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將文本和視覺模態連接起來在生成智能中扮演著至關重要的角色。因此，受到大型語言模型成功的啟發，大量研究努力正被投入到多模態大型語言模型（MLLMs）的開發中。這些模型能夠無縫整合視覺和文本模態，無論是作為輸入還是輸出，同時提供基于對話的界面和遵循指令的能力。在這篇論文中，我們提供了近期基于視覺的MLLMs的全面回顧，分析它們的架構選擇、多模態對齊策略和訓練技巧。我們還對這些模型在廣泛的任務范圍內進行了詳細分析，包括視覺定位、圖像生成和編輯、視覺理解和領域特定應用。此外，我們編制并描述了訓練數據集和評估基準，就性能和計算需求在現有模型之間進行了比較。總的來說，這篇綜述提供了當前藝術狀態的全面概述，為未來MLLMs的發展奠定了基礎。

//www.zhuanzhi.ai/paper/3c58ed684809b9b936259fd61a4bb074

注意力操作符和Transformer架構（Vaswani et al., 2017）的引入，使得創建能夠處理各種模態的模型成為可能，并且這種處理能力在不斷擴大的規模上得到應用。這一進步很大程度上歸功于操作符的多功能性和架構的適應性。最初，這一突破被用于語言特定模型（Devlin et al., 2018; Brown et al., 2020），但很快擴展到支持視覺處理骨干（Dosovitskiy et al., 2021），最終用于集成多種模態的模型（Radford et al., 2021）。復雜大型語言模型（LLMs）的涌現，特別是它們進行上下文學習的能力，鼓勵研究人員將這些模型的應用范圍拓寬到多模態，包括作為輸入和輸出。這一擴展導致了如GPT-4V（Achiam et al., 2023）和Gemini（Anil et al., 2023）等尖端模型的開發，展示了最先進的性能。多模態大型語言模型（MLLMs）的開發涉及將視覺和語言的單模態架構合并，通過視覺到語言的適配器建立它們之間的有效連接，并設計創新的訓練方法。這些方法對于確保模態對齊和準確遵循指令的能力至關重要。在新模型快速發布的背景下，我們的目標是提供關于MLLM領域的全面概述，重點關注利用視覺模態的模型。這一概述既是對當前狀態的更新，也是對未來發展的靈感來源。我們確定了定義這些模型的三個核心方面：它們的架構、訓練方法以及它們被設計來執行的任務。我們首先詳細介紹了流行的視覺編碼器選擇和為LLMs裝備跨模態能力的適配器模塊。接著，我們深入訓練過程和使用的數據。然后，我們探索MLLMs處理的任務范圍。綜述以對該領域持續存在的挑戰和未來研究的有希望方向的討論結束。關于訓練數據、評估數據集以及性能和計算要求的進一步細節在補充材料中報告。

賦予大型語言模型多模態能力

** 前言**

大型語言模型。Brown等人（2020）發現上下文學習，即在提示前附加一些示例以演示大型語言模型（LLM）的期望輸出（Chowdhery等人，2023；Hoffmann等人，2022；Tay等人，2022），可以提高其性能，特別是在未見過的任務上。通過為每個訓練樣本提供所需任務的自然語言描述，可以進一步提高泛化能力。這種技術，稱為指令調優（Chung等人，2022；Wang等人，2022b,a；Jiang等人，2024），對于使LLM的行為與人類的行為對齊至關重要，目前賦能了最先進的LLM，最終通過來自人類反饋的強化學習（RLHF）（Ouyang等人，2022；Achiam等人，2023；Chen等人，2023j；Bai等人，2023a）得到提升。PEFT。當一個預訓練的LLM需要適應特定領域或應用時，參數高效微調（PEFT）方案代表了訓練整個LLM的一個重要替代方案，因為這些策略只引入少量新參數。其中，提示調優（Hambardzumyan等人，2021；Lester等人，2021；Li和Liang，2021；Liu等人，2023j）學習一小組向量作為軟提示在輸入文本之前輸入模型。不同的是，LoRA（Hu等人，2021）通過學習低秩矩陣限制了新權重的數量。這種技術與如QLoRA（Dettmers等人，2023）等量化方法正交，進一步減少了LLM的內存占用，與通常的半精度權重相比。走向多模態LLM。MLLM的發展與LLM的發展路徑類似，Flamingo（Alayrac等人，2022）是首個在視覺-語言領域探索大規模上下文學習的模型。然后，視覺指令調優（Liu等人，2023e）迅速成為多模態領域中最突出的訓練范式，以及使用PEFT技術微調LLM。任何MLLM至少包含三個組件（圖1）：作為與用戶接口的LLM主干，一個（或多個）視覺編碼器，以及一個或多個視覺到語言的適配器模塊。對LLM主干的流行選擇通常屬于LLaMA家族（Touvron等人，2023a,b），鑒于它們的權重是自由可獲取的，它們僅在公開數據上進行了訓練，并且它們擁有不同的大小以適應各種用例。此外，它們的衍生版本也很受歡迎，例如Alpaca（Taori等人，2023）和Vicuna（Chiang等人，2023）。前者在GPT-3編寫的指令上微調LLaMA，而后者利用用戶與ChatGPT（OpenAI，2022）的共享對話。其他選擇包括OPT（Zhang等人，2022b），Magneto（Wang等人，2023b），MPT（MosaicML，2023），以及經過指令調優（Chung等人，2022）或多語言（Xue等人，2020）版本的T5（Raffel等人，2020），一種為多個任務預訓練的編解碼器語言模型。 本調查中涵蓋的MLLM的總結報告在表1中，指出每個模型基于哪個LLM，視覺編碼器，用于連接視覺和語言組件的適配器，MLLM是否經過視覺指令調優訓練，以及主要任務和能力的簡短列表。視覺編碼器在MLLM中，一個關鍵組件是視覺編碼器，它專門設計用于為LLM提供提取的視覺特征。通常采用凍結的預訓練視覺編碼器，同時只訓練一個可學習的接口，將視覺特征與底層LLM連接起來。最常用的視覺編碼器基于預訓練的Vision Transformer（ViT）模型，具有CLIP-based目標，以利用CLIP嵌入的固有對齊。流行的選擇包括CLIP（Radford等人，2021）的ViT-L模型，OpenCLIP（Wortsman等人，2022）的ViT-H主干，以及EVA-CLIP（Fang等人，2023）的ViT-g版本。CLIP和OpenCLIP編碼器在從網絡收集的圖像上訓練，采用對比方法對正確的圖像-文本對進行對齊。相反，EVA-CLIP是一系列模型，提供了訓練CLIP模型的實用有效解決方案。特別是，EVA模型預訓練為重建被遮擋的圖像-文本對齊視覺特征，條件是可見的圖像塊。 正如（Li等人，2023f）所示，更強大的圖像編碼器導致更好的性能。基于這一見解，Lin等人（2023b）和Gao等人（2024）提出了一個凍結視覺主干的集合，以捕獲魯棒的視覺表示和不同級別的信息粒度。同時，PaLI模型（Chen等人，2023i,g），注意到語言和視覺參數之間的不平衡，分別提出將視覺主干擴展到4億和220億參數的ViT。使用如此大且強大的模型是通過在訓練期間保持視覺編碼器凍結的常見做法變得可行的，如（Li等人，2023f；Huang等人，2023a；Gao等人，2023；Chen等人，2023f）中所觀察到的。然而，使用凍結的視覺編碼器有一些局限性，主要是由于參數數量有限，導致視覺和語言模態之間對齊不足。具體來說，從視覺模型提取的密集特征可能會碎片化細粒度圖像信息，并由于輸入語言模型的長序列而帶來大量計算。為了緩解這個問題，其他方法（Ye等人，2023c,d）采用兩階段訓練范式。在第一階段，他們結合了可訓練的視覺主干，同時保持預訓練的LLM凍結。根據他們的發現，使視覺編碼器可訓練可以提高諸如視覺問題回答或視覺描述等任務的性能。然而，它可能導致其他任務的性能下降，表明一定程度的遺忘和對通用視覺表示的損害。

視覺到語言的適配器

來自不同模態的輸入的同時存在強調了需要納入一個能夠勾畫出這些單模態領域內潛在對應關系的模塊的必要性。這些模塊，稱為“適配器”，旨在促進視覺和文本領域之間的互操作性。在常見的MLLM中使用了不同適配器的范圍，從基本架構（如線性層或MLP）到高級方法（如基于Transformer的解決方案），如Q-Former模型，以及添加到LLM的條件交叉注意力層。線性和MLP投影。將視覺輸入投影到文本嵌入中的最直接方法涉及學習線性映射，將視覺特征轉換為與文本對應部分相同的維度。一些方法，如LLaMA-Adapter（Gao等人，2023）和FROMAGe（Koh等人，2023b）只使用單個線性層來執行多模態連接，而LLaVA-1.5（Liu等人，2023d）采用了兩層MLP，顯示出改進的多模態能力。盡管在早期MLLM中廣泛采用線性投影，但即使在對視覺輸入有更深入理解的最新方法中，線性投影的使用也被證明非常有效（Chen等人，2023f；Lin等人，2023a；Wang等人，2023c；You等人，2023；Zhao等人，2023a）。因此，它是一種簡單而有效的技術，用于將視覺特征與文本對應部分對齊。不同的方法（Cha等人，2023）提議用卷積層替換線性層，顯示出適度的改進。 Q-Former。它是BLIP-2（Li等人，2023f）中提出的基于Transformer的模型，然后在幾種其他方法（Chen等人，2023d；Dai等人，2023；Hu等人，2024）中使用。它的特點是具有可適應的架構，由兩個共享相互注意力層的Transformer塊組成，促進視覺和文本表示之間的對齊過程。它涉及一組可學習的查詢，在自注意力層內部交互，并通過交叉注意力機制與視覺特征接口。文本和視覺元素通過模塊內的共享自注意進行通信。從Q-Former中汲取靈感，引入了各種修改版本。在這方面，mPLUG-Owl模型（Ye等人，2023c,d）簡化了Q-Former架構，并提出了一個視覺抽象器組件，通過將視覺信息壓縮為不同的可學習令牌來操作，以獲得更富語義的視覺表示。同一線上，Qwen-VL（Bai等人，2023b）使用具有可學習查詢的單層交叉注意力模塊壓縮視覺特征，還結合了2D位置編碼。附加交叉注意力層。這種方法在Flamingo（Alayrac等人，2022）中被提出，通過在現有預訓練LLM層中集成密集交叉注意力塊。新添加的層通常與零初始化的tanh門控機制結合使用，以確保在初始化時，條件模型的行為如其原始版本。使用附加交叉注意力層需要從頭開始訓練它們，與其他替代方案相比，增加了可訓練參數的數量。為了減少計算復雜性，這種策略通常與基于Perceiver的組件（Jaegle等人，2021）配對使用，該組件在將視覺令牌輸入LLM之前減少了它們的數量。自從引入以來，幾個模型（Awadalla等人，2023；Chen等人，2023b；Lauren?on等人，2023；Li等人，2023a）采用這種技術將視覺模態與底層LLM連接起來，顯示出提高了訓練穩定性和改善了性能。

多模態訓練

從預訓練的LLM開始，MLLM的訓練經歷了單階段或兩階段過程。在這兩種情況下，都使用標準的交叉熵損失來預測下一個令牌，作為自回歸目標。 單階段訓練。這種可能性由LLaMA-Adapter（Gao等人，2023）探索，它引入了額外的可訓練參數以封裝視覺知識并同時管理僅文本指令學習。為了實現這一點，模型使用圖像-文本對和指令進行聯合訓練，操作獨立的參數。同時，（Koh等人，2023b）中提出的模型通過整合兩個對比損失來適應最終損失函數，用于圖像-文本檢索。在訓練期間，只更新三個線性層。另一方面，Kosmos-1（Huang等人，2023a）考慮了一個凍結的視覺主干，并從頭開始訓練1.3B參數的語言模型。 Flamingo（Alayrac等人，2022）及其開源變體（Awadalla等人，2023；Lauren?on等人，2023），相反，訓練交叉注意力層和基于Perceiver的組件以將視覺特征與凍結的LLM塊連接起來。此外，Otter（Li等人，2023a）擴展了Flamingo的訓練以增加其上下文能力。 鑒于目前可用的訓練數據量，像SPHINX-X（Gao等人，2024）這樣的方法選擇執行單一的一體化訓練階段，在此階段更新所有模型組件，可能還使用僅文本數據以保留LLM的對話能力。

兩階段訓練。在兩個訓練階段中的第一個，目標是將圖像特征與文本嵌入空間對齊。經過這一階段后，輸出往往是碎片化的且不連貫的。因此，進行第二步以提高多模態對話能力。LLaVA（Liu等人，2023e,d）是首批引入視覺指令遵循訓練方案的方法之一，作為第二訓練階段執行，更新多模態適配器和LLM的參數。在第一階段，相反，只有多模態適配器是可訓練的。不同的是，MiniGPT4（Zhu等人，2023a）值得注意的是，在兩個階段中僅訓練負責多模態對齊的線性層。在第二階段，它使用經過模型自身在第一階段后收集和精煉的過濾數據。

另一種方法，如InstructBLIP（Dai等人，2023）所示，涉及凍結視覺編碼器和LLM。在兩個訓練階段中，只有Q-Former和連接模塊是可訓練的。與之前保持視覺主干凍結的方法相比，mPLUG-Owl（Ye等人，2023c,d）在初始階段更新它，便于捕獲低層次和高層次的視覺信息。此外，在第二階段聯合使用僅文本和多模態數據以增加對齊。不同地，Shikra（Chen等人，2023f）在兩個階段中更新所有權重，唯一的例外是視覺主干保持凍結。

訓練數據。在第一階段（或單一階段）訓練中，通常使用來自不同來源的圖像-文本對，使用的數據集包括LAION-2B（Schuhmann等人，2022）、LAION-400M（Schuhmann等人，2021）、Conceptual Captions（Sharma等人，2018）、COYO-700M（Byeon等人，2022）和DataComp（Gadre等人，2023）。一些方法（Lin等人，2023a）將這些與一個或多個數據集結合使用，這些數據集的特點是文本與圖像交錯，通常從網絡上抓取，如WebLI（Chen等人，2023i）、MMC4（Zhu等人，2023d）、MMDialog（Feng等人，2023b）和OBELICS（Lauren?on等人，2023）。

為了解決以前數據集中的偏差和噪聲問題，StableLLaVA（Li等人，2023h）引入了在第一階段使用的新收集數據。這種方法利用ChatGPT生成包含圖像生成提示和基于內容的對話的數據，并使用Stable Diffusion（Rombach等人，2022）生成相應的圖像。隨后的階段則利用數據集進行視覺指令調優。其中，常用的LLaVA-Instruct（Liu等人，2023e）擴展了COCO（Lin等人，2014）并加入了由GPT-4生成的指令。遵循這一趨勢，Zhao等人（2023a）通過結合手動生成的數據和高質量多樣性的數據，擴大了尺寸。此外，還提出了其他多輪對話數據集，如（Dai等人，2023）中介紹的將26個公開可用數據集轉換為其視覺指令遵循版本的數據集，LRV-Instruction（Liu等人，2023c）旨在通過更穩健的指令減少幻覺，而LLaVAR（Zhang等人，2023h）則專注于文本豐富的圖像。

用多模態大型語言模型處理視覺任務

標準的多模態大型語言模型可以處理視覺理解任務，例如視覺問答（VQA）、圖像描述和多輪對話。然而，最近對處理更細粒度的視覺任務，如視覺定位和圖像生成，有了更大的興趣。

結論與未來方向

在本綜述中，我們提供了最近多模態大型語言模型（MLLMs）進化的全面概述，首先關注如何為LLMs裝備多模態能力，然后探討這些模型處理的主要任務。基于所呈現的分析，以下我們概述了重要的開放挑戰和有前景的未來研究方向，以進一步增強MLLMs的能力。 修正幻覺現象。幾項研究（Liu等人，2023b；Zhu等人，2023a）表明MLLMs傾向于展現高幻覺率，特別是在生成較長的描述時。盡管一些解決方案正在出現以緩解這個問題（Liu等人，2023b；Wang等人，2023a；Wu等人，2023c；Yin等人，2023a），但理解和糾正幻覺的根本原因仍然是一個重要的開放挑戰，值得解決，以允許這些模型在更關鍵的背景中（例如，醫學）應用，并保證它們的準確性和可信度。 預防有害和有偏見的生成。確保大規模模型的安全性和公平性是社區的基本興趣。近期工作表明，基于網絡爬取數據訓練的模型傾向于生成不適當和有偏見的內容。盡管最近正在努力在文本到圖像生成模型中減少這種現象（Schramowski等人，2023；Friedrich等人，2023），但需要進一步探索以防止MLLMs中出現相同的行為（Pi等人，2024）。 減少計算負荷。如補充材料所示，MLLMs高度依賴于計算。需要有效的策略（Chu等人，2024）來減少計算需求，使MLLMs的開發更加易于獲取。可能的方向包括減少訓練要求，無論是在模型規模還是數據量方面，以及優化推理階段。

基于變換器架構的大型模型在人工智能中扮演著越來越重要的角色，特別是在自然語言處理（NLP）和計算機視覺（CV）領域內。模型壓縮方法減少了它們的內存和計算成本，這是在實際設備上實現變換器模型的必要步驟。鑒于變換器的獨特架構，特別是交替注意力機制和前饋神經網絡（FFN）模塊，需要特定的壓縮技術。這些壓縮方法的效率也非常重要，因為通常不現實在整個訓練數據集上重新訓練大型模型。本綜述提供了近期壓縮方法的全面回顧，特別關注它們在變換器模型上的應用。壓縮方法主要分為剪枝、量化、知識蒸餾和高效架構設計四個類別。在每個類別中，我們討論了CV和NLP任務的壓縮方法，強調共同的基本原則。最后，我們深入探討了各種壓縮方法之間的關系，并討論了該領域的進一步方向。

深度神經網絡已成為眾多人工智能應用中不可或缺的部分，其架構涵蓋了多種形式，如多層感知機（MLP）、卷積神經網絡（CNN）、循環神經網絡（RNN）、長短期記憶網絡（LSTM）、變換器（Transformers）等。近來，基于變換器的模型已成為各個領域的主流選擇，包括自然語言處理（NLP）和計算機視覺（CV）領域。考慮到它們強大的擴展能力，大多數擁有超過數十億參數的大型模型都是基于變換器架構的，這些模型被視為通用人工智能（AGI）的基礎元素。盡管大型模型展示了顯著的能力，但它們極大的規模對實際開發提出了挑戰。例如，GPT-3模型有1750億參數，大約需要350GB的內存模型存儲空間（float16）。巨大的參數量及其相關的計算開銷要求設備具有極高的內存和計算能力。直接部署這樣的模型將會產生巨大的資源成本，并顯著增加二氧化碳排放。此外，在像手機這樣的邊緣設備上，由于存儲和計算資源有限，這些模型的開發變得不切實際。

模型壓縮是一種有效的策略，用于減輕與變換器模型相關的開發成本。這種方法基于減少冗余的原則，包括多種類別，如剪枝、量化、知識蒸餾、高效架構設計等。網絡剪枝直接移除冗余組件，如塊、注意力頭、FFN層或個別參數。通過采用不同的剪枝粒度和剪枝標準，可以派生出多種子模型。量化通過使用較低位表示模型權重和中間特征來減少開發成本。例如，將全精度模型（float32）量化為8位整數時，內存成本可以減少四分之一。根據計算過程，它可以分為訓練后量化（PTQ）或量化感知訓練（QAT），其中前者只需要有限的訓練成本，對大型模型更有效。知識蒸餾作為一種訓練策略，將知識從大模型（教師）轉移到小模型（學生）。學生通過模擬模型的輸出和中間特征來模仿教師的行為。值得注意的是，對于像GPT-4這樣的高級模型，僅通過APIs訪問，它們生成的指示和解釋也可以指導學生模型的學習。除了從預定義的大型模型獲得模型外，一些方法通過直接減少注意力模塊或FFN模塊的計算復雜性來產生高效的架構。結合不同的方法可以實現極端壓縮。例如，Han等人結合了網絡剪枝、量化和哈夫曼編碼，在傳統的VGGNet上實現了令人印象深刻的49倍壓縮率。關于變換器模型，它們的壓縮策略展示出獨特的特點。與CNN或RNN等其他架構不同，變換器具有獨特的設計，包括替代的注意力和FFN模塊。前者通過計算不同令牌上的注意力圖來捕獲全局信息，而后者分別從每個令牌提取信息。這種特定的架構可以激發針對最優壓縮率的定制壓縮策略。此外，對于這樣的大型模型，壓縮方法的效率尤為重要。由于大型模型的高計算成本，通常無法負擔在原始訓練集上重新訓練整個模型。一些訓練效率高的方法，如訓練后壓縮更受青睞。

在這項綜述中，我們旨在全面調查如何壓縮這些變換器模型（圖1），并且根據量化、知識蒸餾、剪枝、高效架構設計等將方法進行分類。在每個類別中，我們分別調查了NLP和CV領域的壓縮方法。表1總結了主要的壓縮類別，并列出了適合大型變換器模型的代表性方法。盡管NLP和CV通常被視為非常不同的領域，我們觀察到它們的模型壓縮方法實際上共享相似的原則。最后，我們討論了不同壓縮方法之間的關系，并提出了一些未來的研究方向。本文的其余部分組織如下。第2節介紹變換器的基本概念。繼此之后，第3節對保持架構的壓縮方法進行了深入討論，包括量化和知識蒸餾——這些技術保持了模型的架構。第4節進一步探討了保持架構的壓縮，包括剪枝和高效架構設計。第5節探索了額外的變換器壓縮方法。最后，第6節總結了壓縮方法并討論了未來的研究方向。架構保留型壓縮量化是在各種設備上部署變換器的關鍵步驟，尤其是對于設計了專用于低精度算術運算的GPU和NPU。1）訓練后量化（PTQ）[21]，[41]，[22]，[42]，[43]，[44]，[45]，主要集中在使用少量未標記的校準數據優化權重和激活的量化參數，一些最新方法還探索了權重量化的自適應舍入。(2) 量化感知訓練（QAT）[46]，[47]，[48]，[49]，[50]，[51]，[23]，[52]，[53]，[54]，[55]，[56]，將量化節點插入網絡并使用完整的訓練數據進行訓練，其中所有的權重和量化參數都一起優化。在本節中，我們系統地介紹了基于變換器的視覺模型和大型語言模型的模型量化研究，如圖2所示。

知識蒸餾（KD）旨在通過壓縮[83]，[84]，[85]或轉移[87]，[88]，[86]來自教師網絡的知識來訓練學生網絡。在本文中，我們主要關注旨在實現一個緊湊的學生模型的蒸餾方法，同時保持與笨重的教師模型相比滿意的性能。學生模型通常具有更窄、更淺的架構，使它們更適合在資源有限的系統上部署。

神經網絡剪枝長期以來被認為是一種有效的方法，用于縮小模型大小和加速模型推理。剪枝方法的分類可能相當復雜，包括剪枝和模型訓練的順序、結構規范，以及確定被剪枝參數的方式[133]。然而，在本綜述的范圍內，將源模型限定為針對自然語言處理[134]，[4]或視覺識別[12]，[26]，[135]，[136]的預訓練大型變換器，提出了幾種特定的技術類別需要被討論（見圖5）。

結論

在這項綜述中，我們系統地調查了變換器模型的壓縮方法。與傳統模型的壓縮方法相比，壓縮變換器模型時有獨特的考慮因素。與如CNN或RNN等其他架構不同，變換器擁有獨特的架構設計，包括替代的注意力和FFN模塊，這要求專門定制的壓縮方法以獲得最佳壓縮率。此外，這些大型模型的壓縮方法效率尤其關鍵。某些模型壓縮技術需要大量的計算資源，對于如此龐大的模型可能是難以承受的。這項綜述旨在涵蓋與變換器相關的大多數近期工作，并為它們的壓縮制定一個全面的路線圖。隨后，我們深入探討了各種方法之間的相互聯系，解決后續挑戰，并概述了未來研究的方向。

不同壓縮方法之間的關系。不同的壓縮方法可以一起使用，以獲得極其高效的架構。一個傳統的序列是首先定義一個具有高效操作的新架構。然后移除冗余組件（例如，注意力頭，層）以獲得更小的模型。對于實際硬件實現，將權重或激活量化到較低位是必不可少的。所需位數的選擇不僅取決于錯誤的容忍度，還取決于硬件設計。作為一個例子，Int8計算在Nvidia A00上高效優化，但在較老的Tesla P100上缺乏支持。蒸餾通常作為一種訓練策略，在剪枝和量化的微調階段都適用。為了追求極高的壓縮率，探索如何結合不同的壓縮策略是有前景的。盡管在CNN這樣的傳統模型上已經被廣泛探索，但變換器模型具有更復雜的架構和更高的計算成本。通過聯合搜索找到合適的組合策略是具有挑戰性的。

訓練高效的壓縮策略。與壓縮傳統模型相比，更加強調壓縮方法的計算成本。大型變換器目前在使用大量計算資源的大型數據集上進行訓練。例如，Llama2在幾個月內使用數千個GPU在2萬億令牌上進行訓練。在預訓練期間，尤其當原始數據通常無法訪問時，使用可比的計算資源進行微調是不切實際的。因此，在訓練后應用高效的壓縮方法變得更加可行。最初為傳統小模型開發的一系列工作已廣泛研究了訓練后量化，這些方法已無縫過渡到變換器。僅用幾個GPU小時，一些最新的工作GPTQ、SmoothQuant已將FP16模型量化到Int8，而不會造成顯著性能損失。然而，對于較低位（例如，4位），量化模型仍然遭受顯著的性能下降。值得注意的是，極低位模型，如二進制變換器，在傳統小模型中已被廣泛探索，但在大模型的背景下仍然相對未被探索。

對于剪枝，訓練后的挑戰與剪枝粒度密切相關。雖然非結構化稀疏性可以實現高壓縮率并且最小化微調需求，但類似策略難以轉移到結構性剪枝。直接移除整個注意力頭或層將導致模型架構的顯著改變和準確率的顯著降低。如何識別有效權重以及如何有效恢復性能都是洞見方向。識別有效權重和恢復表示能力的高效策略是解決這些挑戰的關鍵研究方向。

超越變換器的高效架構。在現實世界應用中，變換器架構的輸入上下文可以擴展到極長長度，包括NLP中的序列文本（例如，數十萬詞的書）或CV中的高分辨率圖像。原生注意力機制對輸入序列長度的復雜度呈二次方增長，對于長序列輸入構成了顯著的計算挑戰。許多研究通過減輕注意力的計算成本來解決這個問題，采用了稀疏注意力、局部注意力等技術。然而，這些注意力壓縮策略通常會妥協表示能力，導致性能降低。如RWKV和RetNet等新興架構采用類似RNN的遞歸輸出生成，有效地將計算復雜度降低到O(N)。這一發展為進一步探索更高效模型提供了希望。對于計算機視覺任務，即使是不帶注意力模塊的純MLP架構也能達到SOTA性能。超越廣泛使用的變換器架構，通過仔細研究它們的效率、泛化能力和擴展能力，探索新的高效架構是有前景的。

近期在基礎模型上的發展，如大型語言模型（LLMs）和視覺-語言模型（VLMs），它們基于大量數據訓練，促進了跨不同任務和模態的靈活應用。它們的影響覆蓋了多個領域，包括健康護理、教育和機器人技術。本文提供了基礎模型在現實世界機器人應用中的概覽，主要強調在現有機器人系統中替換特定組件。總結包括了基礎模型中輸入輸出關系的視角，以及它們在機器人技術領域內的感知、運動規劃和控制中的作用。本文最后討論了實際機器人應用面臨的未來挑戰和含義。

近期在人工智能領域的進步顯著擴展了機器人的操作能力，使它們能夠承擔多種多樣的活動【1-5】。雖然最初機器人的部署主要限于大規模生產環境【6-11】，但現在工業機器人的適用性已經擴展到小批量和高多樣性生產領域，包括室內空間和災難現場【12-15】。這種擴散不僅僅限于環境多樣性的增加；它還擴展到了任務范圍的擴大，包括日常活動，如整理【16-18】、洗滌【19,20】、擦拭【21,22】和烹飪【23,24】。機器學習為滿足這些機器人系統的需求提供了一種方式。然而，僅僅在特定領域數據上訓練每個模型對于多樣的機器人、任務和環境來說是不夠的。越來越多地需要開發可以使用單一的、預訓練的系統或模塊應用于各種機體、任務和環境的機器人。 解決這一挑戰的一個方案是引入基礎模型【25】。基礎模型是在大量數據上訓練的模型，可以通過上下文學習、微調或甚至零樣本的方式輕松應用于廣泛的下游任務【26,27】。顯著的例子包括大型語言模型（LLMs）如GPT【27】和視覺-語言模型（VLMs）如CLIP【28】，其中語言是結合各種類型模態的粘合劑。這些基礎模型的影響是顯著的，有幾篇綜述文章討論了它們在不同領域的影響【29-32】。Wang等人【29】和Zeng等人【30】進行了關于大型語言模型在機器人學中應用的綜述，而Firoozi等人【31】和Hu等人【32】進行了更廣泛的綜述，關注于基礎模型在機器人學中的應用。在本文中，我們總結了基礎模型對現實世界機器人的適用性，旨在加速它們在實際機器人應用中的采用。與其他綜述文章相比，我們提供了如何從基礎模型的輸入輸出關系以及機器人學中的感知、運動規劃和控制的角度，用基礎模型替換現有機器人系統中的特定組件的總結。 本研究的結構如圖1所示。在第2節中，我們將描述基礎模型本身。特別地，我們將根據它們使用的模態類型，例如視覺【33,34】、語言【35-41】等，以及它們可以應用的下游任務類型進行分類。在第3節中，我們將基于當前應用【2,3,42】描述如何將基礎模型應用于機器人學。一般來說，機器人需要配備感知模塊、規劃模塊和控制模塊。從這個角度，我們分類了可以將基礎模型應用于現實世界機器人學的方式，包括低級感知、高級感知、高級規劃和低級規劃。此外，我們還將解釋在訓練直接連接低級感知和低級規劃的映射時，對機器人學的數據增強。在第4節中，我們將描述包括機器人實體在內的基礎模型，即機器人基礎模型，包括關于如何就模型架構、數據集和學習目標制作這些機器人基礎模型的討論。在第5節中，我們將描述使用基礎模型的機器人、任務和環境。我們將任務分類為導航、操縱、帶有操縱的導航、運動和交流。最后，我們將討論未來的挑戰并提出我們的結論。

“基礎模型”一詞最初在【25】中被引入。在這項綜述中，我們將簡單描述在機器人應用中使用的基礎模型的類型，以及下游任務，將關于基礎模型本身的討論推遲到【25】。在2012年，深度學習因ILSVRC-2012比賽的獲勝模型而獲得機器學習社區的主流關注【43】。2017年，由【44】介紹的Transformer模型，促進了自然語言處理（NLP）【45】和計算機視覺【46】領域的重大進步。到2021年，一個經過大量數據訓練、能夠輕松應用于廣泛下游任務的模型被稱為“基礎模型”【25】。基礎模型的特點主要有三個：

上下文學習 * 規模定律 * 同質化

上下文學習使得僅用幾個例子就能完成新任務成為可能，無需重新訓練或微調。規模定律允許隨著數據、計算資源和模型大小的增加而持續提升性能。同質化允許某些基礎模型架構以統一的方式處理多種模態。 在這一章中，我們從在機器人學中的適用性的角度對基礎模型進行分類。機器人利用基礎模型的最關鍵標準是選擇使用哪些模態。本章從語言、視覺、音頻、3D表示和各種其他模態的角度討論了基礎模型的類型和它們可以執行的下游任務。在利用每種模態的背景下，我們進一步從網絡輸入和輸出的角度對基礎模型進行分類。概覽顯示在圖2中。請注意，我們的目標不是在這里全面覆蓋基礎模型；我們的重點仍然在于解決模態差異和基礎模型的分類。

通常，機器人的行為由感知、規劃和控制組成。在本研究中，我們將感知分為兩個類別：低級感知和高級感知。同時，我們將規劃和控制分別稱為高級規劃和低級規劃。加上對學習這些組成部分的數據增強，我們將機器人對基礎模型的利用分為以下五個類別。 * 低級感知 * 高級感知 * 高級規劃 * 低級規劃 * 數據增強

這些類別之間的關系如圖3所示。用于低級感知的基礎模型包括在圖像或3D表示中的語義分割和邊界框提取，以及在各種模態中的特征提取。用于高級感知的基礎模型涉及將從低級感知獲得的結果轉換和利用成如地圖、獎勵和運動約束等形式。用于高級規劃的基礎模型執行更高級別的抽象任務規劃，不包括直接控制。用于低級規劃的基礎模型執行較低級別的運動控制，包括關節和末端執行器控制。用于數據增強的基礎模型在執行連接低級感知和低級規劃的學習時，通過數據增強增強魯棒性。 在實踐中，通過組合這五種利用方法創建了各種應用。主要分為四種類型，如圖4所示。 (i) 進行低級感知，然后用高級規劃規劃行為。 (ii) 通過低級感知和高級感知提取獎勵和運動約束，并用于強化學習和軌跡優化。 (iii) 通過低級感知和高級感知生成地圖、場景圖等，并將它們作為任務規劃的基礎。 (iv) 使用數據增強，穩健地進行直接關聯低級感知的特征提取和控制輸入的端到端學習。 值得注意的是，也有一些研究方法不適用于這一框架。 從這些角度出發，我們選取了幾篇具有代表性的論文并在表1中進行了總結。

大型語言模型（LLMs）在廣泛的任務中取得了顯著的成功。由于LLMs令人印象深刻的規劃和推理能力，它們被用作自動執行許多任務的自主智能體。最近，基于將一個LLM作為單一規劃或決策智能體的發展，基于LLM的多智能體系統在復雜問題解決和世界模擬方面取得了相當的進展。為了向社區提供這一動態領域的概覽，我們呈現這篇綜述，以提供關于基于LLM的多智能體系統的基本方面及挑戰的深入討論。我們的目標是讓讀者對以下問題獲得實質性的見解：基于LLM的多智能體模擬哪些領域和環境？這些智能體如何被描述，它們如何通信？什么機制有助于智能體能力的增長？對于那些有興趣深入研究這一領域的人，我們還總結了常用的數據集或基準，以便他們方便地訪問。為了讓研究人員了解最新的研究，我們維護一個開源的GitHub倉庫，致力于概述基于LLM的多智能體系統的研究。

1 引言

最近，大型語言模型（LLMs）展現出了達到與人類相當的推理和規劃能力的顯著潛力。這種能力完全符合人類對能夠感知周圍環境、做出決策并作出響應的自主智能體的期待[Xi等，2023；Wooldridge和Jennings，1995；Russell和Norvig，2009；Guo等，2023；Liang等，2023]。因此，基于LLM的智能體已被研究和快速發展，以理解和生成類似人類的指令，促進在廣泛的上下文中進行復雜的互動和決策[Yao等，2023；Shinn等，2023；Li等，2023d]。及時的綜述文章系統地總結了基于LLM的智能體的進展，如在文獻[Xi等，2023；Wang等，2023b]中所見。

基于單個LLM智能體的啟發性能力，已提出基于LLM的多智能體，以利用多個智能體的集體智能和專業化輪廓及技能。與使用單一LLM驅動的智能體的系統相比，多智能體系統通過1) 將LLMs專業化為具有不同能力的各種不同智能體，以及2) 使這些多樣化的智能體之間進行互動，有效地模擬復雜的現實世界環境，提供了先進的能力。在這一背景下，多個自主智能體協作參與規劃、討論和決策，反映了人類團隊工作在解決問題任務中的合作本質。這種方法利用了LLMs的溝通能力，借助它們生成文本進行交流和對文本輸入的響應能力。此外，它利用了LLMs在各個領域的廣泛知識和專門化特定任務的潛力。最近的研究已經展示了使用基于LLM的多智能體解決各種任務的有希望的結果，如軟件開發[Hong等，2023; Qian等，2023]、多機器人系統[Mandi等，2023; Zhang等，2023c]、社會模擬[Park等，2023; Park等，2022]、政策模擬[Xiao等，2023; Hua等，2023]以及游戲模擬[Xu等，2023c; Wang等，2023c]。由于這個領域的跨學科研究性質，它吸引了來自社會科學、心理學和政策研究等不同背景的研究者，研究論文的數量正在迅速增加，如圖1所示（受[Gao等，2023b]設計的啟發），從而擴大了基于LLM的多智能體研究的影響。盡管如此，早期的工作是獨立進行的，導致缺乏系統回顧以總結它們，建立這個領域的全面藍圖，并檢查未來的研究挑戰。這強調了我們工作的重要性，并作為呈現這篇綜述論文的動機，致力于基于LLM的多智能體系統的研究。

我們期望我們的綜述能對LLMs的研究和開發以及利用LLMs進行的更廣泛的跨學科研究做出重大貢獻。讀者將獲得關于基于LLM的多智能體（LLM-MA）系統的全面概覽，把握基于LLMs建立多智能體系統所涉及的基本概念，并捕捉到這一動態領域中最新的研究趨勢和應用。我們認識到這個領域正處于初級階段，并且隨著新方法和應用的迅速發展。為了提供一種持續的資源來補充我們的綜述論文，我們維護了一個開源的GitHub倉庫。我們希望我們的綜述能激發進一步的探索和創新，以及在廣泛的研究領域中的應用。

為了幫助來自不同背景的個人理解LLM-MA技術，并補充現有的綜述通過解決未解決的問題，我們以以下方式組織了我們的綜述論文。在第2節中闡述背景知識后，我們提出了一個關鍵問題：LLM-MA系統如何與協作任務解決環境對齊？為了回答這個問題，我們在第3節提出了一個全面的框架，用于定位、區分和連接LLM-MA系統的各個方面。我們通過討論： 1）智能體-環境界面，詳細說明智能體如何與任務環境互動； 2）智能體輪廓，解釋一個智能體如何被LLM描述以以特定方式行為； 3）智能體通信，考察智能體如何交換信息和協作；以及 4）智能體能力獲取，探索智能體如何發展其解決問題的能力。

關于LLM-MA研究的另一個視角是它們的應用。在第4節，我們將當前應用分為兩個主要流：用于問題解決的多智能體和用于世界模擬的多智能體。為了指導個人識別合適的工具和資源，我們在第5節提出了用于研究LLM-MA的開源實現框架，以及可用的數據集和基準。基于前面的總結，我們在第6節開放了對未來研究挑戰和機會的討論。結論在第7節中總結。

解析LLM-MA系統：界面、輪廓、通信和能力

在本節中，我們深入探討LLM-MA系統的復雜性，其中多個自主智能體參與類似于人類群體動力學的協作活動，應對問題解決場景。我們要解決的一個關鍵問題是，這些LLM-MA系統如何與它們的操作環境以及它們旨在實現的集體目標對齊。為了闡明這一點，我們在圖2中展示了這些系統的通用架構。我們的分析解剖了這些系統的操作框架，重點關注四個關鍵方面：智能體-環境界面、智能體輪廓、智能體通信和智能體能力獲取。

應用

LLM-MA系統已在廣泛的應用中被使用。我們在表1中總結了兩類應用：問題解決和世界模擬。我們將在下面詳細闡述這些應用。請注意，這是一個快速發展的研究領域，幾乎每天都有新應用出現。我們維護一個開源倉庫來報告最新的工作。

使用LLM-MA進行問題解決的主要動機是利用具有專門專業知識的智能體的集體能力。這些智能體，每個都作為個體行動，協作以有效地解決復雜問題，例如軟件開發、具體化智能體、科學實驗和科學辯論。 LLM-MA的另一個主流應用場景是世界模擬。這一領域的研究正在迅速增長，涵蓋了包括社會科學、游戲、心理學、經濟學、政策制定等在內的多種領域。在世界模擬中使用LLM-MA的關鍵原因在于它們出色的角色扮演能力，這對于現實地描繪模擬世界中的各種角色和觀點至關重要。世界模擬項目的環境通常被設計來反映被模擬的特定場景，智能體以各種輪廓設計以匹配這一背景。與專注于智能體合作的問題解決系統不同，世界模擬系統涉及多種智能體管理和通信方法，反映了現實世界交互的復雜性和多樣性。

結論

基于LLM的多智能體展現了激勵人心的集體智能，并迅速在研究者中獲得了越來越多的興趣。在這篇綜述中，我們首先系統回顧了LLM-MA系統的發展，通過從不同方面定位、區分和連接它們，涉及智能體-環境界面、LLMs對智能體的描述、管理智能體通信的策略以及能力獲取的范式。我們還總結了LLM-MA在問題解決和世界模擬中的應用。通過突出常用的數據集和基準，并討論挑戰和未來機會，我們希望這篇綜述能成為各個研究領域的研究者們的有用資源，激發未來的研究去探索基于LLM的多智能體的潛力。

大型模型，包括大型語言模型和擴散模型，已在接近人類智能方面展現出卓越的潛力，引起了學術界和工業界的極大興趣。然而，這些大型模型的訓練需要大量的高質量數據，而且隨著這些模型的持續更新，現有的高質量數據資源可能很快就會耗盡。這一挑戰促使人們大量研究數據增強方法。利用大型模型，這些數據增強技術已超越傳統方法。本文提供了一篇關于大型模型驅動的數據增強方法的全面綜述。我們首先建立了相關研究的分類，分為三個主要類別：**圖像增強、文本增強和配對數據增強。**接著，我們深入探討了與基于大型模型的數據增強相關的各種數據后處理技術。我們的討論隨后擴展到這些數據增強方法在自然語言處理、計算機視覺和音頻信號處理等領域的應用范圍。我們繼續評估基于大型模型的數據增強在不同場景中的成功與局限性。在我們的綜述中，我們突出了數據增強領域未來探索的潛在挑戰和途徑。我們的目標是為研究人員提供關鍵洞察，最終有助于更復雜大型模型的發展。我們持續維護相關的開源材料在： //github.com/MLGroup-JLU/LLM-data-aug-survey。

數據增強，作為機器學習中的關鍵策略，解決了用有限的標記數據訓練不同任務模型的挑戰。它涉及增強訓練樣本的充足性和多樣性，而無需顯式收集新數據，因此在提高模型泛化方面起著至關重要的作用（Feng et al., 2021; Shorten and Khoshgoftaar, 2019）。數據增強的本質在于通過各種變換改變現有數據點來生成新數據。這防止了模型記憶無關的數據模式，增強的數據緊密反映了真實數據的分布（Cubuk et al., 2019; Wei and Zou, 2019）。這些技術直接適用于監督學習（Liu et al., 2021c）并且可以通過一致性規則化（Zhang et al., 2021a）在半監督學習中用于未標記數據。最初為計算機視覺（CV）開發的數據增強方法通過裁剪、旋轉和色彩調整等操作創建人工圖像（Kanwal et al., 2022; Krell and Kim, 2017; Takahashi et al., 2019）。在自然語言處理（NLP）中，類似的方法包括隨機字符插入、單詞刪除和同義詞替換（Liu et al., 2020; Shorten and Khoshgoftaar, 2019）。

數據增強的重要性在學術和工業領域引起了廣泛關注。作為一個活躍的研究領域，它解決了機器學習中對大量高質量標記數據的日益增長的需求，這一需求在現實世界中往往無法滿足。盡管在過去幾十年中，特別是在深度學習技術方面，數據增強取得了顯著進展，但這些方法仍然難以捕捉現實世界數據的復雜性（Feng et al., 2021），生成可擴展數據（Yang et al., 2022），并抵御對抗性示例（Qiu et al., 2020）。

為了應對這些限制，當前研究正在探索創新技術來增強數據增強方法的效果和多樣性。其中，大型模型，包括大型語言模型（Zhao et al., 2023）和擴散模型（Yang et al., 2023），顯示出相當大的潛力。大型語言模型（LLMs），如GPT-4（OpenAI, 2023a）和Llama2（Touvron et al., 2023b），已經革新了NLP。這些模型以Transformer架構（Vaswani et al., 2017）為特點，并在廣泛的語料庫上進行訓練，擅長理解和生成類似人類的文本，標志著機器學習能力的重大進步（Zhao et al., 2023）。這些擁有數十億參數的模型可以承擔包括代碼生成（Zhang et al., 2023b）和數據增強（Dai et al., 2023）在內的多樣化和復雜任務，為人工通用智能（AGI）的實現鋪平了道路。

擴散模型（Ho et al., 2020; Song et al., 2020），一種新的最先進的生成模型家族，在計算機視覺中的圖像合成方面超越了長期占據主導地位的生成對抗網絡（GANs）（Goodfellow et al., 2014）（Dhariwal and Nichol, 2021; Ho et al., 2020）。與變分自編碼器（VAEs）（Kingma and Welling, 2013）和GANs等先前模型不同，擴散模型通過迭代添加和逆轉噪聲來生成高質量的合成圖像，并已實現文本到圖像的生成（Saharia et al., 2022），擴展了數據增強的范圍。

方法論

大型模型的出現徹底改變了數據增強的方式，提供了與傳統方法相比更具多樣性的創新和有效手段來生成訓練數據。本節將現有的方法基于目標數據類型分為三個不同的類別：圖像增強、文本增強和配對數據增強。圖像增強涉及擴展圖像數據，文本增強涉及擴展文本數據，而配對數據增強則涉及兩者。這些方法反映了數據增強的最新趨勢，突出了大型模型的重要作用。

圖像增強圖像增強通過額外信息的指導來合成逼真的圖像。我們將這些技術分為基于提示的和基于主題的方法：在基于提示的類別中包括文本、視覺和多模態方法；在基于主題的類別中包括針對特定主題的策略。文本提示驅動的方法從文本描述中生成圖像，視覺提示驅動的方法使用視覺線索，而多模態提示驅動的方法結合了文本描述和視覺指導。基于主題的方法為特定主題量身定制增強。這些方法提升了深度學習任務的性能，有助于更加健壯的訓練體驗。現有方法在表3中總結。

文本增強

文本增強著重于利用大型模型的先進能力來增強文本數據集，包括兩種策略：基于標簽的和基于生成內容的。在基于標簽的方法中，模型被用于注釋文本數據，有效地豐富了文本數據集，增加了更多的標記實例。基于生成內容的策略指導模型合成新的文本數據，從而擴展了數據集，增加了新生成的文本材料。現有方法在表4中展示。

配對數據增強

MixGen（Hao et al., 2023）是一種用于視覺-語言表示學習的數據增強方法，通過圖像插值和文本連接生成具有保留語義關系的圖像-文本對。Bakhtiarnia等人（2023）提出了一種名為PromptMix的方法，該方法從現有數據集中提取文本描述，使用提取的文本作為輸入到潛在擴散模型以生成類似于現有數據集中的圖像，使用高性能的重量級網絡對生成的圖像進行注釋，并將這個假數據集與真實數據混合，以改善輕量級深度神經網絡的訓練。為了解決視覺語言數據集中的報告偏差問題，特別是對象屬性關聯對訓練模型的潛在有害影響，Wu等人（2023b）提出了一種稱為BigAug的雙模態增強方法。這種方法利用對象屬性解耦來合成不同的視覺語言示例，并創建跨模態的硬否定。LLM和基礎對象檢測器的整合有助于提取目標對象，其中LLM為每個對象提供詳細的屬性描述。這些描述以及相應的硬否定接著被用來通過修補模型生成圖像。這個明確的過程引入了缺失的對象和屬性以供學習，其中硬否定指導模型區分對象屬性。

總結

在本節中，我們提供了對我們在第3、4和5節中審查的主要發現的綜合概述。 基于大型模型的數據增強仍然是一個充滿機會和挑戰的領域。本調查旨在全面審查基于大型模型的數據增強方法，伴隨的數據后處理技術以及在下游任務中的應用。 它還仔細分類了現有的基于大型模型的數據增強方法。通過總結和分析當前的研究工作，我們確定了當前方法的成功和失敗，并辨別了基于大型模型的數據增強的新趨勢。此外，我們總結了用于評估基于大型模型的數據增強的現有方法。最重要的是，這些總結可以幫助提出未來研究的新挑戰和機會。

多模態（視覺-語言）模型，如CLIP，正逐漸取代傳統的監督預訓練模型（例如，基于ImageNet的預訓練）成為新一代的視覺基礎模型。這些模型通過從數十億個互聯網圖像-文本對中學習，形成了強大且一致的語義表示，并可以在零樣本的情況下應用于各種下游任務。然而，在醫學成像和遙感等一些細粒度領域，多模態基礎模型的性能往往不盡人意。因此，許多研究者開始探索這些模型的少樣本適應方法，逐漸衍生出三種主要技術途徑：1）基于提示的方法；2）基于適配器的方法；3）基于外部知識的方法。盡管如此，這一迅速發展的領域產生了大量結果，但尚無全面的綜述來系統地整理研究進展**。因此，在這篇綜述中，我們介紹并分析了多模態模型少樣本適應方法的研究進展，總結了常用的數據集和實驗設置，并比較了不同方法的結果**。此外，由于現有方法缺乏可靠的理論支持，我們推導了多模態模型的少樣本適應泛化誤差界限。該定理揭示了多模態基礎模型的泛化誤差受三個因素的約束：域間差異、模型容量和樣本大小。基于此，我們從以下幾個方面提出了三種可能的解決方案：1）自適應領域泛化；2）自適應模型選擇；3）自適應知識利用。

人工智能正在越來越多地應用于廣泛的關鍵行業，包括語音識別、圖像識別、自動駕駛、智能制造、醫學診斷、金融風險控制等。在用人工智能技術賦能各個領域的過程中，經常會遇到與碎片化和多樣化需求相關的挑戰。過去，模型通常具有較小的參數規模和有限的泛化能力。一個模型只能應對單一場景，導致成本高昂和泛化性能差。近年來，越來越多的研究者開始關注具有更強泛化能力的預訓練基礎模型。

自2018年以來，如BERT [1]、盤古 [2]、PaLM [3]、GPT4 [4]等基礎模型的訓練數據和參數規模呈指數級增長，導致在各種自然語言理解任務中的性能顯著提高。與此同時，基礎模型的發展也逐漸從單一模態（如文本、語音、視覺等）演變為多模態融合。越來越多的研究機構開始關注多模態預訓練基礎模型，如ViLBERT [5]、CLIP [6]、DeCLIP [7]、FILIP [8]、PyramidCLIP [9]、OFA [10]、BEiT-3 [11]、ERNIE-ViL [12]和Data2vec [13]。

2021年初，OpenAI發布了CLIP，這是一個大規模的多模態模型，用于對齊圖像和文本，它使用數十億互聯網數據進行預訓練，通過對比學習獲得豐富的視覺語言知識。雖然預訓練的CLIP模型可以在推理階段通過使用文本特征作為分類權重來實現零樣本預測，但這種方法通常只在諸如ImageNet之類的通用領域中表現出色，在處理某些細粒度領域的數據時表現不佳。這是因為這些模型在預訓練階段主要使用通用領域的數據，而在面對特定的下游任務時，數據分布往往與預訓練數據不同。因此，有必要使用下游任務的特定數據對模型進行微調。為了通過微調提高模型的泛化性能，研究人員首先提出了基于提示的微調適應方法（例如，CoOp [14]），該方法將CLIP文本端的固定文本輸入視為可學習的向量，然后使用少量樣本進行微調，以適應下游任務。另一種常用于增強少樣本適應能力的方法是基于適配器的微調，如CLIP-Adapter [15]。這種方法涉及在預訓練模型中添加簡單的適配器結構，然后使用少量樣本數據微調適配器參數，使基礎模型適應下游任務。此外，引入基礎語言模型或外部知識（如知識圖譜，例如，CuPL [16]）的方法可以幫助模型更好地處理未見樣本，增強其語義理解和魯棒性，從而提高其在少樣本適應任務中的性能。上述三種方法已廣泛用于各種下游適應任務，但缺乏一個全面的綜述來系統地整理這些方法。因此，我們詳細闡述并比較這些方法，并探索它們的未來發展方向，以進一步提高預訓練模型的性能和泛化能力。

本文的貢獻如下：

? 我們全面回顧和整理了多模態少樣本適應方法，并將現有方法分類為基于提示的微調適應方法、基于適配器的微調適應方法、基于外部知識的適應方法以及其他方法。在基于提示的微調適應方法中，我們進一步將其細分為文本提示微調、視覺提示微調、多模態提示和多任務提示方法。關于基于適配器的微調適應方法，我們將其分類為單模態適配器微調和多模態適配器微調。在使用外部知識的方法中，我們區分了帶有外部知識的預訓練方法和利用外部知識的下游適應方法。

? 我們回顧了11個常用數據集，用于評估多模態基礎模型的下游泛化性能。我們提供了四種實驗設置的詳細描述，以驗證多模態基礎模型在少樣本條件下的適應性能。展示了四種不同設置的實驗結果，并對這些結果進行了比較分析。我們強調了不同類型方法能有效提高多模態基礎模型泛化性能的原因。

? 我們討論了現有多模態基礎模型的少樣本適應方法的共同缺點，并分析了域適應問題。從統計機器學習理論中跨域泛化的誤差界限出發，我們推導了多模態基礎模型的少樣本適應誤差界限，揭示了現有方法面臨的主要挑戰是上游和下游域分布的無效適應、模型選擇的適應性不足以及數據和知識利用不足。

II. 多模態基礎模型的預訓練

近年來，大規模預訓練模型已受到學術界和工業界的廣泛關注。最初，基礎模型預訓練的相關工作主要集中在自然語言處理領域，在這個領域，如BERT [1]和GPT [17]這樣的自監著學習語言模型展現出比傳統方法更好的自然語言理解和生成能力。在計算機視覺領域，范式也從監督預訓練轉變為自監督預訓練。自監督預訓練的視覺模型性能顯著提高，從最初基于數據增強的模型（如SimCLR [18]和MoCo [19]）演變到最近基于隨機掩蔽方法的模型（如MAE [20]和BEiT [21]）。然而，預訓練的語言模型無法接收視覺輸入，導致它們無法將語言理解的優勢擴展到多模態下游任務（如視覺問答VQA）。另一方面，用于視覺預訓練的監督信號通常僅限于數據增強和隨機掩蔽，這阻止了它們在開放世界中學習更豐富的語義表征。因此，我們最近見證了大規模預訓練多模態模型的迅速發展，這些模型結合了視覺和語言模態，如表I所示。

III. 多模態基礎模型的少樣本適應方法

為了有效提高模型在特定領域的泛化性能，有必要使用有限的樣本對多模態基礎模型進行微調，使其具有更廣泛的應用。這些方法可以定義為多模態基礎模型的少樣本適應方法。本章將分為四個部分，提供現有多模態基礎模型方法的詳細概述，即：基于提示的微調適應方法、基于適配器的微調適應方法、基于外部知識的適應方法，以及其他方法。

A. 基于提示的微調適應方法

1. 文本提示基微調適應：在自然語言處理領域，基于提示的微調適應[34]–[38]是解決大型語言模型少樣本泛化問題的經典方法。它涉及將文本輸入的一部分作為可學習向量，并使用下游任務數據對其參數進行微調，使模型能夠適應特定的下游任務。這種方法的優勢在于它避免了文本提示的手動設計，有效地通過僅對模型輸入的特定部分進行微調來減輕過擬合風險。受此啟發，一些研究人員也開始為多模態基礎模型設計基于提示的微調適應方法。CoOp [14]首次將提示學習的思想納入多模態預訓練基礎模型的下游任務適應中。它使用可學習的詞嵌入來自動構建上下文提示，而不是為每個任務手動設計提示模板。如圖1所示，單個類別標簽{object}被轉換為綜合文本提示“[V]1, [V]2, ..., [V]m, {object}”。其中，[V]i代表可調整的詞向量。然后計算分類損失以使用下游任務數據微調這些詞向量，使模型能夠自主獲取適應下游任務的文本輸入。隨后，Zhou等人[39]引入了條件性上下文優化（CoCoOp），該方法構建了一個元網絡來學習圖像的特征。這些特征然后與提示向量結合以增強CoOp在新類別數據上的泛化性能。為了有效利用預訓練模型的零樣本能力，Huang等人[40]提出了無監督提示學習（UPL）。它選擇高置信度的零樣本預測結果作為偽標簽來監督提示向量的學習。類似地，Prompt-aligned Gradient（ProGrad）[41]使用零樣本預測結果來約束模型梯度更新的方向，從而避免少樣本模型與泛化知識之間的沖突，并減輕過擬合問題。然而，由于視覺信息的豐富多樣性，學習僅一個文本提示難以匹配復雜的視覺數據。為解決這一問題，Chen等人[42]提出了使用最優傳輸的提示學習（PLOT）。它用于學習多個不同的文本提示，其中不同的文本提示被視為圖像位置的描述，使用最優傳輸理論來匹配文本提示與局部圖像特征。Lu等人[43]引入了提示分布學習（ProDA），以學習提示分布并從這些分布中采樣不同的文本提示。此外，為了充分利用多任務數據之間的相關性，Ding等人[44]提出了用于提示調整的軟上下文共享（SoftCPT），該方法設計了一個任務共享元網絡，將預定義任務名稱和可學習的元提示作為輸入，以借助多任務數據微調提示。

2. 視覺提示基微調適應：上述所有方法僅微調CLIP的文本部分，而CLIP作為多模態模型，視覺和文本兩方面同等重要。僅微調文本提示無法改善視覺編碼器提取特征的能力，提取的視覺特征可能與下游任務的目標特征不匹配。因此，受到文本提示微調適應的啟發，一系列視覺提示微調適應方法應運而生。現有的視覺提示微調適應方法主要包括令牌級微調適應和像素級微調適應。視覺提示調整（VPT）[45]引入了以令牌形式的可學習視覺提示。類感知視覺提示調整（CAVPT）[46]在此基礎上進一步包括一個交叉注意模塊，使視覺提示更加關注下游任務的目標。與基于令牌的方法相反，Bahng等人[47]建議直接在圖像周圍以填充格式添加像素級視覺提示，以增強視覺提示。Wu等人[48]進一步提出了增強視覺提示（EVP），通過縮放和填充而不是直接在原始圖像周圍填充。

3. 多模態提示基微調適應：除了單獨學習文本和視覺提示外，還可以同時學習多模態提示，以更好地對齊文本和視覺特征。文本和視覺特征具有固有的差異，為了在學習多模態提示時加強它們之間的聯系，多模態提示學習（MAPLE）[49]使用copula函數將文本提示轉換為視覺提示。統一提示調整（UPT）[50]首先學習一個通用提示，然后將其分解為文本和視覺提示。另一方面，多任務視覺語言提示調整（MVLPT）[51]引入了多任務學習的概念，使用跨任務知識微調文本和視覺提示。

B. 基于適配器的微調適應方法

1. 單模態適配器基微調適應：在自然語言處理（NLP）領域，適配器的概念最初由谷歌團隊于2019年引入，用于微調大型語言模型[52]。在下游任務訓練中，該方法凍結原始語言模型的參數，僅更新作為適配器模塊添加的少量參數。由于其參數效率高、設計靈活性和高魯棒性等優點，這種方法近年來在NLP領域受到了廣泛的研究關注[53]。最近，基于適配器的方法也被應用于計算機視覺領域的視覺變換器（ViTs）中。Jie等人[54]通過引入卷積旁路（Convpass）解決了ViTs中適配器結構缺乏歸納偏置的問題。此外，他們提出了因子調整（FacT，引用為[55]），以進一步提高參數效率的遷移學習效率，以滿足實際應用中的存儲約束。

2. 多模態適配器基微調適應：上述基于適配器的方法都適用于自然語言處理或計算機視覺中的單模態基礎模型。近年來，基于適配器的方法也被擴展到多模態基礎模型中，以增強下游泛化能力。Gao等人[15]引入了CLIP-Adapter，該適配器在凍結骨干網絡后添加了一個全連接層適配器來學習額外知識。然后，它基于殘差連接將這些知識與零樣本預測結果合并，如圖2所示。基于這些發展，張等人引入了Tip-Adapter[56]。該方法基于下游少樣本訓練數據構建分類器，并以線性加權方式將其預測與原始零樣本分類器的結果結合，以增強模型的預測性能。SVL-Adapter[57]在適配器之前融合了一個預訓練的自監督視覺編碼器，以提取更魯棒的視覺特征。然而，上述方法僅使用跨模態對比損失，沒有考慮少樣本數據集的視覺特定對比損失。為解決這一問題，彭等人[58]提出了語義引導的視覺適應（SgVA-CLIP），通過隱式知識蒸餾引導視覺適配器的參數更新，以確保圖像-文本關系的一致性。為了增強適配器的跨模態交互能力，CALIP[59]利用注意力圖融合文本和圖像特征，并在融合前后插入兩個可微調的線性層。此外，跨模態適配器（CMA）[60]和多模態視頻適配器（MV-Adapter）[61]通過在兩種模態之間共享適配器權重實現跨模態交互。這些方法考慮了單模態和多模態場景，但沒有充分整合每種模態的優勢。為解決這一問題，陸等人[62]提出了UniAdapter，以統一單模態和多模態適配器。

C. 基于外部知識的適應方法

1. 基于外部知識的預訓練方法：預訓練基礎模型通過從互聯網上大量數據中挖掘相關信息，具有學習通用表征的能力。然而，在這些數據驅動的模型中，知識通常是隱性的，沒有明確鏈接到人類對世界的理解或常識性知識。近年來，數據和知識驅動的預訓練方法不斷涌現，研究人員開始探索將更全面的外部知識，如知識圖譜，融入基礎模型中。這種整合旨在使這些模型更加魯棒、可靠和可解釋。ERNIE[63]融合了一個知識編碼器，用于實體知識提取和異構信息融合。K-BERT[64]檢索與模型輸入相關的外部知識，并構建具有豐富上下文知識的句子樹作為模型輸入。近年來，一些工作也開始為多模態基礎模型的預訓練注入知識。例如，ERNIE-ViL[65]整合了來自場景圖的知識，KM-BART[66]通過創建額外的預訓練任務來模擬一般視覺知識，K-LITE[67]融合了包括WordNet和維基百科定義在內的各種外部知識源。

2. 基于外部知識的下游適應方法：上述方法在預訓練階段引入外部知識。然而，在數據樣本有限的下游少樣本適應場景中，也有必要增強外部知識以確保模型的性能。最常見的方法之一是通過查詢大型語言模型為每個類別生成更豐富的文本描述。圖3展示了這種方法的示例。通過語言模型定制提示（CuPL）[16]是第一個將外部知識融入多模態基礎模型下游泛化過程的方法。CuPL通過向GPT-3提問生成每個類別的多個描述性陳述，豐富類別的語義，從而提高零樣本分類性能。然而，CuPL使用GPT-3生成的句子可能存在描述性差和可靠性問題。為解決這些問題，Menon等人[68]進一步完善了基于GPT-3的知識增強過程。他們提示GPT-3以短語形式生成語義屬性描述，增強了模型的可解釋性。為了在可解釋性和性能之間取得平衡，語言引導瓶頸（LaBo）[69]使用GPT-3生成大量候選特征描述符空間，同時考慮特征相對于其他類別的區分性和當前類別的覆蓋率。它篩選出最佳子描述符空間以進行分類決策，從而揭示模型的決策邏輯。ELEVATER[70]還融合了來自GPT-3、WordNet和維基詞典等來源的定義。實驗結果表明，外部知識可以增強多模態基礎模型的下游泛化性能。然而，不同知識來源有不同的側重點和特性。例如，WordNet具有相對豐富和準確的知識，但覆蓋率較低，而GPT-3具有更廣泛的知識覆蓋范圍，但可能缺乏可靠性。此外，與上述使用外部知識增強文本語義的方法不同，SuS-X[71]專注于增強多模態模型的視覺樣本。

智能交通系統（ITS）對于改善交通擁堵、減少交通事故、優化城市規劃等方面至關重要。然而，由于交通網絡的復雜性，傳統機器學習和統計方法已經逐漸退居二線。隨著人工智能時代的到來，許多深度學習框架在各個領域取得了顯著進展，現在被認為是許多領域中有效的方法。作為一種深度學習方法，自2019年以來，圖神經網絡（GNNs）在ITS領域成為一種極具競爭力的方法，這得益于它們在處理圖相關問題上的強大能力。因此，越來越多的學者開始關注GNNs在交通領域的應用，這些應用已經顯示出卓越的性能。然而，這一領域的大多數研究仍然集中在交通預測上，而ITS的其他領域，如自動駕駛和城市規劃，仍需要更多關注。本文旨在綜述GNNs在六個代表性和新興的ITS領域的應用：交通預測、自動駕駛、交通信號控制、交通安全、需求預測和停車管理。我們回顧了2018至2023年的廣泛的圖相關研究，總結了它們的方法、特點和貢獻，并以信息豐富的表格或列表的形式呈現。最后，我們確定了將GNNs應用于ITS的挑戰，并提出了潛在的未來方向。 隨著城市的擴張和交通系統的發展，一些交通系統問題逐漸暴露出來，包括交通擁堵、環境污染和日益增加的交通事故數量。為了緩解上述問題，改善交通流量，規劃路線，提高交通安全，五十多年前美國提出了智能交通系統（ITS）。ITS是一個涵蓋許多領域的智能系統，包括交通預測、自動駕駛、交通信號控制等。值得注意的是，交通預測是吸引最多關注的最熱門研究領域之一，因為它在交通領域具有基礎應用，如優化路線規劃，促進道路交通，減少交通事故。然而，在這些ITS子領域中實現高精度和高置信度仍然是一大挑戰。根據Verses等人[147]的說法，處理大量嘈雜數據以及可擴展性和泛化方面存在許多實際挑戰。因此，應進一步開發高效的算法和可擴展的模型，以充分利用大數據的潛力，建立準確高效的ITS。 在過去三十年中，提出了統計方法，如簡單線性時間序列模型，包括自回歸積分移動平均（ARIMA）[84, 167]，傳統機器學習方法，包括邏輯回歸（LR），支持向量回歸（SVR），k-最近鄰（KNN）[21, 68, 170]來解決這些問題。然而，數據的增長和復雜的道路條件使傳統方法逐漸退居二線。此外，計算技術的進步，如圖形處理單元（GPU），使得深度機器學習模型成為現象。根據[33]總結的深度學習驅動的交通預測的重要里程碑，自2015年以來，交通預測的深度學習模型蓬勃發展，2019年之后最受歡迎的模型是圖神經網絡（GNNs）。GNNs的優勢不僅在于能夠很好地建模基于圖的問題，還在于能夠捕捉時空依賴性并在非歐幾里得空間中表示關系[33, 69, 120]。

在對ITS領域的工作進行詳細調查后，我們發現大部分研究集中在交通預測上。然而，我們認為ITS的其他領域需要更多關注。此外，盡管最近的研究已轉向深度學習和強化學習等有前景的技術，但GNNs仍需要更多關注和應用。考慮到交通網絡的圖結構和上述GNNs的優勢，我們認為它們是ITS下一個新興且具有高度競爭力的解決方案。我們主要調查了2018年至2023年在ITS領域發表的基于GNNs的論文，并進行了詳細總結。我們還確定了ITS領域面臨的研究挑戰，并提出了一些潛在的未來發展方向。 根據以上討論，我們的主要貢獻可以總結如下： ? 綜合性綜述。對2018至2023年智能交通系統的廣泛研究工作或調查進行了詳細調研。這項研究不僅涵蓋了ITS的一般和典型研究領域，而且對所綜述的研究進行了詳細闡述，總結了它們的方法和挑戰，并形成了信息豐富的表格和列表。 ? 全面的分類法。我們根據研究領域相關性、使用的圖方法和遇到的特定領域挑戰仔細分類了研究學術文獻，幫助讀者從多維度充分理解ITS的每個領域。 ? 挑戰和未來方向。在進行全面綜述后，我們總結了將GNNs應用于ITS時面臨的重大挑戰，并提出了潛在的未來方向，這對于那些想要跟進并深入研究這一研究領域的人來說是有益的。

人工智能（AI）的歷史見證了高質量數據對各種深度學習模型的重大影響，例如ImageNet對于AlexNet和ResNet。最近，AI社區的關注點已從設計更復雜的神經結構（即模型為中心的方法）轉移到了數據為中心的方法，這種方法重點在于更好地處理數據以增強神經模型的能力。圖學習，操作于無處不在的拓撲數據上，也在深度學習時代中起到了重要作用**。在這次綜述中，我們從數據為中心的角度全面回顧了圖學習方法，并旨在回答兩個關鍵問題**：（1）何時修改圖數據以及（2）如何修改圖數據以發掘各種圖模型的潛力。因此，我們提出了一個基于圖學習流程中的階段的新分類法，并強調了圖數據中不同數據結構的處理方法，即拓撲、特征和標簽。此外，我們分析了嵌入在圖數據中的一些潛在問題，并討論了如何以數據為中心的方式解決它們。最后，我們為數據為中心的圖學習提供了一些建議的未來方向。

//arxiv.org/abs/2310.04987

最近在非歐幾里得領域的進展引起了人工智能（AI）社區的大量關注。圖，作為典型的非歐幾里得數據，在現實世界中無處不在，并已在許多領域中得到廣泛應用，例如推薦、安全、生物信息學等。在過去的十年中，由于圖模型的創新，圖相關研究得到了推動，從圖核心[1][2]到圖嵌入[3][4]，再到最新的圖神經網絡(GNNs)[5][6]。相反，關于圖數據的固有方面的研究較少，包括質量、多樣性、安全性等。 通常，AI的革命始終是由大量高質量數據的可用性引發的，隨后是強大的模型。一個顯著的例子是ImageNet[7]的成功，它為深度卷積神經網絡的發展做出了重要貢獻，例如AlexNet[8]和ResNet[9]。隨著數據的重要性得到越來越多的認可，最近，AI社區的關注點從以模型為中心的方法轉移到了以數據為中心的方法[10][11]。

新興的以數據為中心的AI強調產生適當的數據以提高給定模型的性能。“如何處理圖數據以發揮圖模型的全部潛力？”一個了解情況的答案可以幫助我們理解圖數據與圖模型之間的關系。然而，與圖像和表格數據等歐幾里得數據不同，圖的不規則性為以數據為中心的圖學習提出了幾個問題：首先，在什么時候我們應該修改圖數據以使圖模型受益？數據修改可能會在圖學習的不同階段發生。例如，我們可以在訓練之前啟發式地擾動邊，而在訓練期間我們也可以從節點表示中估計新的圖結構。其次，我們應該修改圖數據的哪一部分？圖數據涉及各種結構，包括邊、節點、特性和標簽，每一個都在圖表示學習中起到了重要作用。第三，如何防止圖模型受到有問題的圖數據的影響？由于手工定義的關系和特性，圖數據可能不可避免地引入噪聲和偏見，這使得模型變得不可靠。 本綜述系統地調研和分類了從數據中心的角度存在的圖學習方法。具體地說，為了回答第一個問題，我們將圖學習過程分為四個階段：準備、預處理、訓練和推斷，如圖1所示。我們討論了每個階段對圖數據的重要性。接下來，我們進一步從結構的角度對現有方法進行分類，以解決第二個問題。具體來說，我們考慮如何處理圖數據的拓撲、特征和標簽。最后，我們分析了現有圖數據中的潛在問題，包括脆弱性、不公平性、選擇偏見和異質性。并進一步討論如何從數據為中心的方式解決這些問題。

本文的貢獻可以總結如下：

? 新的分類法。我們按圖學習流程中的各個階段對現有的數據中心圖學習方法進行分類，包括預處理、訓練和推理。對于每個階段，我們都介紹了其在數據中心圖學習中的目標和重要性。 ? 多角度觀察。我們強調如何處理圖數據中的不同數據結構，包括拓撲、特征和標簽，以發揮給定圖模型的潛力。 ? 全面的討論。我們分析了有問題的圖數據對圖模型的潛在影響，并討論了如何以數據為中心的方式緩解這些問題。此外，我們提出了四個可能的數據中心圖學習的未來方向，這可能有助于這個領域的發展。 組織. 本調查的其余部分組織如下：第2節概述了數據中心圖學習的背景，并描述了如何手動處理圖數據。第3-5節分別介紹了預處理、訓練和推理階段的數據中心圖學習方法。第6節介紹了圖數據的潛在問題，并討論了如何處理這些問題。最后，第7節對本文進行了總結，并提出了一些有前途的未來方向。

2. 預處理階段

在本節中，我們將討論圖數據預處理階段的數據中心方法。具體來說，我們將現有的方法分為兩類：基于修改的方法和基于分布的方法。第一類旨在通過修改圖數據實例來提高圖模型的性能。第二類則著重于幫助圖模型捕捉數據集的分布，同時保持圖實例不變。此外，我們還考慮了不同的數據結構，包括拓撲、特征和標簽。相關方法列示在表1中。

圖的簡化 (Graph Reduction)

隨著圖的規模的增大，其計算所消耗的時間和空間也會增加。因此，如何在不失去太多有用信息的前提下減少圖的節點或邊成為了一個有價值的問題。圖的簡化可以加速模型的訓練，減少過擬合，并允許在更簡單的硬件條件下對模型進行訓練。圖的簡化可以分為兩大類：邊的簡化和節點的簡化。邊的簡化指的是圖的稀疏化，而節點的簡化包括圖的粗糙化和圖的凝縮。

圖的增強 (Graph Augmentation)

在深度學習中，數據增強被認為是非常重要的。由于圖數據的稀缺性和稀疏性相當嚴重，因此一個好的增強方法的重要性更為明顯。與其他數據形式相比，直接操作圖結構的圖增強是最具特色的圖數據增強類型。在這里，我們將介紹一些脫離訓練的啟發式方法。它們可能很簡單，但證明是非常有效和受歡迎的。 特征增強 (Feature Augmentation)

通過創建或修改節點特征，特征增強可以使后續模型避免過擬合并提高其性能。 對于已經有特征的圖，我們可以做一些直觀的調整來加強它們，例如特征損壞 [143]-[145]，特征洗牌，特征掩碼 [66], [87], [146]，特征添加，特征重寫 [147], [148]，特征傳播，特征混合 [149]等 [15]。 對于最初沒有特征的節點，有適當生成特征的方法。為了獲取結構信息，Perozzi 提出了基于 word2vec [150] 的 deepwalk [3]，它從每個節點開始，多次隨機走動，最后使用所有路徑為節點通過 word2vec [150]c 生成節點嵌入。接著，node2vec [4] 來自 deepwalk [3]，它為節點添加了一個隨機行走的概率。另一條與隨機行走無關的線是 SDNE [151]。他們通過編碼器-解碼器架構得到圖的結構。具體來說，他們將鄰接矩陣的每一列作為初始節點嵌入，這是編碼器的輸入。并計算模型在初始嵌入和解碼嵌入之間的損失。 在非標記圖中，特征增強是通過無監督學習實現的。例如，GREET [211] 將原始圖分割成兩個子圖，一個包含同質邊，另一個包含異質邊，然后通過兩個單獨的 GNN 得到子圖嵌入，再連接這些子圖嵌入來獲取節點特征。 總的來說，特征增強是多種多樣和任意的，特殊的特征增強可以根據特定問題的需要進行定制。 位置編碼 (Position Encoding)

眾所周知，信息傳遞神經網絡 (MPNNs) 的表達能力受到1-Weisfeiler-Lehman (WL) 測試的限制，不能區分同構圖 [212]。為了打破這個限制，一個受歡迎的方法是用一些位置信息來增強節點特征，這被稱為位置編碼。在本節中，我們將介紹兩種類型的位置編碼：絕對方法和相對方法。 標簽混合 (Label Mixing)

標簽混合旨在將帶有標簽或嵌入的兩個不同實例混合為一個新的實例，并使用這些混合的實例來訓練模型。這樣得到的模型更具泛化性，不容易過擬合。 Mixup 在圖分類和節點分類任務中都扮演著重要的角色。一方面，面對圖分類任務，我們可以采用各種方法來增強模型。一種方法 [174] 涉及混合多個預先存在的圖嵌入。或者，我們可以隨機選擇一個子圖，并用另一個圖中的相應子圖替代它，同時保留原始圖的嵌入，使模型更好地集中于數據的相關方面 [175], [176]。另一方面，一些工作 [177] 提議將鄰近節點的標簽或嵌入進行混合，用于節點分類任務。 圖的課程學習 (Graph Curriculum Learning) 課程學習 (CL) [215] 是一種模仿人類學習過程的訓練策略，主張模型從簡單樣本開始學習，然后逐漸過渡到復雜樣本。這種策略可以幫助模型更快地收斂，并提高模型的泛化能力。圖的課程學習 (Graph CL) [216] 是一種基于圖的課程學習方法，主要用于圖神經網絡的訓練和優化。大多數 CL 方法有兩個重要功能，難度測量器和訓練調度器。難度測量器可以評估訓練數據的難度，以給予學習優先權，而訓練調度器決定如何從簡單到困難地進行學習。根據這兩者是否自動設計，CL 方法可以分為兩類，即預定義的 CL 和自動的 CL。在本節中，我們將介紹預定義的 Graph CL。 圖采樣 (Graph Sampling) 圖采樣方法使用不同的策略對節點進行采樣，并在計算節點的表示時僅聚合部分節點的信息，這加速了模型的收斂并減少了內存開銷。在這部分中，我們將討論啟發式采樣方法，這些方法可以進一步劃分為兩個類別：隨機采樣和重要性采樣。 圖生成 (Graph Generation) 在現實世界中，某些圖數據集對于圖模型來說太小，無法有效地理解其分布。圖生成器 [219], [220] 可以通過生成額外的圖數據來幫助緩解這個問題。圖生成的方法可以分為兩種類型：自回歸 (autoregressive) 和一次性生成 (one-shot)。 3. 訓練階段 (TRAINING STAGE)

在本節中，我們介紹了訓練階段的圖數據修改方法，其中數據修改模塊和信息傳遞模塊合作以提高性能。具體而言，我們介紹了三種模型-數據協同的訓練范式，包括聯合訓練 (joint training)、自訓練 (self training) 和雙層訓練 (bi-level training)。相關方法可以在表格 1 (Table 1) 中查看。 4. 推斷階段 (INFERENCE STAGE)

推斷階段是指使用預訓練的圖模型進行下游任務的階段。在這個階段，我們重新定義下游任務為一個統一的模板，以與我們的預訓練模型對齊。這有助于彌合我們的預文本任務與下游任務之間的差距，實現高質量的知識轉移和多任務適應。此外，推斷數據是指在預訓練模型的推斷階段使用的圖數據。從數據中心的角度看，調整推斷數據作為提示可以幫助在不改變模型參數的情況下獲得期望的目標。在本節中，我們討論了在圖的背景下逐漸受到歡迎的提示學習方法。為了詳細說明，我們將現有的圖提示方法分為兩類：預提示 (pre-prompt) 和后提示 (post-prompt)，這取決于任務特定的提示是在信息傳遞模塊之前還是之后操作，如圖 1 (Figure 1) 所示。 結論 (CONCLUSION)

在這篇綜述中，我們對數據中心的圖學習進行了全面的回顧。我們從兩個角度對現有方法進行分類：一個是學習階段，包括預處理、訓練和推斷；另一個是數據結構，包括拓撲、特征和標簽。通過這兩個視角，我們仔細解釋了何時修改圖數據以及如何修改圖數據，以釋放圖模型的潛力。此外，我們還介紹了圖數據的一些潛在問題，并討論了如何用數據中心的方法解決它們。最后，我們提出了該領域的幾個有前景的未來方向。總的來說，我們相信數據中心的人工智能是通向一般人工智能的可行路徑，并且數據中心的圖學習將在圖數據挖掘中發揮重要作用。

深度模型融合/合并是一種新興的技術，它將多個深度學習模型的參數或預測合并成一個。它結合了不同模型的能力，以補償單一模型的偏差和錯誤，以實現更好的性能。然而，對于大規模深度學習模型（例如，LLMs 和基礎模型）的深度模型融合面臨著幾個挑戰，包括高計算成本、高維參數空間、不同異構模型之間的干擾等。盡管模型融合由于其解決復雜實際任務的潛力而引起了廣泛關注，但關于這種技術的完整和詳細的調查研究仍然缺乏。因此，為了更好地理解模型融合方法并推動其發展，我們提出了一項全面的調查以總結最近的進展。具體來說，我們將現有的深度模型融合方法分類為四種：（1）“模式連接”，通過非遞增損失的路徑連接權重空間中的解，以獲得模型融合的更好初始化；（2）“對齊”匹配神經網絡之間的單元以為融合創造更好的條件；（3）“權重平均”，一種經典的模型融合方法，對多個模型的權重進行平均，以獲得更接近最優解的精確結果。 （4）**“集成學習”**結合了多種模型的輸出，這是一種改善最終模型的準確性和魯棒性的基礎技術。另外，我們分析了深度模型融合面臨的挑戰，并提出了未來模型融合的可能研究方向。我們的評論對于深入理解不同模型融合方法之間的關系和實際應用方法是有幫助的，這可以啟發深度模型融合領域的研究。

//www.zhuanzhi.ai/paper/43bab5b376b2213134e1f99b305d4deb

近年來，深度神經網絡（DNNs）[129] 取得了顯著的發展，廣泛應用于計算機視覺（CV）[175]、自然語言處理（NLP）[30] 等領域。一般來說，單一深度學習模型通常具有一定的局限性，不能完全捕獲復雜網絡背后的所有潛在信息[195]。因此，經典的集成學習[15, 193, 198] 合并多個模型的輸出，以改善深度學習（DL）中模型的最終性能。但在測試時存儲和運行多個模型的成本很高[65, 204]，尤其是模型的復雜性和大小增加時。例如，GPT-3[172] 有數十億參數，PaLM[31] 甚至達到5400億參數和7800億令牌。此外，從深度神經網絡[134, 196] 的損失景觀的角度來看，梯度優化的解通常聚集在寬平區域的邊界附近的點，而不是中心點[99]。這意味著經過訓練的網絡并不完全接近具有最小測試錯誤的最優解。需要融合相對最優點附近的解，以得到更好的結果。這激發了研究人員不僅將融合范圍限制于預測（例如，logits等），而且還包括模型參數的融合，而無需訪問訓練數據或保持所有單獨模型[110]。因此，深度模型融合[111, 159] 旨在將多個DNNs融合成一個網絡，保留其原始功能，甚至超越多任務訓練[3, 135]。此外，深度模型融合可以減少單一模型過度擬合特定樣本或噪聲的傾向，從而提高預測的準確性、多樣性和穩健性[207, 223]。由于數據隱私和實際節約資源的問題，深度模型融合引起了越來越多的關注。盡管深度模型融合的發展帶來了許多技術突破，但它也產生了一系列的挑戰，例如高計算負荷、模型異構性和通過組合優化對齊的速度慢[133, 204]等。

有些方法僅限于特定場景[227, 254]，這激發了研究人員研究不同案例中模型融合的原理。然而，目前缺乏綜合評論來總結方法，以指示深度模型融合的內部機制。一些工作只關注從單一視角（例如，特征融合等）[45, 195] 和特定場景[213] 的模型融合，或者不同方式的信息融合（多模態融合[1, 103]）而不是參數的融合。為了給開發者深入了解深度模型融合，我們分析了深度模型融合的原理和方法。此外，我們回顧了最近的進展和代表性應用，例如聯邦學習（FL）[160] 和微調[29] 等。我們的調查旨在說明深度模型融合的最新趨勢和潛在方向，并為研究人員提供指南，以提高性能和降低成本。因此，我們根據內部機制和目的將方法分為四類，如圖1所示。對于相互之間不在附近的獨立訓練的模型，“模式連接”和“對齊”使解更加接近，以獲得更好的平均原始條件。對于權重空間中存在某些差異的類似模型，“權重平均（WA）”傾向于直接平均模型，并在損失函數值較低的參數空間區域獲得更接近最優點的解[118]。此外，對于現有模型的預測，“集成學習”集成了模型的不同形式的預測，以獲得更好的結果。具體來說，這四個類別如下：

模式連接性

模式連接性指的是通過基于梯度的優化得到的解可以在權重空間中通過一條無障礙的路徑（連接器）進行連接。我們可以沿著低損失路徑獲得更適合模型融合的其他模型。根據路徑的數學形式和連接器所在的空間，我們將此部分劃分為“線性模式連接性”，“非線性模式連接性”和“子空間中的模式連接性”。模式連接性可以在訓練過程中解決局部優化問題。模式連接性的路徑的幾何關系也可以用來加速優化過程，如隨機梯度下降（SGD）的收斂、穩定性和準確性。簡而言之，模式連接性為解釋和理解模型融合的行為提供了一個新的視角。但是，特別是在大數據集上訓練模型時，應解決計算復雜性和參數調整的困難。

對齊

對齊是將多個模型的單元進行匹配，并對模型進行平均以獲得最終模型。對齊后，不同模型之間的特定數學度量（例如，歐幾里得距離）可以更為接近，從而減小模型之間的差異，進而增強深度模型融合的效果。對齊可分為“激活匹配”和“權重匹配”，取決于是否需要考慮數據分布。此外，Re-basin基于對齊引入，探討解決方案可以通過排列不變性被傳輸到一個單一的盆地（即，參數空間中相對低損失的區域）。然而，對齊通常面臨著計算量大、組合優化速度慢和架構差異的障礙，使得它不易擴展到具有不同目標的其他場景。例如，伴隨圖匹配而來的記憶負擔限制了深度模型融合的應用。

權重平均

權重平均是將幾個母網絡融合成一個單一網絡的最直接和高效的方式。與模式連接性和對齊相比，權重平均不需要額外的計算復雜性或訓練來找到一個優越的起點，在模型包含一定程度的相似性時表現良好。根據聚合空間，權重平均可分為“權重平均”和“子空間中的平均”。此外，典型的方法“模型湯”，“模型算術”和“隨機權重平均”也對現有方法進行了顯著改進。然而，當參數被規范化和合并時，可能會在模型結構或參數數量存在較大差異的情況下引入一些偏差。盡管如此，權重平均仍然是深度模型融合的主流方法，因為它簡單且高效。

集成學習

集成學習結合了幾種不同模型的輸出，以改善預測性能和魯棒性。我們專注于深度學習中的集成學習。基于集成學習，“模型重用”為每個模型提供了規格，這樣在給定新的學習任務時，有用的模型可以從模型池中被識別和合并。集成學習具有各種框架和便捷的界面，經常用于實際領域，例如物體檢測等。盡管集成學習需要維護多個訓練過的模型并在測試時運行每個模型，但它仍然是在深度學習中被廣泛采用的強大技術之一。

模型融合的應用

作為一項提高深度模型的準確性和魯棒性的技術，模型融合促進了許多應用領域的改進。聯邦學習，一種在中央服務器上聚合客戶端模型的應用，使得各方可以貢獻數據到功能的計算中（例如，各種統計、分類器），而無需泄露隱私。微調對預訓練模型進行小的調整，結合模型融合以減少訓練成本并適應特定任務或領域的需求。模型融合還涉及到“蒸餾”。即，將來自多個復雜模型的軟目標知識結合起來，為特定要求訓練一個小模型。模型融合在foundation/LLMs上的應用包括在大型基礎模型或大型語言模型（LLMs）上的工作，例如視覺變壓器（ViT）和GPT等。模型融合的應用幫助開發人員適應各種任務和領域的需求，并促進深度學習的發展。簡而言之，我們的調查回顧了深度模型融合技術。在前三節“模式連接性”，“對齊”和“權重平均”中，我們主要從模型參數融合的角度進行全面研究。在“集成學習”中，我們主要從模型輸出聚合的角度探討了這個問題。

本工作的主要貢獻總結如下：

? 我們從“模式連接性”，“對齊”，“權重平均”和“集成學習”的角度提出了一種新的深度模型融合分類方法，該方法涵蓋了模型融合的理論綜合方法，并為實現DNNs的高泛化和準確訓練提供了指導。

? 我們比較了融合方法的優缺點，并解釋了它們之間的機制和關系，為未來設計先進的模型融合方法提供了靈感。

? 我們總結了深度模型融合的廣泛應用。我們還討論了當前的研究趨勢，以便在未來引起更多的關注和反思。此外，本文的其余部分組織如下：在第2節到第5節，我們根據“模式連接性”、“對齊”、“權重平均”和“集成學習”的四個角度介紹深度模型融合的方法。第6節介紹了深度模型融合的應用：“聯邦學習”、“微調”、“蒸餾”和“在foundation/LLMs上的模型融合”。最后，在第7節中，我們總結了深度模型融合，并討論了未來的挑戰和潛在方向。另外，我們在全文中說明了符號及其相應的定義。Wi是第i個具有權重Wi ∈ R^d（i = 1, 2, ...k）和偏置項b的神經網絡。λ表示加權參數。σ表示非線性神經元激活函數。L是損失函數，用于量化預測值和實際值之間的差異。

推理是人類智能的一個基本方面，在解決問題、決策和批判性思考等活動中起著至關重要的作用。近年來，大型語言模型(LLMs)在自然語言處理方面取得了重大進展，有人觀察到這些模型在足夠大的時候可能會表現出推理能力。然而，目前還不清楚LLMs的推理能力到何種程度。

本文對LLM推理的知識現狀進行了全面的概述，包括改進和誘導這些模型推理的技術、評估推理能力的方法和基準、該領域以前研究的發現和影響，以及對未來方向的建議。我們的目標是對這一主題提供詳細和最新的回顧，并激發有意義的討論和未來的工作。

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1. 引言

推理是一種認知過程，包括使用證據、論據和邏輯來得出結論或做出判斷。它在許多智力活動中起著核心作用，如解決問題、決策和批判性思考。對推理的研究在心理學(Wason and Johnson-Laird, 1972)、哲學(Passmore, 1961)和計算機科學(Huth and Ryan, 2004)等領域很重要，因為它可以幫助個人做出決定、解決問題和批判性地思考。

**最近，大型語言模型(LLMs) (Brown et al., 2020; Chowdhery et al., 2022; Chung et al., 2022; Shoeybi et al., 2019, inter alia)在自然語言處理及相關領域取得了重大進展。**研究表明，當這些模型足夠大時，它們會表現出緊急行為，包括"推理"的能力(Wei等人，2022a)。例如，通過為模型提供"思維鏈"，即推理范例，或簡單的提示" Let 's think step by step "，這些模型能夠以明確的推理步驟回答問題(Wei et al.， 2022b;Kojima et al.， 2022)，例如，“所有鯨魚都是哺乳動物，所有哺乳動物都有腎臟;因此，所有的鯨魚都有腎臟。”這引發了社區的極大興趣，因為推理能力是人類智能的一個標志，而在當前的人工智能系統中，推理能力經常被認為是缺失的(Marcus, 2020; Russin et al., 2020; Mitchell, 2021; Bommasani et al., 2021)。

然而，盡管LLM在某些推理任務上表現強勁，但目前尚不清楚LLM是否真的在推理，以及它們在多大程度上能夠推理。例如，Kojima等人(2022)聲稱“LLMs是不錯的零次推理器(第1頁)”，而Valmeekam等人(2022)得出結論，“LLMs在對人類來說沒有問題的常見規劃/推理任務上仍然遠遠沒有達到可接受的性能(第2頁)。”Wei等人(2022b)也指出了這一局限性:“我們認為，盡管思維鏈模擬了人類推理的思維過程，但這并沒有回答神經網絡是否實際上是推理(第9頁)。

本文旨在對這一快速發展的主題的知識現狀進行全面概述。專注于改善LLM中推理的技術(§3);LLMs中衡量推理的方法和基準(§4);這一領域的發現和意義(§5);以及對該領域現狀的反思和討論(§6)。

2. 什么是推理？

推理是用邏輯和系統的方式思考某事的過程，利用證據和過去的經驗來得出結論或做出決定(Wason and Johnson-Laird, 1972; Wason, 1968; Galotti, 1989; Fagin et al., 2004; McHugh and Way, 2018)。推理包括根據現有信息進行推理、評估論點和得出邏輯結論。“推理”雖然是文學和日常生活中常用的術語，但它也是一個抽象的概念，可以指代很多事物。為了幫助讀者更好地理解這個概念，我們總結了幾種常見的推理類型:

演繹推理。演繹推理是一種基于前提的真實性而得出結論的推理。在演繹推理中，結論必須從前提中得出，這意味著如果前提為真，結論也必須為真。前提:所有哺乳動物都有腎臟。前提:所有鯨魚都是哺乳動物。結論:所有鯨魚都有腎臟。

歸納推理。歸納推理是一種基于觀察或證據得出結論的推理。根據現有的證據，這個結論很可能是正確的，但不一定是肯定的。觀察:我們每次看到有翅膀的生物，它就是鳥。觀察:我們看到一個有翅膀的生物。結論:這個生物很可能是一只鳥。

溯因推理。溯因推理是一種推理，它是在對一組給定的觀察做出最佳解釋的基礎上得出結論的。根據現有的證據，這一結論是最可能的解釋，但不一定是肯定的。觀察:汽車無法啟動，引擎下有一灘液體。結論: 最可能的解釋是汽車的散熱器有一個泄漏

3. 大語言模型中的推理

推理，尤其是多步推理，通常被視為語言模型和其他NLP模型的弱點(Bommasani et al., 2021; Rae et al., 2021; Valmeekam et al., 2022)。最近的研究表明，在一定規模的語言模型中可能會出現推理能力，例如具有超過1000億個參數的模型(Wei et al.， 2022a,b;Cobbe等人，2021)。在本文中，我們遵循Wei等人(2022a)的觀點，將推理視為一種在小規模模型中很少出現的能力，因此關注于適用于改進或引出大規模模型中的“推理”的技術。

3.1 全監督微調

在討論大型語言模型中的推理之前，值得一提的是，有研究正在通過對特定數據集的全監督微調來激發/改進小型語言模型中的推理。例如，Rajani等人(2019)對預訓練的GPT模型進行微調(Radford等人，2018)，以生成用構建的CoS-E數據集解釋模型預測的理由，并發現經過解釋訓練的模型在常識性問答任務上表現更好(Talmor等人，2019)。Talmor等人(2020)訓練RoBERTa (Liu等人，2019)基于隱式預訓練知識和顯式自由文本語句進行推理/推理。Hendrycks等人(2021)對預訓練語言模型進行微調，通過生成完整的分步解決方案來解決競賽數學問題，盡管準確性相對較低。Nye等人(2021)在產生最終答案之前，通過生成" scratchpad "，即中間計算，訓練語言模型進行程序合成/執行的多步驟推理。全監督微調有兩個主要限制。首先，它需要一個包含顯式推理的數據集，這可能很難和耗時創建。此外，模型僅在特定數據集上進行訓練，這將限制其應用于特定領域，并可能導致模型依賴于訓練數據中的工件而不是實際推理來進行預測。

3.2 提示與上下文學習

大型語言模型，如GPT-3 (Brown et al.， 2020)和PaLM (Chowdhery et al.， 2022)，通過上下文學習在各種任務中表現出顯著的少樣本性能。這些模型可以通過一個問題和一些輸入、輸出的范例來提示，以潛在地通過“推理”(隱式或顯式)解決問題。然而，研究表明，這些模型在需要多個步驟推理來解決的任務方面仍然不理想(Bommasani et al., 2021; Rae et al., 2021; Valmeekam et al., 2022)。這可能是由于缺乏對這些模型的全部能力的探索，正如最近的研究所表明的那樣。

3.3 混合法

雖然"提示"技術可以幫助引出或更好地利用大型語言模型中的推理來解決推理任務，但它們實際上并沒有提高LLM本身的推理能力，因為模型的參數保持不變。相比之下，“混合方法”旨在同時提高LLM的推理能力，并更好地利用這些模型來解決復雜問題。這種方法既包括增強LLM的推理能力，也包括使用提示等技術來有效利用這些能力。

4 度量大型語言模型的推理能力

文獻中一直關注使用推理任務的下游性能作為模型"推理"能力的主要衡量標準。然而，直接分析這些模型產生的原理的工作相對較少。本節總結了評估LLM推理能力的方法和基準。

4.1 下游任務性能

衡量LLM推理能力的一種方法是評估它們在需要推理的任務上的表現。有各種現有的基準可用于此目的，組織如下。

**數學推理。**算術推理是理解和應用數學概念和原理以解決涉及算術運算的問題的能力。這涉及到在解決數學問題時使用邏輯思維和數學原理來確定正確的行動方案。算術推理的代表性基準包括GSM8K (Cobbe et al., 2021), Math (Hendrycks et al., 2021), MathQA (Amini et al., 2019), SVAMP (Patel et al., 2021), ASDiv (Miao et al., 2020), AQuA (Ling et al., 2017), and MAWPS (Roy and Roth, 2015).。值得一提的是，Anil等人(2022)生成了奇偶校驗數據集和布爾變量賦值數據集，用于分析LLMs的長度泛化能力(§3.3.1)。

**常識推理。**常識推理是利用日常知識和理解對新情況作出判斷和預測。這是人類智能的一個基本方面，它使我們能夠在環境中導航，理解他人，并在信息不完整的情況下做出決定。可用于測試llm常識推理能力的基準包括CSQA (Talmor et al., 2019), StrategyQA (Geva et al., 2021), and ARC (Clark et al., 2018)。我們建議讀者參考Bhargava和Ng(2022)的調研，以了解該領域的更多工作。

**符號推理。**符號推理是一種根據形式規則對符號進行操作的推理形式。在符號推理中，我們使用抽象的符號來表示概念和關系，然后根據精確的規則對這些符號進行操作，從而得出結論或解決問題。

4.2 推理的形式化分析

盡管LLM在各種推理任務中表現出令人印象深刻的性能，但它們的預測在多大程度上是基于真正的推理還是簡單的啟發式，并不總是很清楚。這是因為大多數現有評估側重于它們對下游任務的準確性，而不是直接評估它們的推理步驟。雖然對LLMs生成的原理進行了一些誤差分析(Wei et al., 2022b; Kojima et al., 2022, inter alia)，這種分析的深度往往有限。已經有一些努力來開發指標和基準，以便對LLM中的推理進行更正式的分析。Golovneva等人(2022)設計了ROSCOE，一套可解釋的、詳細的分步評估指標，涵蓋了語義對齊、邏輯推理、語義相似度和語言一致性等多個角度。Saparov和他(2022)創建了一個名為PrOntoQA的合成數據集，該數據集是根據真實或虛構的本體生成的。數據集中的每個示例都有一個唯一的證明，可以轉換為簡單的句子，然后再轉換回來，允許對每個推理步驟進行形式化分析。Han等人(2022)引入了一個名為FOLIO的數據集來測試LLM的一階邏輯推理能力。FOLIO包含一階邏輯推理問題，需要模型在給定一組前提的情況下確定結論的正確性。總之，大多數現有研究主要報告了模型在下游推理任務中的表現，沒有詳細檢查產生的基礎的質量。這留下了一個問題，即模型是否真的能夠以類似于人類推理的方式進行推理，或者它們是否能夠通過其他方法在任務上取得良好的性能。還需要進一步的研究來更正式地分析LLM的推理能力。