OAIF：基于在线 AI 反馈的语言模型直接对齐

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摘要

直接来自偏好（DAP）的对齐方法（如 DPO）近年来作为人类反馈强化学习（RLHF）的高效替代方案出现，这些方法无需训练单独的奖励模型。然而，DAP 方法中使用的偏好数据集通常是在训练前收集的，并且在训练过程中不会更新，因此反馈是完全离线的。此外，这些数据集中的回答往往来自于与当前被对齐模型不同的语言模型，而由于模型在训练过程中不断变化，对齐阶段不可避免地是离策略（off-policy）的。

在本研究中，我们认为在线反馈是关键，并且能够提升 DAP 方法的性能。我们提出了一种方法——Online AI Feedback（OAIF），其使用大语言模型（LLM）作为注释器：在每轮训练中，我们从当前模型中采样两个回答，并提示 LLM 注释器选择更偏好的一个，从而提供在线反馈。尽管方法简单，我们通过在人类评估下进行的多项任务实验证明，OAIF 的性能优于离线 DAP 方法和 RLHF 方法。我们进一步展示了 OAIF 中所利用反馈的可控性，即可以通过向 LLM 注释器添加提示指令进行引导。

1 引言

为了最大限度地发挥大语言模型（LLM）对社会的积极作用，使其符合人类的期望和价值观是一项重要任务（Ouyang et al., 2022；Bai et al., 2022a；Bubeck et al., 2023）。首个用于对齐的方法是基于人类反馈的强化学习（RLHF，Christiano et al., 2017；Stiennon et al., 2020），该方法通过成对偏好学习奖励模型（RM），然后利用强化学习优化策略以最大化该 RM。

近年来，一类被称为直接来自偏好的对齐方法（DAP）作为 RLHF 的替代方案受到关注，例如直接偏好优化（DPO，Rafailov et al., 2023）、带人类反馈的序列似然校准（SLiC，Zhao et al., 2023）、身份策略优化（IPO，Azar et al., 2023）。与 RLHF 不同，DAP 方法直接利用成对偏好数据更新语言模型（即策略） ${\pi }_{\theta }$ ，从而使对齐过程更加简单、高效且稳定（Rafailov et al., 2023）。

然而，DAP 方法中使用的偏好数据集通常是在训练前收集的，并且数据集中生成的回答通常来自不同的 LLM。因此，DAP 方法中的反馈基本上是离线的，即 ${\pi }_{\theta }$ 无法在训练过程中获得其自身生成结果的反馈。这会造成问题，因为生成数据集的策略与被对齐的策略之间存在明显的分布偏移：我们是在由 $\rho$ 引导的分布上训练，但最终却是在由 ${\pi }_{\theta }$ 引导的分布上进行评估。相比之下，在 RLHF 中，RM 会对 ${\pi }_{\theta }$ 的生成结果提供在线反馈，从而实现在策略学习，而这已被证明能提升探索能力和整体性能（Lambert et al., 2022）。

受到基于 AI 反馈的强化学习（RLAIF）（Bai et al., 2022b；Lee et al., 2023）的启发，我们提出了一种适用于 DAP 方法的在线 AI 反馈（OAIF）方法。该方法结合了 DAP 方法的实际优势和 RLHF 的在线特性。具体来说，在对齐 LLM 策略 ${\pi }_{\theta }$ 时，我们遵循以下三步流程：

1. 从当前策略 ${\pi }_{\theta }$ 中采样两个回答；
2. 提示一个 LLM 模拟人类偏好标注，对这两个回答提供在线反馈；
3. 使用该在线反馈通过标准 DAP 损失函数更新模型 ${\pi }_{\theta }$ 。

我们的方法如图 1 所示。不同于 Xu et al. (2023)、Liu et al. (2023)、Xiong et al. (2023) 所提出的方法，OAIF 省去了奖励模型训练环节，而是直接从 LLM 中提取偏好信息。

为了验证我们方法的有效性，我们在标准 LLM 对齐任务上，对 OAIF、现有的离线 DAP 方法和 RLHF 方法进行了大量实证对比实验，评估方式包括 AI 评估和人工评估，任务涵盖 TL;DR（Ziegler et al., 2019）、Anthropic Helpfulness 和 Harmlessness（Bai et al., 2022a）。

总结如下，我们的主要贡献包括：

• 我们验证了 OAIF 的有效性与通用性，即它可以将离线的 DAP 方法（DPO、IPO、SLiC）转化为在线方法。人类评估显示，在线 DAP 方法相较其离线版本的平均胜率约为 66%；
• 我们证实了将 DAP 方法在线化的价值：在人类评审的四选一比较中，基于 OAIF 的 DPO（即在线 DPO）在 TL;DR 任务中以 58.00% 的频率优于 SFT 基线、RLHF 和 RLAIF；
• 我们展示了 LLM 注释器的可控性：通过在提示中注入特定指令（如偏好短回答），我们可以显著缩短被对齐模型生成回答的平均长度（从约 120 缩短至约 40），同时质量仍优于 SFT 基线。

2. 背景

成对偏好数据的收集。
当前用于 LLM 对齐的方法通常首先收集一个成对偏好数据集，过程如下：从提示分布 $p_{\mathbf{x}}$ 中采样一个提示 $\mathbf{x}$，然后从已有的 LLM $\rho$ 中独立采样两个不同的回答 ${\mathbf{y}}^1$ 和 ${\mathbf{y}}^2$。随后，人类（Christiano et al., 2017）或 AI 注释者（Lee et al., 2023）对这两个回答进行排序，得到一个更偏好的回答 ${\mathbf{y}}^{+}$，以及一个较不偏好的回答 ${\mathbf{y}}^{-}$。

在不严格使用记号的前提下，我们假设存在一个函数能将 $({\mathbf{y}}^1,{\mathbf{y}}^2)$ 唯一映射为 $({\mathbf{y}}^{+},{\mathbf{y}}^{-})$，因此我们记作：

$({\mathbf{y}}^{+},{\mathbf{y}}^{-})\sim \rho (\cdot |\mathbf{x})$

通过重复上述过程 $N$ 次，我们构建出一个偏好数据集：

$$\mathbb{D}=\{({\mathbf{x}}_i,{\mathbf{y}}_i^{+},{\mathbf{y}}_i^{-}){\}}_{i=1}^N$$

来自偏好的直接对齐（DAP）方法。
DAP 方法直接利用偏好对 $({\mathbf{y}}^{+},{\mathbf{y}}^{-})$ 对目标策略 ${\pi }_{\mathbf{\theta }}$ 进行更新。本文研究的三种主流 DAP 方法的损失函数总结如下。它们的损失形式为：
$$\ell (\mathbf{x},{\mathbf{y}}^{+},{\mathbf{y}}^{-},\mathbf{\theta })$$

其中 $\mathbf{x}\sim p_{\mathcal{X}}$，$({\mathbf{y}}^{+},{\mathbf{y}}^{-})\sim \rho (\cdot |\mathbf{x})$，$\mathbf{\theta }$ 为模型参数。

• DPO 损失函数：

$$\log \sigma \left(\beta \log \frac{{\pi }_{\theta }(y^{+}|x){\pi }_{{\theta }^0}(y^{-}|x)}{{\pi }_{{\theta }^0}(y^{+}|x){\pi }_{\theta }(y^{-}|x)}\right)(1)$$

• IPO 损失函数：

$${\left(\log \left(\frac{{\pi }_{\theta }(y^{+}|x){\pi }_{{\theta }^0}(y^{-}|x)}{{\pi }_{\theta }(y^{-}|x){\pi }_{{\theta }^0}(y^{+}|x)}\right)-\frac{1}{2\beta }\right)}^2(2)$$

• SLiC 损失函数：

$$\max \left(0,1-\beta \log \left(\frac{\pi \theta \left(y^{+}|x\right)\pi {\theta }^0\left(y^{-}|x\right)}{\pi \theta \left(y^{-}|x\right)\pi {\theta }^0\left(y^{+}|x\right)}\right)\right)(3)$$

其中，${\pi }_{{\mathbf{\theta }}^0}$ 是作为参考的 SFT baseline，$\sigma$ 是 logistic 函数，$\beta$ 是一个标量超参数。我们再次强调，$({\mathbf{y}}^{+},{\mathbf{y}}^{-})$ 是从 $\rho (\cdot |\mathbf{x})$ 中采样的，而不是从 ${\pi }_{{\theta }^t}(\cdot |x)$ 中采样的，这将是我们在下一节提出的在线变体的关键区别之一。

这些损失函数的一个优点是，其梯度 ${\nabla }_{\mathbf{\theta }}\ell (\mathbf{x},{\mathbf{y}}^{+},{\mathbf{y}}^{-},\mathbf{\theta })$ 可以以高效的方式精确计算。

相比之下，由于 RLHF 中使用的损失函数涉及对回答空间的期望（Ziegler et al., 2019），通常需要使用策略梯度方法来获得无偏的梯度估计，同时还需要使用一个价值函数来降低方差，这通常需要在内存中存储一个额外的模型。

离线反馈。
在大多数现实应用中，由于从人类注释者那里收集成对偏好存在经济成本高、操作复杂等问题，偏好数据集 $\mathbb{D}$ 通常在语言模型 ${\pi }_{\mathbf{\theta }}$ 对齐之前就已收集完成，并在整个训练过程中保持不变。由于缺少人类实时参与，获取关于新回答的在线偏好通常是不可行的。使用固定数据集 $\mathbb{D}$ 意味着所有偏好数据都是离线的，也就是说策略 ${\pi }_{\mathbf{\theta }}$ 无法在对齐过程中即时获得关于自身生成结果的反馈。

值得指出的是，RLHF 和 RLAIF 中的 RL 步骤是在线的，因为其训练数据是通过交互方式动态获得的。关于在线反馈与离线反馈的深入讨论，见附录 A.1。

离策略学习。
除了上述离线反馈问题外，在预先收集的数据集 $\mathbb{D}$ 上使用 DAP 方法对 LLM 策略 ${\pi }_{\mathbf{\theta }}$ 进行对齐，还会导致一个分布偏移：即训练所用生成是来自策略 $\rho$，而每一步训练时实际更新的策略是 ${\pi }_{{\mathbf{\theta }}^t}$。由于 ${\pi }_{{\theta }^t}\ne \rho$ 且 ${\pi }_{{\mathbf{\theta }}_t}$ 会随着学习持续变化，这使得对齐过程处于离策略（off-policy）设置下。

这种分布偏移问题如图 2 所示。我们还在附录 B 中提供了对此问题的实证验证。在 DPO 中，采用监督微调将 ${\pi }_{\mathbf{\theta }}$ 在 $\mathbb{D}$ 上拟合，使得 ${\pi }_{{\mathbf{\theta }}^0}\approx \rho$，从而缓解该问题，但由于在对齐过程中 ${\pi }_{{\mathbf{\theta }}^t}$ 会逐渐偏离 ${\pi }_{{\mathbf{\theta }}^0}$，因此离策略问题仍然存在。由于 RL 的在线特性，RL 方法是在策略（on-policy）的，因为用于更新 ${\pi }_{{\mathbf{\theta }}^t}$ 的回答都是从该策略本身采样的。关于 LLM 中的在策略与离策略学习的更多细节，请参见附录 A.2。

用于 DAP 方法的基于 RM 的在线反馈。
为了避免在使用离线 DAP 方法在数据集 $\mathbb{D}$ 上对齐 LLM 时产生的分布偏移，一个直观且直接的解决方案是引入一个 RM 来提供在线反馈。Liu 等人（2023）提出了 RSO 方法，利用 RM 执行拒绝采样，从而从最优策略中采样，这在对齐效果上优于离线 DAP 基线。此外，像 Iterative DPO（Xu 等，2023）和 West-of-N 方法（Pace 等，2024）中所做的那样，使用 RM 对 ${\pi }_{{\theta }^t}$ 生成的回答进行伪标签标注也是有益的。虽然这些基于 RM 的方法确实使得策略的对齐过程变为在线和在策略的，但在训练 RM 时仍然存在分布偏移问题。更具体地说，RM 是在来自 $\rho$ 的偏好数据集 $\mathbb{D}$ 上训练的，但在训练第 $t$ 步时，它用于标注来自 ${\pi }_{{\mathbf{\theta }}^t}$ 的回答的偏好，而此时 ${\pi }_{\mathbf{\theta }}\ne \rho$。因此，基于 RM 的在线反馈无法完全避免分布偏移问题。

用于 DAP 方法的基于 LLM 的在线反馈。
我们接下来提出的方法——“Online AI Feedback”（OAIF），是使用 LLM 作为在线注释器。我们的方法依赖于以下观察：LLMs 能很好地近似人类标注，并能够对回答生成可靠的偏好（Lee 等，2023）。在最近的并行研究中，Yuan 等人（2024）提出了一种“自我奖励（self-rewarding）”方法，其中被对齐的策略向自身提供在线反馈。相比之下，OAIF 可以利用任意 LLM 提供的反馈，包括比当前对齐模型更强的 LLM。Swamy 等人（2024）也并行研究了在线偏好的重要性，但仍依赖于 RM。

我们在表 1 中总结了 OAIF 与现有离线和在线 DAP 方法的特性对比。

3. 基于在线 AI 反馈的直接对齐

弥合差距。
如前所述，DAP 方法简单，不需要单独的 RM，但使用的是预先离线收集的偏好数据。另一方面，RLHF 方法会与正在对齐的语言模型进行在线交互，但它们需要使用策略梯度技术来获得无偏的梯度估计，并使用价值函数来降低方差。为弥合这两类方法之间的差距，我们提出一种简单而有效的方法，使 DAP 方法能够在线化。

正如 Ziegler 等人（2019）指出的那样，在线数据收集对于对齐语言模型至关重要。为了解决 DAP 方法中的上述离线问题，我们提出对正在对齐的语言模型生成的回答即时收集偏好数据。显然，使用人类反馈成本过高。先前的研究表明，AI 反馈在配对偏好标注方面是对人类标注员可靠而有效的近似（Lee 等，2023）。因此，我们建议使用 LLM 作为在线注释器，以便在对齐过程中从 ${\pi }_{{\mathbf{\theta }}^t}$ 生成的回答对中即时采样并收集偏好数据。我们将该方法称为 OAIF（online AI feedback，在线 AI 反馈）。

提出的算法。
OAIF 的概览如图 1 所示，更形式化的描述见算法 1（为简化起见，我们使用批量大小为 1）。给定一个 prompt $x$，从 ${\pi }_{{\mathbf{\theta }}_t}(\cdot |x)$ 中采样 $y_1,y_2$ 能够确保在策略学习；调用注释 LLM 得到 $y^{+},y^{-}$ 保证了在线学习。我们强调，该方法是通用的，可与任意可微的 DAP 损失函数 $\ell (x,y^{+},y^{-},\theta )$ 搭配使用。

梯度计算。
在线 DAP 方法的一个重要技术细节是：$\theta$ 同时参与了回答的采样与 DAP 损失函数的计算。相比之下，在离线 DAP 中，$\theta$ 仅出现在损失函数中；而在 RLHF 中，$\theta$ 仅出现在采样中。此外，在 OAIF 中，所采样的回答将送入 LLM 注释器以获得 $(y^{+},y^{-})$，这意味着 $(y^{+},y^{-})$ 在原理上也是 $\theta$ 的函数。在实践中，我们建议直接使用 ${\nabla }_{\theta }\ell (x,y^{+},y^{-},\theta )$ 作为梯度，这等价于在采样步骤和 LLM 注释步骤上施加 stop_gradient 操作。

带文本可控性的提示注释。
我们采用配对提示方案来收集 AI 反馈，即指示 LLM 注释器在两个回答中选择其偏好者，方法与 Lee 等人（2023）一致。为避免位置偏差，我们计算两种回答顺序下的分数并取平均值作为最终评分。由于 OAIF 利用了提示工程技术来收集反馈，因此只需修改提示语即可轻松调整奖励信号或偏好函数（Sun 等，2024），这相比 RLHF 和 RLAIF 具备更高的灵活性且不增加额外计算（例如不需要重新训练 RM）。例如，在我们的实验中，我们展示了如何通过提示注释器偏好更短回答的方式，实现对回答长度的控制。

4. 实验

4.1 实验设置

我们在三个任务上进行了实验：TL;DR（Stiennon 等，2020）、Anthropic Helpfulness 和 Anthropic Harmlessness（Bai 等，2022a）。对于每个任务，我们通过从偏好数据集 $\mathbb{D}$ 中提取输入 prompts 来构建 prompt 数据集 ${\mathbb{D}}_{\mathcal{X}}$。

我们采用 PaLM 2（Anil 等，2023）作为语言模型和 LLM 注释器。除非另有说明，所有策略模型均以监督微调（SFT）后的 PaLM 2-XS（Extra Small） 模型作为初始化，并称之为 SFT baseline。注释模型我们使用 PaLM 2-L（Large）。

为了从注释模型中获取在线反馈，我们使用了 Lee 等人（2023）提出的 Detailed 0-shot prompt。我们使用的提示词以及如何从中获取偏好分数的具体方式详见附录 E。

为验证 OAIF 的通用性，我们在三个 DAP 方法上进行了实验：DPO、IPO 和 SLiC。根据初步实验，我们设置 DPO 中的 $\beta =0.1$，IPO 中的 $\beta =1.0$，SLiC 中的 $\beta =0.002$。训练期间，我们以温度 0.9 进行回答采样。

优化器使用 Adafactor（Shazeer 与 Stern，2018），batch size 设为 128，学习率为 $5\times 10^{-7}$，并统一设置 warm-up 阶段为 150 步。

我们通过计算 win rate（即一个模型的回答优于另一个模型的频率）来评估模型性能。

在自动评估中，我们使用与训练相同的提示方式，但采用 Gemini Pro（Gemini Team 等，2023）作为评估模型，以降低过拟合和 reward hacking 的风险（Gao 等，2023）。Gemini Pro 作为评判者的可靠性在附录 C 中进行了探讨。

在人类评估中，我们邀请三位评分者对多个策略模型生成的回答进行评价。每位评分者需独立为回答的质量打分（1 到 5 分，5 分表示最高），并选择最佳回答。最终的平均分数用于比较不同模型的性能。

4.2 OAIF 对于 LLM 对齐的有效性如何？

我们首先考察 OAIF 在 DAP 方法 中（即使用在线 AI 反馈的方法）相较于其离线版本（即使用预先收集的离线人类偏好）时的有效性。作为合理性验证（sanity check），我们对比了使用 OAIF 的 DPO（即“Online DPO”）与标准 DPO（即“Offline DPO”）相对于 SFT baseline 在 TL;DR 任务中的 win rate 表现。相关结果如图 3 所示，其中还提供了 RLAIF和 RLHF 的结果作为参考。

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