今天分享的是阿里的一个工作：
Marco-o1: Towards Open Reasoning Models for Open-Ended Solutions.
Marco-o1：面向开放的推理模型以获得开放式解决方案。
论文链接:https://arxiv.org/pdf/2411.14405
代码链接:https://github.com/AIDC-AI/Marco-o1
摘要
这篇论文介绍了一个名为 Marco-o1 的大型推理模型，该模型旨在解决开放式推理问题。与传统的大型推理模型专注于具有标准答案的学科（如数学、物理和编程）不同，Marco-o1 更注重于那些没有明确标准答案和难以量化奖励的开放性问题。为了实现这一目标，Marco-o1 采用了思维链微调、蒙特卡洛树搜索、反思机制以及针对复杂现实世界问题解决任务优化的创新推理策略。论文的核心问题是探讨 Marco-o1 模型是否能够有效地推广到更广泛的领域，在这些领域中，标准不明确且奖励难以衡量。
主要方法
Marco-o1采用三种训练集组成。分别是:
Open-O1 CoT Dataset (Filtered): 这是 OpenAI o1 模型使用的 CoT 数据集的过滤版本。它包含各种学科（如数学、物理、编程等）的推理问题及其对应的思维链解答。 通过使用这个数据集，Marco-o1 可以学习到 o1 模型的推理模式和策略，并将其应用到更广泛的任务中。 Marco-o1 CoT Dataset:这是 Marco-o1 团队专门构建的 CoT 数据集，旨在补充 Open-O1 CoT Dataset 并进一步提升模型的推理能力。该数据集包含更多开放性推理问题，例如需要创造性解决方案或缺乏明确标准的问题。 Marco-o1 Instruction Dataset:这是一个指令数据集，用于训练 Marco-o1 理解和执行各种指令的能力。该数据集包含各种类型的指令，例如文本生成、问答、翻译等，以增强模型的通用性和实用性。
其中开放域的CoT数据是相对比较难生成的。正是因为很多开放的场景中，我们很难量化模型的回答准确性或者步骤的准确性，所以很难复现一些数学任务、代码任务等的方法。
本文结合蒙特卡洛树搜索和大语言模型来扩展解决方案空间，并生成用于开放域推理任务的CoT数据集。下面将逐步解释文中提到的关键概念及其应用。
1. MCTS框架与推理状态
在MCTS框架中，每个节点表示一个推理状态，也就是问题解决过程中的某个具体阶段。在每个节点上，模型会基于当前的推理状态做出选择。
节点作为推理状态：在此背景下，MCTS中的每个节点代表模型推理过程中的一个特定状态。例如，节点可能表示一个推理步骤或者某个子任务的完成状态。
2. 动作作为LLM的输出
MCTS的每个节点可以通过不同的“动作”来迁移到另一个状态。这里的动作是由LLM生成的输出，也就是模型根据当前推理状态生成的潜在步骤或小步骤。
动作作为LLM输出：从每个节点开始，LLM会根据当前的推理状态生成多个可能的输出，这些输出可以看作是下一步推理的潜在选择。例如，在推理任务中，LLM可以生成多个不同的推理路径或候选答案。
3. 回合（Rollout）与奖励计算
在回合（rollout）阶段，LLM会继续进行推理，直到达到一个终态（例如，生成一个完整的答案或者解决方案）。回合的主要目标是模拟推理过程，并计算每个步骤的“奖励”来评价推理路径的质量。
回合阶段：LLM会从当前推理状态继续推理，生成更多令牌（token），直到达到最终的终态。这个过程类似于进行一个完整的推理链。
奖励计算：奖励分数（reward score）用于评价每个回合中生成的推理路径的质量。奖励分数通过计算每个令牌的置信度分数来获得，最终将所有令牌的置信度分数取平均值，作为回合的总体奖励。
4. 置信度分数与奖励分数
为了解决推理过程中的不确定性和评估不同路径的优劣，本文引入了置信度分数（confidence score）来评价每个生成的令牌的可靠性。
置信度分数：对于每个生成的令牌，LLM会计算其对数概率，并与前5个最可能的替代令牌的对数概率进行比较，使用softmax函数将其转化为一个归一化的置信度分数。公式如下：
其中，是第个令牌的置信度分数，是第个令牌的对数概率，是前5个最可能令牌的对数概率。这样，置信度分数反映了当前令牌相对于其他候选令牌的相对概率。
奖励分数：所有令牌的置信度分数被平均后，得出整个回合的奖励分数（reward score）。奖励分数的公式为：
其中，是回合中生成的令牌总数，是整个回合的奖励分数。更高的奖励分数表示该推理路径更有信心，可能更准确。
5. 引导MCTS搜索
通过计算每个回合的奖励分数，MCTS能够有效地评估并选择更有前景的推理路径。奖励分数作为一个反馈信号，指导搜索算法向更有信心和可能准确的推理链条靠近。
引导MCTS：MCTS利用奖励分数来评估当前路径的质量，选择最有可能的推理路径进行进一步扩展。奖励分数帮助MCTS避免在不太可靠的路径上浪费时间，使其集中于高置信度的推理链。
6. 扩展解决方案空间
结合MCTS和LLM的策略能够显著扩展解决方案空间。MCTS通过多次模拟不同的推理路径（回合），让模型能够探索一个巨大的推理空间，并根据计算出来的置信度分数选择最有可能的路径。
解决方案空间扩展：通过多次回合和奖励计算，模型能够生成并选择最有可能成功的推理路径，从而在开放域任务中，模型能够灵活生成各种潜在解决方案，并最终选出最优的推理过程。
除了以上MCTS的常规流程以外，Marco还引入了反思机制。这部分工作探索了通过调整粒度和引入反思机制来提高MCTS框架下推理能力的策略。主要流程包括：
动作粒度调整步骤（Step）作为动作：最初使用较大的推理步骤作为MCTS搜索的动作单元，能够高效探索解决方案空间，但可能遗漏细致的推理路径。 迷你步骤（Mini-step）作为动作：将每个动作细分为32或64个令牌，提供更细的粒度，帮助模型探索更精细的推理路径，从而提高解决复杂问题的能力。
在每次推理结束后，模型通过添加反思短语“Wait! Maybe I made some mistakes! I need to rethink from scratch.”来进行自我反思。 该机制促使模型重新评估推理步骤，尤其对复杂问题的解决效果显著，许多原本错误的答案通过反思得到改正。反思机制提升了模型自我修正能力，避免了外部干预。
粒度的调整使模型能够在较细的层面探索推理路径，但令牌级别的搜索虽然具有最大灵活性，但计算资源消耗较大，因此在实践中仍存在挑战。
这些策略共同扩展了模型的推理空间，增强了模型解决复杂问题时的推理能力，特别是在细节推理和自我纠错方面。
例子
这张图展示了Marco-o1-CoT左侧）和Marco-o1-MCTS (step)（右侧）在解决同一个下载时间计算问题时的表现对比。两者的主要区别在于推理粒度的不同，Marco-o1-MCTS (step)通过步骤级别的细化推理探索更广泛的解决方案空间，最终得出了正确的答案。
问题背景
Carla正在下载一个200GB的文件。通常情况下，她可以以每分钟2GB的速度下载，但下载到40%时，Windows强制安装更新，更新过程需要20分钟。更新完成后，Carla必须重新开始下载文件。我们需要计算她总共需要多少时间来下载这个文件。
左侧：Marco-o1-CoT
Marco-o1-CoT方法使用较大粒度的推理步骤来解决问题，但由于推理粒度较粗，它错过了某些重要的细节，导致推理结果不准确。
正确的推理步骤
下载80GB：模型正确地开始推理并计算出前80GB的下载时间，时间为40分钟（80GB ÷ 2GB/min）。 重启后下载剩余部分：模型认为剩余的120GB在重新启动后需要60分钟（120GB ÷ 2GB/min）。
错误的推理
由于缺少考虑重启过程的20分钟，模型计算的总时间为 60分钟 + 20分钟 = 80分钟，并未考虑重新下载整个200GB文件的情况。
输出
最终，Marco-o1-CoT得出的结论是总共需要120分钟来下载文件，但这个答案显然是错误的。
右侧：Marco-o1-MCTS (step)
Marco-o1-MCTS (step)方法将推理过程分解为更细的步骤，使模型能够更全面地探索解决方案空间，避免了漏掉重要细节，最终得出了正确的答案。
正确的推理步骤
下载80GB：模型正确地计算出下载前80GB所需时间为40分钟。 重启过程：模型清楚地识别到重启需要20分钟的额外时间。 重新下载200GB：模型进一步计算出，重启后重新下载200GB所需的时间为100分钟。
输出
通过细化推理过程，Marco-o1-MCTS (step) 得出了正确的结论：总共需要160分钟来下载整个文件。
Marco-o1-CoT方法采用粗粒度的推理步骤，虽然能够快速给出答案，但在细节处理上容易出现遗漏，导致错误的结果。 Marco-o1-MCTS (step) 方法通过步骤级别的细化推理，扩展了解决方案空间，避免遗漏重要细节，成功得出正确答案。
