傳統(tǒng)的檢索增強(qiáng)生成（RAG）架構(gòu)依賴于靜態(tài)檢索，這使得它們?cè)谔幚硇枰樞蛐畔⑺阉鞯膹?fù)雜問題時(shí)，效果大打折扣。雖然智能推理和搜索提供了一種更具適應(yīng)性的方法，但現(xiàn)有的大多數(shù)方法在很大程度上都依賴于提示工程。

為了解決這一問題，本文介紹了 RAG-Gym，這是一個(gè)統(tǒng)一的優(yōu)化框架，它通過在每個(gè)搜索步驟進(jìn)行細(xì)粒度的過程監(jiān)督，來提升信息搜索智能體的性能。

核心貢獻(xiàn)

• 引入 RAG-Gym，這是一個(gè)利用過程監(jiān)督優(yōu)化智能 RAG 的統(tǒng)一框架。
• 提出 ReSearch，這是一種全新的智能體架構(gòu)，它將答案推理和搜索協(xié)同起來，比現(xiàn)有的基線模型取得了更優(yōu)異的性能。
• 證明了使用經(jīng)過訓(xùn)練的過程獎(jiǎng)勵(lì)模型作為驗(yàn)證器，可以顯著提升搜索智能體的性能。
• 全面分析了過程監(jiān)督的來源、獎(jiǎng)勵(lì)模型的可遷移性，以及智能 RAG 中的縮放定律。?

RAG-Gym 框架

一、概述

RAG-Gym 將知識(shí)密集型問答任務(wù)構(gòu)建為一個(gè)嵌套的馬爾可夫決策過程（MDP）。

過程獎(jiǎng)勵(lì)數(shù)據(jù)是通過在每個(gè)時(shí)間步隨機(jī)抽樣動(dòng)作候選，并使用外部注釋器選擇最佳動(dòng)作來收集的。

RAG-Gym 中實(shí)現(xiàn)了不同的過程監(jiān)督方法。

二、知識(shí)密集型問答作為嵌套 MDP

1. 外部 MDP 的構(gòu)建：旨在歸納各種針對(duì)知識(shí)密集型問題的語言智能體設(shè)計(jì)，具體過程如下：

• 狀態(tài)空間 S：在每個(gè)時(shí)間步 t，狀態(tài) st ∈ S 由原始問題 Q 和信息搜索歷史 Ht 組成，表示為：st = (Q,Ht) ，其中 Ht = {(q1,D1), · · · , (qt?1,Dt?1)}是信息搜索查詢 q1, · · · , qt?1 以及它們對(duì)應(yīng)的由環(huán)境返回的檢索文檔 D1, · · · , Dt?1 的歷史記錄。狀態(tài)空間 S 是所有可能狀態(tài)的集合：

其中 I 是問題空間，Aq 是所有可能搜索查詢的空間，D 是所有文檔的空間。 - 動(dòng)作空間 A：在每個(gè)時(shí)間步 t，動(dòng)作 at 可以是一個(gè)搜索查詢，也可以是對(duì)原始問題的預(yù)測(cè)答案。因此，我們將動(dòng)作空間 A 定義為 A = Aq ∪ Ap ，其中 Aq 是所有可能查詢的集合，Ap 表示可能答案的集合。 - IR 環(huán)境：RAG-Gym 中外部 MDP 的環(huán)境由一個(gè)信息檢索（IR）系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)將搜索查詢 qt 作為輸入，并返回一組相關(guān)文檔 Dt 作為輸出。IR 系統(tǒng)可以表示為從 Aq 到 P(D)的映射，其中 P(D)是 D 的冪集。檢索過程由底層文本檢索器和特定的檢索設(shè)置（例如返回文檔的數(shù)量）決定。 - MDP 工作流程：對(duì)于給定的問題 Q，MDP 從初始狀態(tài) s1 = (Q, ?)開始。在每個(gè)步驟 t，at 是從智能體的策略 πf(θ)(· | st)中采樣得到的，其中 πf(θ) : S → Δ(A)定義了給定狀態(tài)下的動(dòng)作分布。智能體的策略由 θ（表示基礎(chǔ)語言模型的參數(shù)）和特定于智能體的函數(shù) f（表示如何利用基礎(chǔ) LLM 策略）組成。然后，通過添加(qt,Dt)來更新歷史記錄為 Ht+1 ，狀態(tài)轉(zhuǎn)換為 st+1 = (Q,Ht+1) 。否則，如果 at ∈ Ap ，則認(rèn)為當(dāng)前情節(jié)完成，MDP 終止。 - 獎(jiǎng)勵(lì)：對(duì)于外部 MDP，一個(gè)情節(jié)的獎(jiǎng)勵(lì)由最終預(yù)測(cè)的正確性決定。狀態(tài)-動(dòng)作對(duì)(st, at)的即時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)為：

外部 MDP 中智能體的目標(biāo)是最大化軌跡上的預(yù)期累積獎(jiǎng)勵(lì)：

• 通過過程監(jiān)督改進(jìn)搜索智能體：通過納入過程獎(jiǎng)勵(lì)，RAG-Gym 能夠更有效地對(duì)大語言模型（LLM）進(jìn)行微調(diào)，使標(biāo)記生成與高質(zhì)量的搜索行為保持一致。 -過程獎(jiǎng)勵(lì)數(shù)據(jù)的收集：數(shù)據(jù)收集流程從軌跡采樣開始，語言智能體根據(jù)其當(dāng)前策略生成一系列動(dòng)作。在軌跡的每個(gè)步驟中，會(huì)提出多個(gè)候選動(dòng)作，并根據(jù)預(yù)定義的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)選擇最佳動(dòng)作。我們采用基于排名的評(píng)估框架，而不是分配數(shù)值分?jǐn)?shù)，以確保一致性。然后執(zhí)行選定的動(dòng)作，軌跡轉(zhuǎn)移到下一個(gè)狀態(tài)。這個(gè)過程反復(fù)迭代，直到軌跡終止。為了確保質(zhì)量，只有最終答案正確的軌跡才會(huì)被保留，這由結(jié)果獎(jiǎng)勵(lì)來判斷。 -使用過程監(jiān)督調(diào)整智能體-監(jiān)督微調(diào)（SFT）：從過程獎(jiǎng)勵(lì)中選擇的動(dòng)作用于訓(xùn)練語言智能體。正式地說，SFT 的目標(biāo)是最小化給定狀態(tài)下選定動(dòng)作的負(fù)對(duì)數(shù)似然：

  

• 其中 D 是帶有過程獎(jiǎng)勵(lì)標(biāo)記的狀態(tài)-動(dòng)作對(duì)的數(shù)據(jù)集。 -直接偏好優(yōu)化（DPO）：引入了一個(gè)對(duì)比學(xué)習(xí)框架，該框架同時(shí)考慮了選定和未選定的動(dòng)作。過程獎(jiǎng)勵(lì)數(shù)據(jù)被重新組織為偏好對(duì)(a+t , a?t )，其中 a+t 是對(duì)于 st 更偏好的動(dòng)作，a?t 是較不偏好的替代動(dòng)作。DPO 的目標(biāo)是最小化以下?lián)p失：



• -過程獎(jiǎng)勵(lì)建模（PRM）：訓(xùn)練一個(gè)單獨(dú)的獎(jiǎng)勵(lì)模型 r?(st, at)，以根據(jù)收集的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)過程獎(jiǎng)勵(lì)。目標(biāo)是最小化一個(gè)對(duì)比損失，該損失評(píng)估更偏好動(dòng)作相對(duì)于較不偏好動(dòng)作的質(zhì)量：

推理與搜索（ReSearch）智能體

推理與搜索（ReSearch）智能體在一個(gè)統(tǒng)一的、以答案為驅(qū)動(dòng)的框架中集成了推理和搜索。

• 歷史知識(shí)總結(jié)：給定狀態(tài) st ，其中包含原始問題 Q 和歷史 Ht = {(q1,D1), . . . , (qt?1,Dt?1)}，智能體首先會(huì)將檢索到的文檔總結(jié)為對(duì)相應(yīng)查詢的結(jié)構(gòu)化響應(yīng)，形成一個(gè)精煉的知識(shí)表示 H′t： H′t = {(q1,m1), . . . , (qt?1,mt?1)} 總結(jié)步驟會(huì)過濾掉不相關(guān)的信息，并減輕長(zhǎng)上下文處理的挑戰(zhàn)，使智能體在構(gòu)建答案時(shí)能夠?qū)Ｗ⒂谧钕嚓P(guān)的事實(shí)。
• 答案推理：利用這個(gè)精煉的知識(shí) H′t ，智能體接著進(jìn)行結(jié)構(gòu)化推理，以推斷出問題的候選答案。然后，它會(huì)檢查推理步驟，并判斷所有的主張是否都在歷史記錄中有充分的依據(jù)。如果智能體確定答案推理中的所有主張都有檢索到的證據(jù)支持，它就會(huì)將答案作為最終動(dòng)作輸出。否則，它會(huì)識(shí)別出未經(jīng)驗(yàn)證的主張，即那些根據(jù)現(xiàn)有證據(jù)缺乏充分理由的陳述。
• 搜索查詢生成：未經(jīng)驗(yàn)證的主張作為生成下一個(gè)搜索查詢的基礎(chǔ)，這個(gè)查詢專門用于檢索缺失的信息。從這個(gè)查詢中檢索到的文檔隨后會(huì)被添加到 Ht 中，推理過程會(huì)反復(fù)迭代，直到所有主張都得到驗(yàn)證，或者檢索預(yù)算用盡。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

• 過程監(jiān)督方法的比較：下表展示了使用 Llama-3.1–8B-Instruct 實(shí)現(xiàn)的各種智能體，以及它們?cè)?RAG-Gym 中使用不同過程監(jiān)督方法進(jìn)行微調(diào)后的性能。與零樣本學(xué)習(xí)（ZSL）基線相比，過程監(jiān)督在所有智能體上都一致地提高了性能，證明了其在增強(qiáng)中間推理和查詢生成方面的有效性。在三種過程監(jiān)督算法中，PRM 總體上取得了最好的結(jié)果，比 ZSL 基線的平均 F1 得分高出 25.6%（ReAct）。

  

• ReSearch 與其他智能體的比較：結(jié)果還表明，在零樣本學(xué)習(xí)設(shè)置和有過程監(jiān)督的設(shè)置中，ReSearch 始終優(yōu)于其他智能體。在未經(jīng)調(diào)優(yōu)的情況下，ReSearch 就實(shí)現(xiàn)了很強(qiáng)的零樣本性能，證明了明確地將答案推理與查詢生成對(duì)齊的有效性。使用過程獎(jiǎng)勵(lì)模型后，ReSearch 達(dá)到了最先進(jìn)的性能，在不同數(shù)據(jù)集上的平均 EM 得分達(dá)到 54.31%，平均 F1 得分達(dá)到 62.41%。
• 獎(jiǎng)勵(lì)模型的可遷移性：下圖突出顯示了使用基于 Llama-3.1–8B 的過程獎(jiǎng)勵(lì)模型的 GPT-4o-mini 的 ReSearch 智能體的性能提升。使用獎(jiǎng)勵(lì)模型進(jìn)行動(dòng)作選擇在所有任務(wù)中都帶來了一致的收益，證明了 PRM 在不同大語言模型中有效選擇高質(zhì)量動(dòng)作的可遷移性。

分析

• 不同獎(jiǎng)勵(lì)來源的比較：四位領(lǐng)域?qū)＜覍?duì) 200 個(gè) MedQA 問題進(jìn)行了注釋。在其余 800 個(gè)用 GPT-4o 注釋的訓(xùn)練問題上訓(xùn)練了一個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)模型，并將其偏好與領(lǐng)域?qū)＜业钠眠M(jìn)行了比較。下表顯示了領(lǐng)域?qū)＜移门c不同來源獎(jiǎng)勵(lì)估計(jì)之間的一致性。使用 GPT-4o 注釋訓(xùn)練的獎(jiǎng)勵(lì)模型與人類偏好的一致性最高（85.85%），顯著優(yōu)于 Math-Shepherd 中引入的基于滾動(dòng)的方法（71.03%）。這表明在這種情況下，GPT-4o 注釋與人類推理和決策緊密對(duì)齊。

• 訓(xùn)練時(shí)間縮放：下圖展示了使用在不同數(shù)量訓(xùn)練樣本上微調(diào)的過程獎(jiǎng)勵(lì)模型的 ReSearch 智能體的性能。結(jié)果表明，ReSearch 的性能隨著訓(xùn)練樣本數(shù)量的增加而提高，但隨著樣本量的增長(zhǎng)，收益趨于收斂。

• 推理時(shí)間縮放：以 ReSearch 為測(cè)試智能體，下圖展示了我們的推理時(shí)間縮放研究結(jié)果。在多個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試中觀察到一致的趨勢(shì)，即增加采樣動(dòng)作的數(shù)量通常會(huì)提高性能。

研究結(jié)論

本文介紹了 RAG-Gym，這是一個(gè)通過過程監(jiān)督優(yōu)化推理和搜索智能體的框架，并引入了 ReSearch，這是一種將答案推理與搜索查詢生成統(tǒng)一起來的智能體架構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，RAG-Gym 在知識(shí)密集型任務(wù)上改進(jìn)了搜索智能體，ReSearch 始終優(yōu)于基線模型。研究還證明了使用大語言模型作為過程獎(jiǎng)勵(lì)評(píng)判的有效性、訓(xùn)練后的獎(jiǎng)勵(lì)模型在不同大語言模型上的可遷移性，以及 ReSearch 在訓(xùn)練和推理過程中的縮放模式。

本文轉(zhuǎn)載自 ??柏企科技圈??，作者：柏企