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到证明！

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：https://arxiv.org/pdf/2402.14083.pdf

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。

图 5 给出了仅使用解训练的模型的性能。

图 6 展示了任务难度对每个模型的性能的影响。

整体而言，尽管当使用的训练数据集足够大和足够多样化时，仅使用解训练的模型也能预测得到最优规划，但当数据量少时，经过搜索增强的模型的表现明显好得多，并且也能更好地扩展用于更困难的任务。

推箱子

为了测试能否在不同且更复杂的任务（具有不同的 token 化模式）上得到类似的结果，该团队还生成了一个推箱子的规划数据集进行测试。

图 7 展示了每种模型针对每个测试任务生成正确规划的概率。

可以看到，和上一个实验一样，通过使用执行轨迹进行训练，搜索增强型模型的表现优于仅使用解训练的模型。

Searchformer：通过引导方法提升搜索动态

最后一个实验，该团队研究了搜索增强型模型可以如何迭代提升，从而凭借更少的搜索步数计算出最优规划。这里的目标是在缩短搜索轨迹长度的同时依然得到最优解。

图 8 表明，新提出的搜索动态引导方法能够迭代式地缩短 Searchformer 模型生成的序列的长度。