GPT-4 绝对性能暴涨 74.4%：UIUC 苹果华人团队提出 CodeAct，用 Python 代码统一 LLM 智能体行动

最近，UIUC 苹果华人提出了一个通用智能体框架 CodeAct，通过 Python 代码统一 LLM 智能体的行动。一直以来，LLM 智能体被众多业界 AI 大佬看好，甚至有望成为将人类从琐碎工作中解放出来的利器。

但是，它们该如何与世界进行最佳互动？

最近，来自 UIUC 和苹果的华人研究员，提出了一种全新的智能体框架 ——CodeAct。它通过采用可执行的 Python 代码，来统一 LLM 智能体的行动。

与多数现有的 LLM 智能体不同的是，CodeAct 的突出之处在于：能够充分利用现有 LLM 对代码数据的预训练，以实现低成本高效的采用。

而且本质上可以通过控制和数据流支持复杂的操作，还可以使用广泛的软件包来扩展行动空间和自动反馈。

对此，作者还构建了一个 CodeActAgent 工具，在 Mistral 7B 模型之上搭建，能够通过对话完成代码任务。

比如，「你能创建 100 个随机数据点（每个数据点的维度为 2）并创建散点图吗？运行 k-means 对它们进行聚类并可视化」。

让 LLM 成为最优智能体

当允许访问 API 的行动模块进行增强时，LLM 的行动空间可以扩展到传统的文本处理之外。

从而让 LLM 获得工具调用和内存管理等功能，并冒险进入现实世界的任务，例如控制机器人并进行科学实验 。

那么，如何有效拓展 LLM 智能体解决复杂现实问题的行动空间？

如下图 1 左上，许多现有研究已经检验了使用文本，或 JSON 来生成行动。

然而，这两种方法通常都受到行动空间范围的限制（行动通常是针对特定任务定制的）和灵活性有限（例如无法在单个行动中组合多个工具）。

另外一些研究展示了，使用 LLM 生成代码来控制机器人或游戏角色的潜力。

然而，它们通常依赖于预先指定的控制原语和手工设计的提示，更重要的是，它们很难根据新的环境观察和反馈动态调整或发出行动。

对此，这项研究提出了一个通用框架 CodeAct，允许 LLM 生成可执行的 Python 代码作为行动（图 1 右上）。

CodeAct 旨在处理各种应用程序，并具有独特的优势：

(1) CodeAct 与 Python 解释器集成，可以执行代码行动，并动态调整先前的行动，或根据通过多轮交互（代码执行）收到的观察结果发出新行动。

(2) 代码行动允许 LLM 利用现有软件包。CodeAct 可以使用现成的 Python 包来扩展行动空间，而不是手工制作的特定于任务的工具。它还允许大模型使用大多数软件中实现的自动反馈（例如错误消息），通过自我调试其生成的代码来改进任务解决。

(3) 代码数据广泛应用于当今大模型的预训练中。这些模型已经熟悉结构化编程语言，因此可以经济高效地采用 CodeAct。

(4) 与 JSON 和预定义格式的文本相比，代码本质上支持控制和数据流，允许将中间结果存储为变量以供重用，并用一段代码允许组合多个工具来执行复杂的逻辑操作（例如，if-语句、for 循环），从而释放大模型预训练的编程知识来处理复杂任务的潜力。

在图 1 中，使用 CodeAct（右上角）的法学硕士可以通过 for 循环将相同的工具序列应用到所有输入，只需一个行动。而文本或 JSON 必须对每个输入采取行动。

CodeAct 框架

在图 2 中，首先介绍了 LLM 智能体在现实世界中使用的一般多轮交互框架，该框架考虑了三个角色：

智能体、用户、环境。

研究人员将交互定义为智能体与外部实体（用户或环境）之间的信息交换。

在每一轮交互中，智能体从用户（如自然语言指令）或环境（如代码执行结果）接收观察结果（输入），通过思维链（CoT）选择性地规划其行动，并以自然语言或环境向用户发出行动（输出）。

CodeAct 采用 Python 代码来整合智能体与环境交互的所有操作。

在 CodeAct 中，向环境发出的每个动作都是一段 Python 代码，而智能体将收到代码执行的输出（如结果、错误）作为观察结果。

CodeAct 作为强大工具使用框架的前景

研究中，作者进行了一项对照实验，以了解哪种格式（文本、JSON、CodeAct）更有可能引导 LLM 生成正确的原子工具调用。

本实验的表现，反映了 LLM 对相应格式的熟悉程度。

研究人员假设使用 CodeAct 调用工具是为模型使用工具的更自然的方式，模型通常在训练期间广泛接触代码数据。

对于大多数 LLM，即使在其控制和数据流强度被削弱的原子操作（简单化的工具使用场景）中，CodeAc 也能实现相当或更好的性能。

与闭源 LLM 相比，CodeAct 的改进在开源模型中更为突出。

此外，对于微调开源 LLM 来说，代码数据通常比专门 JSON 或文本工具调用格式更容易访问。尽管 JSON 始终弱于其他开源模型方法，但它在闭源 LLM 中实现了不错的性能，这表明这些闭源模型可能已经针对其 JSON 功能进行了有针对性的微调。

这些结果表明，对于开源大模型来说，针对 CodeAct 进行优化是比其他方法更好的途径来提高其工具使用能力，因为由于在预训练期间广泛接触代码数据，它们已经表现出了良好的初始 CodeAct 能力。

CodeAct 以更少的交互完成更多工作

除此之外，作者研究了 LLM 智能体是否可以，从需要复杂工具使用模式的问题上的代码控制和数据流中受益。

这里，研究人员策划了一个基准 M3ToolEval 来评估 LLM 解决通常需要多次调用多个工具的复杂任务的能力。

作者在表 3 中列出了全部结果，在图 1 中列出了可视化结果子集。

CodeAct 通常具有更高的任务成功率（17 个已评估 LLM 中有 12 个）。此外，使用 CodeAct 执行任务所需的平均交互轮数也较低。

比如，与次佳操作格式（文本）相比，最佳模型 gpt-4-1106-preview 实现了 20.7% 的绝对改进，同时平均减少了 2.1 个交互回合。

然而，就 CodeAct 的绝对性能而言，开源和闭源 LLM 之间仍存在显著差距，最佳开源模型的绝对性能提高了 13.4%，而最佳闭源模型 gpt-4-1106-preview 的绝对性能提高了 74.4%。

这可能是由于开源模型的任务解决能力较弱，无法在没有演示的情况下遵循复杂指令，这表明迫切需要改进开源 LLM，以在零样本设置下完成实际任务。

CodeAct 受益于多轮交互和现有软件包

研究人员还展示了 LLM 智能体如何与 Python 集成，并使用现有软件在多轮交互中执行复杂的任务。

得益于在预训练期间学到的丰富的 Python 知识，LLM 智能体可以自动导入正确的 Python 库来解决任务，而不需要用户提供的工具或演示。

如图 3 所示，CodeActAgent 可以使用 Pandas 下载和处理表格数据，使用 Scikit-Learn 进行机器学习训练-测试数据分割和回归模型训练，并使用 Matplotlib 用于数据可视化。

此外，使用交互式 Python 解释器执行代码可以自动显示错误消息，帮助 LLM 智能体在多轮交互中「自我调试」其操作，并最终正确完成人类用户的请求。

构建开源 LLM 智能体

CodeAct 所展示潜力的结果，激励研究人员构建一个开源的 LLM 智能体，可以通过 CodeAct 与环境交互，又可以使用语言与人类进行交流。

为了提高开源 LLM 的 CodeAct 能力，作者介绍了 CodeActInstruct，这是一个包含智能体与环境交互轨迹的指令微调数据集。

如表 4，是 CodeActInstruct 的数据组成，以及与先前工作的对比。

接下来，研究人员对 Llama-2 7B 和 Mistral 7B 的 CodeActInstruct 和一般对话进行了微调，进而获得 CodeActAgent

CodeActAgent 在 CodeAct 任务中表现出色。

如表 5 所示，CodeActAgent（两种变体）在 MINT 的域内和域外子集上都比所有评估的开源 LLM 表现更好。

在 M3ToolEval 上，作者发现 CodeActAgent（Mistral）的性能优于类似规模（7B 和 13B）的开源 LLM，甚至达到了与 70B 模型相似的性能。

令人惊讶的是，Llama-2 变体没有观察到任何改进。

CodeActAgent 概括为文本操作。

当对域外文本操作进行评估时，从未针对文本操作进行过优化的 CodeActAgent (LLaMA2, 7B) 实现了与对文本操作进行显示调整的 AgentLM-7B 相当的性能。

在表 5 中，还发现 CodeActAgent 保持或提高了一般 LLM 任务的性能。

在表 5 中，研究人员还发现 CodeActAgent（两个变体）在测试的一般 LLM 任务中表现更好，除了 CodeActAgent（Mistral-7B）在 MMLU 上略有下降。

参考资料：

https://twitter.com/xingyaow_/status/1754556835703751087

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