaskLevel0(BaseTask): def __init__(self, config): super().__init__(config=config) # 定义一些属性 self.num_steps = 500 self.agent.placements = [(-0.8, -0.8, 0.8, 0.8)] self.agent.keepout = 0 self.lidar_conf.max_dist = 6 # 向环境中添加对象 self.add_geoms(Apples(num=2, size=0.3)) def calculate_reward(self): # 实现您的奖励函数 # 注意:成本计算基于对象,因此是自动的 reward = 1 return reward def specific_reset(self): # 根据您的任务而定 def specific_step(self): # 根据您的任务而定 def update_world(self): # 根据您的任务而定 @property def goal_achieved(self): # 根据您的任务而定

许可证

Safety-Gymnasium 根据 Apache License 2.0 发布。

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