IEEE Trans｜基于大语言模型的强化学习综述：概念、分类和方法
IEEE Trans｜基于大语言模型的强化学习综述：概念、分类和方法
大语言模型（LLM）与强化学习（RL）的结合是人工智能领域的一个重要研究方向。这种结合不仅能够提升强化学习的效率和效果，还能让智能体更好地理解和处理复杂环境中的多模态信息。本文系统性地总结了大语言模型在增强强化学习方面的最新进展，提出了LLM增强型强化学习的概念框架，并详细分析了LLM在强化学习中的四种关键角色：信息处理器、奖励设计器、决策者和生成器。
1. 引言
强化学习（Reinforcement Learning，RL）是一个聚焦于控制和决策的学习范式，智能体通过与环境的试错互动来优化特定目标。近年来，深度强化学习在多个领域取得了显著突破。深度Q网络（Deep Q-Network，DQN）在2015年实现了Atari游戏的人类水平表现，随后近端策略优化（Proximal Policy Optimization，PPO）和软演员评论家（Soft Actor-Critic）等算法进一步扩展了深度强化学习的能力边界。这些进展使强化学习在实时策略游戏、棋类游戏、能源管理和不完全信息博弈等领域获得了成功应用。
2. 强化学习的核心挑战
2.1 在处理复杂环境和多模态信息时，强化学习面临四个主要挑战。首先是样本效率问题。语言和视觉任务涉及大规模、复杂的状态-动作空间，智能体不仅要理解任务本身，还需要将任务与对应状态建立联系，这需要大量环境交互。即使在使用视觉和语言等多模态信息时，学习过程也会变得更加困难，因为智能体需要同时学习处理多模态数据和优化控制策略。
2.2 奖励函数设计的困难。在语言和视觉任务中，奖励函数必须同时捕捉语言的细微差别和复杂的视觉特征。设计这样的奖励函数需要专业知识和大量试错。特别是在稀疏奖励环境中，常规的奖励机制往往难以有效指导学习。虽然奖励塑造可以部分解决这个问题，但可能引入偏差或导致次优策略。
2.3 泛化能力的限制。强化学习智能体容易过度拟合训练数据，特别是在基于视觉的环境中，当遇到带有干扰的状态时，性能会显著下降。智能体必须学会提取对干扰具有鲁棒性的不变特征，这在复杂的语言和视觉场景中尤其具有挑战性。
2.4 自然语言理解的挑战。深度强化学习在处理自然语言时面临独特的困难。人类语言的多样性、上下文依赖性和潜在歧义性都给现有的强化学习方法带来了巨大挑战。
3. 基于大语言模型的强化学习框架
3.1 大语言模型的突破与特点
基于Transformer架构的大语言模型自2017年提出以来取得了革命性进展。从BERT到GPT-3再到PaLM，这些模型展示出强大的语言理解和生成能力。相比小型语言模型，LLM具有显著的涌现能力，如情境学习、推理等，这些能力在小型模型中并不存在。通过在海量互联网规模数据上训练，预训练的LLM积累了丰富的世界知识。
3.2 整体框架
如图2所示，基于LLM的强化学习框架在传统的智能体-环境交互范式基础上引入了LLM作为增强组件。在这个框架中，LLM可以充当四种不同的角色：信息处理器、奖励设计器、决策者和生成器。这种框架具有两个核心优势：首先，LLM在学习开始时就具备丰富的先验知识和推理能力；其次，它提供了更强的泛化能力，能够有效地在不同领域之间迁移知识。
4. 大语言模型作为信息处理器
4.1 特征表示提取
如图3所示，LLM可以通过两种主要方式提取特征表示。
（1）使用冻结的预训练模型。例如，历史压缩语言模型（HELM）利用冻结的预训练语言Transformer来提取和压缩历史表示。语义HELM则提供了一个人类可读的记忆机制，它能够用人类语言总结过去的视觉观测，并使用对比语言-图像预训练（CLIP）和预训练语言模型的词汇来构建语义数据库。
（2）微调预训练模型。这种方法通过对比学习获得更好的特征表示，特别适用于处理视觉任务中的外观变化。例如，通过视觉提示对比学习框架，预训练的视觉语言模型可以学习对相机设置和步长等领域因素的变化具有鲁棒性的表示。ReCoRe方法则通过添加干预不变正则化器，进一步增强了学习表示对环境变化的鲁棒性。
4.2 语言翻译功能
在语言翻译方面，LLM可以将自然语言信息转换为更结构化的形式。这包括两个主要方面：指令信息转换和环境信息转换。在指令信息转换中，LLM可以将多样化的自然语言指令转换为任务特定的统一格式。例如，STARLING框架使用LLM将自然语言指令转换为游戏信息和示例游戏元数据。
在环境信息转换方面，RLang提供了一个统一的框架，能够将自然语言信息转换为可以表达马尔可夫决策过程所有组成部分的形式化语言。这种转换不仅包括任务目标描述，还涉及奖励、策略、计划等多个方面，帮助智能体更有效地利用环境信息。
5. 大语言模型作为奖励设计器
5.1 隐式奖励模型
如图4(a)所示，LLM可以作为隐式奖励模型通过两种主要方式提供奖励。
（1）直接提示方式，其中LLM基于任务理解和观测直接提供奖励值。例如，通过问答提取模块进行信息检索和总结，以及利用推理模块进行评估，Read and Reward框架显著提升了学习策略的性能和训练速度。Lafite-RL框架则通过设计两个提示，让LLM理解场景并评估智能体行为，从而在智能体与环境的交互过程中提供类似人类反馈的交互式奖励。
（2）对齐评分方式，主要利用视觉语言模型作为零样本奖励模型。这种方法首先计算视觉状态嵌入和语言描述嵌入之间的概率分布，然后通过阈值化获得二值奖励。LAMP框架进一步发展了这一思路，利用预训练的视觉语言模型生成带有噪声但有形状的探索奖励，这些奖励与标准新颖性寻求探索奖励一起优化。
5.2 显式奖励模型
如图4(b)所示，LLM还可以生成可执行的奖励函数代码，明确指定奖励标量的计算过程。这种方法的一个重要优势是能够透明地反映LLM的推理和逻辑过程，便于人类评估和优化。例如，Eureka框架开发了一个包含设计、评估和自我反思的奖励优化算法。在每次迭代中，它使用环境源代码和任务描述从编码LLM中采样不同的奖励函数候选项，这些候选项用于指导强化学习训练。训练结果用于计算候选奖励函数的得分，然后选择最佳奖励函数代码进行反思，LLM利用推理能力逐步改进奖励代码。
Text2Reward框架则采用了另一种方法，它基于环境描述生成形状化的密集奖励函数。考虑到强化学习训练的敏感性和语言的模糊性，该框架通过执行学习到的策略并请求人类反馈来解决策略可能失败的问题，从而相应地优化奖励函数。
6. 大语言模型作为决策者
6.1 动作生成
如图5(a)所示，预训练LLM在离线强化学习中表现出色。研究表明，相比基础决策转换器，预训练LLM在分布外任务完成率上提升了43.6%，在Kitchen和Reacher2d等稀疏奖励环境中提升了50%的性能，在AntMaze导航环境中获得了5倍更高的分数。这些改进主要得益于LLM从预训练中获得的语义理解能力和知识迁移能力。
6.2 动作指导
在动作指导方面，如图5(b)所示，LLM可以通过生成动作候选集和专家动作来提升学习效率。例如，在文本游戏中，LLM可以生成潜在的高奖励动作候选集，显著提升探索效率。SayCan框架展示了如何利用LLM理解任务并生成高层次计划，在执行时，LLM基于任务提示生成动作候选，然后选择具有最大评论家值的候选执行。
在专家动作生成方面，InstructRL使用LLM基于人类指令生成先验策略，并使用这个先验来规范强化学习目标。另一项研究则通过将学生模型和LLM基础教师之间的策略差异纳入强化学习损失函数，显著减少了所需的训练迭代次数。
7. 大语言模型作为生成器
7.1 世界模型模拟器
如图6(a)所示，LLM作为世界模型模拟器的应用主要包括两个方面：轨迹生成和动态表示学习。在轨迹生成方面，预训练大规模模型被用于合成轨迹。例如，IRIS代理使用离散自编码器和自回归Transformer来学习Atari游戏的世界模型，仅用相当于2小时的游戏时间就在26个游戏中的10个上超越了人类水平。
在动态表示学习方面，Dynalang提出了一个代理，通过学习多模态世界模型来预测未来的文本和图像表示，从而指导决策过程。语言接地世界模型（LanGWM）则专注于学习语言接地的视觉特征，通过掩码边界框并根据给定的语言描述预测它们来提升学习特征的泛化能力。
7.2 策略解释器
如图6(b)所示，LLM在策略解释方面发挥着重要作用。State2Explanation框架学习了状态-动作对和基于概念的解释之间的联合嵌入模型，这些解释可以帮助指导智能体训练期间的奖励塑造，并为最终用户提供部署时的见解。另一个框架则将整体奖励分解为基于特定对象属性的多个子奖励，将动作定义为在精确三维位置执行的高级运动原语，并集成LLM以实现交互式和灵活的解释查询。
8. 应用前景与技术挑战
8.1 应用领域
LLM增强的强化学习在多个领域展现出重要应用价值。在机器人技术领域，它可以提升人机交互效率，帮助机器人更好地理解人类需求和行为逻辑。在自动驾驶领域，它能够处理来自多种传感器的数据和复杂的交通规则信息。在能源管理方面，它可以处理包括经济性、安全性和低碳等多个目标的优化问题。在医疗健康领域，它能够更准确地分析患者数据并提供个性化建议。
8.2 技术挑战
这一领域面临的主要挑战包括：LLM的固有限制（如系统偏差和潜在的幻觉）、在强化学习环境中的适应性问题、计算资源需求以及伦理、法律和安全问题。特别需要开发稳健的评估框架来系统地表征和界定LLM在特定强化学习环境中的能力边界。
8.3 未来发展方向
未来的研究机会主要集中在两个方面。在强化学习方面，可以进一步探索多智能体强化学习、安全强化学习、迁移强化学习等专门领域。在LLM方面，可以通过增强外部知识库、提升持续学习能力、改进专用模块等方式提升系统性能。通过这些努力，LLM增强的强化学习有望在更广泛的应用场景中发挥重要作用。