背景及動機

最近，像ChatGPT這樣的大型語言模型（LLMs）在一定程度上展現(xiàn)出了通用智能 [1]，并且 LLMs 已被廣泛用作各種應(yīng)用中的基礎(chǔ)模型 [2,3]。為了解決依稀更復(fù)雜的任務(wù)，多個 LLMs 被引入來進行協(xié)作，不同的 LLMs 執(zhí)行不同的子任務(wù)或同一任務(wù)的不同方面 [4,5]。有趣的是，這些 LLMs 是否擁有協(xié)作精神？它們是否能有效并高效地協(xié)作，實現(xiàn)一個共同的目標(biāo)？

圖1: 辯論中的妥協(xié) (a) 和反駁 (b)，其中是正方，是反方

這篇論文中，我們探討了多個 LLMs 之間的一致性 (inter-consistency)，這與現(xiàn)有的大部分研究不同，現(xiàn)有研究主要探討單個 LLM 內(nèi)的自我一致性 (intra-consistency 或 self-consistency) 問題 [6,7]?；谖覀兊挠^察和實驗，我們強調(diào)了LLMs協(xié)作中的可能存在的兩個主要問題。首先，LLMs 的觀點很容易發(fā)生改變。如圖1（a）所示，正方和反方 LLMs 給出了不同的預(yù)測結(jié)果，而正方很快就妥協(xié)并接受了反方的答案。所以，LLMs 到底有多容易改變自己的觀點，又有多大程度會堅持自己的觀點？其次，當(dāng) LLMs 堅持自己的意見時 (圖1(b))，他們進行協(xié)作時是否能在共同目標(biāo)上達(dá)成共識？

受辯論理論 [8] 的啟發(fā)，我們設(shè)計了一個辯論框架 (FORD)，以系統(tǒng)和定量地研究 LLMs 協(xié)作中的模型間不一致問題?；?FORD，我們允許 LLMs 通過辯論探索它們自己的理解與其他 LLMs 的概念之間的差異。因此，這些結(jié)果不僅能夠鼓勵 LLMs 產(chǎn)生更多樣化的結(jié)果，也使得 LLMs 可以通過相互學(xué)習(xí)實現(xiàn)性能提升。

具體來說，我們以多項選擇的常識推理作為示例任務(wù)，因為常識推理任務(wù)是一類可能性 (plausible) 的任務(wù)，每個答案都是可能成立的，只是正確答案成立的可能性更高，所以常識推理任務(wù)更適合被用來進行辯論。為此我們制定了一個三階段的辯論來對齊現(xiàn)實世界的場景：（1）平等辯論：兩個具有可比能力的 LLMs 之間的辯論。（2）錯位辯論：能力水平差異較大的兩個 LLMs 之間的辯論。（3）圓桌辯論：兩個以上的 LLMs 之間的辯論。

2. 數(shù)據(jù)集、LLMs及相關(guān)定義

我們在這里統(tǒng)一介紹實驗使用的數(shù)據(jù)集，LLMs，模型間不一致性的定義，以及使用的基線方法等。

2.1 數(shù)據(jù)集（常識推理）

表1：7個常識推理數(shù)據(jù)的任務(wù)類型和大小

?NLI [9]：大規(guī)模的溯因推理數(shù)據(jù)集

?CommonsenseQA[10]：大規(guī)模的常識問答數(shù)據(jù)集

?COPA[11]：小規(guī)模的因果推理數(shù)據(jù)集

?e-CARE[12]：大規(guī)模的可解釋因果推理數(shù)據(jù)集

?SocialIQa [13]：有關(guān)日常事件的社會影響的常識推理數(shù)據(jù)集

?PIQA [14]：有關(guān)物理常識的自然語言推理數(shù)據(jù)集

?StrategyQA[15]：有關(guān)隱式推理策略的數(shù)據(jù)集

數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計信息見表1。

2.2大語言模型（LLMs）

我們在辯論中使用了以下 6 個 LLMs 進行實驗：

?閉源模型

–gpt-3.5-turbo：記作ChatGPT，是一個對話補全模型

–gpt-3.5-turbo-0301：記作ChatGPT-0301，是gpt-3.5-turbo的迭代版本

–text-davinci-003：記作Davinci-003，是一個文本補全模型

–gpt-4：記做GPT-4，是一個更強的對話補全模型

?開源模型

–LLaMA-13B：記作LLaMA，是Meta公司開源的擁有13B參數(shù)的文本補全模型

–Vicuna-13B：記作Vicuna，是在70K指令數(shù)據(jù)上微調(diào)后的LLaMA模型

2.3模型間的不一致性 (INCON)

假設(shè)我們有 個 LLMs：，以及一個擁有 個樣例的數(shù)據(jù)集：。我們將 定義為 在 的預(yù)測結(jié)果。則模型間的不一致性 INCON 可以被定義為：

其中 是一個符號函數(shù)，當(dāng) 中存在兩個任意的變量不相等， 取 1，否則 取 0。

2.4基線方法

我們定義了 3 種基線方法來和辯論框架進行對比：

?SingleLLM：只用一個 LLM 來執(zhí)行推理

?Collaboration-Soft(Col-S)：隨機相信其中一個 LLM 的結(jié)果，所以這個方法的性能是多個 LLMs 的性能的平均

?Collaboration-Hard(Col-H)：只相信一致的預(yù)測，不一致的的預(yù)測都看作是錯誤的

3.辯論框架 (FORD)

圖2 辯論框架，(1) LLMs 對每一個樣例，獨立地給出選項和解釋作為立場和論據(jù)；(2) 在立場不一致的樣例上面，基于第一步的論據(jù)，LLMs 交替式地進行辯論；(3) 裁判對辯論過程進行總結(jié)并給出最終的辯論結(jié)果

?Step1：對于給定的每個樣例，每個 LLM 都單獨進行回答，生成一個答案和解釋，答案和解釋則作為相關(guān) LLM 在此樣例上的立場和初始論據(jù)。根據(jù) LLMs 在每個樣例上的立場，把樣例分為立場一致的樣例和立場不一致的樣例，只有立場不一致的樣例才會進行辯論。

?Step2：對于每個立場不一致的樣例，基于初始的兩個論據(jù)，LLMs 交替地進行辯論。在辯論期間，LLMs 可以堅持自己的看法，也可以向其它更合理的看法妥協(xié)，每次辯論都會生成一個新的立場和新的論據(jù)，但是新的立場不會放入辯論過程中。辯論會在達(dá)成共識或者是輪次達(dá)到上限時停止。

?Step3：最后我們會根據(jù)辯論過程中立場的變化，使用啟發(fā)式的方法，對辯論進行最后的總結(jié)，并得到最終的辯論結(jié)果。當(dāng) LLMs 達(dá)成共識的時候，一致的立場作為最終結(jié)果，若沒達(dá)成一致，則不同論據(jù)的立場進行投票得到最終結(jié)果。

4.實驗

考慮到不同 LLMs 在不同數(shù)據(jù)集上的表現(xiàn)，我們設(shè)置一下辯論進行討論 (對于兩個 LLMs 的辯論來說，& 符號左邊是正方，右邊是反方)：

?平等辯論

–ChatGPT& Davinci-003

–ChatGPT& ChatGPT-0301

–LLaMA& Vicuna

?錯位辯論

–ChatGPT& GPT-4

–LLaMA& ChatGPT

?圓桌辯論

–ChatGPT & Davinci-003 & GPT-4 (錯位的圓桌辯論)

–ChatGPT & Davinci-003 & ChatGPT-0301 (平等的圓桌辯論)

4.1平等辯論

圖 3：平等辯論中，各 LLMs 對在不同數(shù)據(jù)集上的不一致性。虛線部分代表正方模型預(yù)測錯誤而反方模型預(yù)測正確帶來的不一致性。

4.1.1不一致性

我們首先執(zhí)行辯論框架的第一步，來得到不同辯論中，LLMs之間的不一致性。結(jié)果如圖3所示，我們可以得到以下結(jié)論：

?不同類型(文本補全和對話補全，有無指令微調(diào))的LLMs之間(ChatGPT & Davinci-003, LLaMA & Vicuna)在幾乎所有數(shù)據(jù)集上都持有20%-30%的INCON，即使它們是基于相同的基礎(chǔ)模型開發(fā)的。每個條形中的虛線部分對INCON的貢獻(xiàn)接近50%，這意味著每個LLMs對中的LLM擁有可比但截然不同的能力。

?對于ChatGPT & ChatGPT-0301，ChatGPT-0301在功能上并不會完全覆蓋ChatGPT。這表明LLMs在迭代過程中獲得了新的能力的同時，也會失去一些現(xiàn)有的能力。因此，使用更新的LLMs來復(fù)現(xiàn)不可用的早期版本的LLMs的結(jié)果并不會令人信服。

4.1.2 平等辯論的結(jié)果

表 2：平等辯論及基線方法在不同數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)。帶下劃線的數(shù)字表示在三種協(xié)作模型中最好的結(jié)果，加粗的數(shù)字代表在單模型和協(xié)作模型中最好的結(jié)果。Average表示不同模型在所有數(shù)據(jù)集上的平均性能。

平等辯論及基線方法的表現(xiàn)如表 2 所示，我們可以得到以下結(jié)論：

?FORD在幾乎所有數(shù)據(jù)集上都優(yōu)于Col-S和Col-H，以及相應(yīng)的單一LLM（除了 Social IQa 上的 LLaMA & Vicuna）。這是因為FORD可以讓 LLMs 從更全面、更精確的視角來看待問題。這意味著具有可比能力的LLMs擁有協(xié)作精神，可以有效且高效地實現(xiàn)共同目標(biāo)。

?而 FORD 在 ChatGPT & ChatGPT-0301 上并沒有獲得像其他辯論那樣多的提升。這主要是由于它們的能力非常相似，導(dǎo)致它們通常對每個樣本都有相似的看法，使得性能提升微不足道。

?在每個數(shù)據(jù)集上，ChatGPT & ChatGPT-0301 具有更高的性能下限 (Col-H)，這表明我們可以選擇類似的模型進行辯論獲得保守的收益。然而 ChatGPT & Davinci-003 具有更高的性能上限 (FORD)，這表明我們可以選擇能力可比但差異較大的 LLMs 進行辯論以獲得更好的性能。

4.1.3辯論中不一致性的變化

圖 4：隨著辯論的進行，(a) ChatGPT & Davinci-003, (b)ChatGPT & ChatGPT-0301, 以及 (c) LLaMA & Vicuna 的不一致性(INCON) 變化。

圖 4 展示了平等辯論的不一致性INCON隨著辯論輪次的變化，從中我們可以總結(jié)如下結(jié)論：

?對于每場公平辯論，每個數(shù)據(jù)集的每一輪后INCON都會逐漸下降。這是因為 LLMs 可以從彼此之間的差異中學(xué)習(xí)從而達(dá)成一致，這表明能力可比的LLMs可以進行辯論并在共同目標(biāo)上達(dá)成共識。

?對于 ChatGPT &Davinci-003 和 ChatGPT &ChatGPT-0301，INCON在所有數(shù)據(jù)集上幾乎下降到 0，而LLaMA & Vicuna 經(jīng)過辯論后仍然存在較為明顯的不一致性。我們認(rèn)為這是由于它們的能力差距造成的。

?ChatGPT & ChatGPT-0301 的INCON經(jīng)過 2 輪就實現(xiàn)了收斂，比其他公平辯論要早。這主要是因為它們的能力非常相似，導(dǎo)致它們更早達(dá)成共識。

4.2錯位辯論

4.2.1辯論結(jié)果

表 3：錯位辯論的結(jié)果

圖 5：錯位辯論中不一致性的變化

由于資源所限，我們只在 e-CARE 和 PIQA 上進行錯位辯論，錯位辯論的結(jié)果如表 3 和圖 5 所示，我們可以得出以下結(jié)論：

?FORD 可以輕松超越Col-S 和Col-H，以及較弱的那一個 LLM，但比不上較強的那一個 LLMs。似乎錯位辯論存在一個性能上限，這個上限與較強的 LLMs 的性能有關(guān)。這表明能力不匹配的LLMs很難有效地合作實現(xiàn)共同目標(biāo)。

?即使能力不匹配，LLMs 之間的INCON 仍然繼續(xù)下降。這些表明能力不匹配的 LLMs 仍然具有達(dá)成共識的協(xié)作精神，但會受到能力較差的 LLMs 的干擾。

?與平等辯論相比，占主導(dǎo)地位的 LLMs（GPT-4 和ChatGPT）可能會被較弱的 LLMs 分散注意力，但將 ChatGPT & Davinci-003 和 LLaMA & Vicuna 中的 Davinci-003 以及 Vicuna 分別換成GPT-4 和 ChatGPT，F(xiàn)ORD還是會獲得顯著的提升。

?LLaMA & ChatGPT 的 FORD 似乎表現(xiàn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到可能存在的上限，這是因為 LLaMA 沒有能力對其它模型的論據(jù)進行評估，只會不斷表明自己的立場，這更加分散了 ChatGPT 的注意力。

4.2.2辯論的主導(dǎo)程度 dominance

為了進一步分析，我們?yōu)?LLMs 辯論引入了一個新的指標(biāo)：辯論的主導(dǎo)程度dominance。例如，正方LLM 的dominance 被定義為反方 LLM 妥協(xié)的樣本的比例，反之亦然。dominance 直接反映了 LLMs 在辯論中堅持自己觀點的程度。

表 4：不同辯論中不同模型的主導(dǎo)程度

以公平辯論 (ChatGPT & Davinci-003) 為例，表 4 顯示 ChatGPT& Davinci003 在兩個數(shù)據(jù)集上取得了相似的主導(dǎo)程度。它解釋了為什么可比的 LLMs 可以進行辯論來妥協(xié)或堅持更合理的觀點來提高性能。因此，我們將其作為錯位辯論的參考，如表4所示，我們可以得出結(jié)論：

?實力較強的 LLMs（GPT-4和ChatGPT）在不匹配的辯論中占據(jù)絕對優(yōu)勢。這與人類的場景類似，在與比自己更強的人辯論時，自己很容易被帶入到對方的思考過程中并認(rèn)可對方的想法。因此，實力較強的LLMs更有可能堅持自己的觀點。當(dāng)更強的 LLMs 對少數(shù)樣本缺乏信心時，它們更容易受到較弱的 LLMs 的干擾。

?然而，LLaMA & ChatGPT 并沒有表現(xiàn)出如此大的主導(dǎo)程度差距。這主要是因為 LLaMA 幾乎沒有辯論的能力。它無法評估其它模型的論點，大多數(shù)時候只會生成 “選項（x）更合理” 之類的句子，這會讓 ChatGPT 搖擺不定。

4.2.3圓桌辯論

在許多場景中，辯論或者是討論并不局限于 2 個參與者，例如醫(yī)療診斷和法庭陪審團，都需要多個參與者，所以我們設(shè)計了有 3 個 LLMs 參與的圓桌辯論：一個錯位的圓桌辯論 ChatGPT & Davinci-003 & GPT-4 (記為 R1)，一個平等的圓桌辯論 ChatGPT & Davinci-003 & ChatGPT-0301 (記為 R2)。我們選取 e-CARE 和 PIQA 作為圓桌辯論的數(shù)據(jù)集。

表 5：圓桌辯論與單模型以及雙模型辯論結(jié)果，M 代表錯位辯論，F(xiàn) 代表平等辯論

圖 6：圓桌辯論的不一致性變化

圓桌辯論的結(jié)果如表 5 和圖 6 所示，我們可以進行分析得到以下結(jié)論：

?在兩種圓桌辯論中，F(xiàn)ORD 的表現(xiàn)均明顯優(yōu)于Col-S 和Col-H。然而R1 中的 FORD 遠(yuǎn)不如GPT-4，如果有更多較弱的 LLMs，那么較強的LLMs 可能會更容易被誤導(dǎo)，并且不那么占主導(dǎo)地位（請參閱文章附錄中的表 10）。FORD 在 R2 上的表現(xiàn)優(yōu)于所有單一LLMs，這證明兩個以上可比的LLMs可以有效且高效地協(xié)作以實現(xiàn)共同目標(biāo)。

?圓桌辯論中的INCON 明顯下降，表明兩個以上LLMs仍然具備協(xié)作精神并達(dá)成共識。

?圓桌辯論R1 性能表現(xiàn)超越了 R2。這表明更換一個較強的 LLMs 可以提高辯論的表現(xiàn)，盡管較強的 LLMs 可能會被其他較弱的 LLMs 誤導(dǎo)。

在 R2 中，F(xiàn)ORD 超過了平等辯論 ChatGPT &ChatGPT0301，而與 ChatGPT &Davinci-003 取得了相似的結(jié)果，這是因為ChatGPT和ChatGPT-0301沒有太多區(qū)別，導(dǎo)致辯論中引入的新信息很少。

5. 分析

5.1使用 GPT-4 作為辯論的裁判

表6：GPT-4作為裁判對辯論結(jié)果的影響

每次辯論中不同的論點可能有不同的說服力。而且，在人類辯論中，有一個具有強大評估能力的人類裁判來總結(jié)辯論并得出最終結(jié)論。受此啟發(fā)，我們研究使用 GPT-4 作為裁判來執(zhí)行 FORD 中的第 3 步，并在兩個公平辯論中進行實驗。實驗結(jié)果如表 6 所示：

?GPT-4作為裁判可以進一步提升辯論的性能。主要是因為GPT4可以給更有說服力的論點賦予更高的權(quán)重，從而得出更精確的結(jié)論。

?同時，啟發(fā)式的方法作為裁判也可以以一個較低的成本達(dá)到一個較理想的結(jié)果。

5.2辯論順序的影響

表7：不同辯論順序?qū)q論的影響，*代表更換順序的辯論結(jié)果

就像模型訓(xùn)練過程中不同的初始化可能會產(chǎn)生不同的結(jié)果一樣，辯論框架的步驟 2 中的辯論順序可能會影響結(jié)果，我們進行消融研究來研究辯論順序的影響。實驗結(jié)果如表 7 所示：

當(dāng)我們將 Davinci-003 作為正方，ChatGPT 作為反方時，F(xiàn)ORD 仍然優(yōu)于Col-S和Col-H，以及相應(yīng)的單一 LLM，獲得與原始辯論順序相似的結(jié)果。這進一步支持了上文的發(fā)現(xiàn)對辯論順序不敏感。

5.3樣例分析

圖7：樣例分析

在 Debate 1 中，正方 (ChatGPT) 認(rèn)為選項 (A) 更合理，而反方 (Davinci-003) 則認(rèn)為選項 (B) 更好。正方指出，這個問題的關(guān)鍵在于“舊年鑒”。反方最終向正方妥協(xié)。通過這場辯論，一個 LLMs 可以提供另一個 LLMs 忽視的細(xì)節(jié)，從而產(chǎn)生更有說服力的可解釋信息和更準(zhǔn)確的決策。

6. 結(jié)論

我們探討了不同 LLMs 之間的不一致問題。然后我們使用辯論框架 FORD 來考察 LLMs 是否能夠有效地協(xié)作，通過辯論最終達(dá)成共識。為此我們探索了三個現(xiàn)實世界的辯論場景公平辯論、不匹配辯論和圓桌辯論。我們發(fā)現(xiàn) LLMs 擁有協(xié)作精神，能夠就共同目標(biāo)達(dá)成共識。辯論可以提高 LLMs 的表現(xiàn)和相互一致性。當(dāng)辯論不匹配時，較強的 LLMs 可能會被較弱的 LLMs 分散注意力。這些發(fā)現(xiàn)有助于未來開發(fā)更有效的多 LLMs 協(xié)作方法。