补齐Transformer规划短板，田渊栋团队的Searchformer火了Transformer 强大的泛化能力再次得

前言 Transformer 强大的泛化能力再次得到证明！

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最近几年，基于 Transformer 的架构在多种任务上都表现卓越，吸引了世界的瞩目。使用这类架构搭配大量数据，得到的大型语言模型（LLM）等模型可以很好地泛化用于真实世界用例。

尽管有如此成功，但基于 Transformer 的架构和 LLM 依然难以处理规划和推理任务。之前已有研究证明 LLM 难以应对多步规划任务或高阶推理任务。

为了提升 Transformer 的推理和规划性能，近些年研究社区也提出了一些方法。一种最常见且有效的方法是模拟人类的思考过程：先生成中间「思维」，然后再输出响应。比如思维链（CoT）提示法就是鼓励模型预测中间步骤，进行按步骤的「思考」。思维树（ToT）则使用了分支策略和评判方法，让模型生成多个不同的思维路径，然后从中选出最佳路径。尽管这些技术通常是有效的，但也有研究表明，在很多案例中，这些方法会让模型的性能下降，原因包括自我强制（self-enforcing）。

另一方面，在一个数据集上有效的技术可能无法很好地处理其它数据集，原因可能包括所涉及的推理类型发生了变化，比如从空间推理变成了数学推理或常识推理。

相较之下，传统的符号式规划和搜索技术却能表现出很好的推理能力。此外，这些传统方法计算得到的解决方案通常有形式上的保证，因为符号规划算法通常遵循明确定义的基于规则的搜索过程。

为了让 Transformer 具备复杂推理能力，Meta FAIR 田渊栋团队近日提出了 Searchformer。

论文标题：Beyond A∗: Better Planning with Transformers via Search Dynamics Bootstrapping
论文地址：arxiv.org/pdf/2402.14…

Searchformer 是一种 Transformer 模型，但针对迷宫导航和推箱子等多步规划任务，它却能计算出最优规划并且所用搜索步骤数也能远少于 A∗ 搜索等符号规划算法。

为了做到这一点，该团队提出了一种新方法：搜索动态引导（search dynamics bootstrapping）。该方法首先是训练一个 Transformer 模型来模仿 A∗ 的搜索过程（如图 1 所示，然后对其进行微调，使其能用更少的搜索步数找到最优规划。

更详细地说，第一步，训练一个模仿 A∗ 搜索的 Transformer 模型。这里，该团队的做法是针对随机生成的规划任务实例运行 A* 搜索。在执行 A∗ 时，该团队会记录执行的计算和最优规划并将其整理成词序列，即 token。这样一来，所得到的训练数据集就包含了 A∗ 的执行轨迹并编码了有关 A∗ 本身的搜索动态的信息。然后，训练一个 Transformer 模型，让其能针对任意规划任务沿最优规划生成这些 token 序列。

第二步，使用专家迭代（expert iteration）方法进一步提升使用上述经过搜索增强的序列（包含 A∗ 的执行轨迹）训练的 Searchformer。专家迭代方法可让 Transformer 凭借更少的搜索步骤生成最优解。这个过程会得到一种神经规划算法，其隐式地编码在该 Transformer 的网络权重之中，并且它有很高的概率以少于 A∗ 搜索的搜索步数找到最优规划。比如说，在执行推箱子任务时，新模型能解答 93.7% 的测试任务，同时搜索步数比 A∗ 搜索平均少 26.8%。

该团队表示：这为 Transformer 超越传统符号规划算法铺平了道路。

实验

为了更好地理解训练数据和模型参数量对所得模型性能的影响，他们进行了一些消融研究。

他们使用了两类数据集训练模型：一种的 token 序列中只包含解（solution-only，其中只有任务描述和最终规划）；另一种则是搜索增强型序列（search-augmented，其中包含任务描述、搜索树动态和最终规划）。

实验中，该团队使用了 A∗ 搜索的一种确定性和非确定性变体来生成每个序列数据集。

迷宫导航

在第一个实验中，该团队训练了一组编码器 - 解码器 Transformer 模型来预测 30×30 迷宫中的最优路径。

图 4 表明，通过预测中间计算步骤，可在数据量少时获得更稳健的性能表现。