夕小瑶科技说 原创
作者 | Richard
随着大语言模型的发展，处理长文本的能力成为了一个重要挑战。虽然有许多方法试图解决这个问题，但都存在不同程度的局限性。最近，阿里巴巴的研究团队提出了一个名为GraphReader的新方法，通过将长文本组织成图结构，并利用智能体来探索这个图，成功提升了模型处理长文本的能力。
GraphReader的核心思想是将长文本分解成关键元素和原子事实，构建成一个图，然后让智能体在这个图中探索和推理。这种方法不仅能有效处理超长文本，还在多跳问答等复杂任务上取得了优异表现。与目前主流的长文本处理方法相比，GraphReader展现出更强的扩展性和鲁棒性。
这个创新方法为大语言模型处理长文本开辟了新的思路，有望在各种需要长文本理解的应用场景中发挥重要作用。接下来，让我们一起深入了解GraphReader的原理和优势。
论文标题：
GraphReader: Building Graph-based Agent to Enhance Long-Context Abilities of Large Language Models
论文链接：
https://arxiv.org/pdf/2406.14550
随着人工智能技术的快速发展，大语言模型在各种自然语言处理任务中展现出惊人的能力。然而，处理长文本仍然是一个棘手的问题。现有的方法往往受限于固定的上下文窗口大小，难以有效处理超长文本或需要多步推理的复杂任务。
目前，解决长文本处理问题的方法主要包括模型层面的优化、检索增强生成（RAG）和基于智能体的方法。但这些方法都存在各自的局限性，如需要大量计算资源、难以捕捉长距离依赖关系，或在处理极长文本时效果下降。
面对这些挑战，阿里巴巴的研究团队提出了GraphReader方法。GraphReader通过将长文本组织成图结构，并利用智能体在图中探索，成功提升了模型处理长文本的能力。在LV-Eval数据集上，GraphReader在各种长度的文本（从16k到256k tokens）上都显著优于其他方法，包括GPT-4-128k。特别是在处理256k tokens长度的文本时，GraphReader仍然保持了较高的性能，而其他方法的性能则大幅下降。
GraphReader为长文本处理提供了创新思路，通过智能组织信息和探索策略，有效突破了传统方法的限制。它不仅能处理超长文本，还在复杂的多跳问答任务中表现出色，为大模型处理长文本提供了一种新的方法。
GraphReader方法的核心在于将长文本转化为图结构，并通过智能体在图中进行探索。GraphReader整体的流程如下图所示，整体可以分为图构建与图探索：
这个过程始于图的构建。首先将长文本分割成最大长度为 的块，保留段落结构。对每个块，GraphReader提取原子事实和关键元素。
原子事实是最小的、不可分割的事实单元，以简洁的句子形式呈现。
关键元素则包括重要的名词、动词和形容词。
构建完图后，GraphReader初始化智能体来探索这个图。
智能体首先根据问题制定一个理性计划，这个计划会分步骤解析问题，确定需要收集的关键信息。
然后，智能体从所有节点中选择最相关的N个节点作为起点。
下图展示了智能体的探索过程，它会探索原子事实、文本块和相邻节点，不断更新笔记本中的信息。这个过程通过一系列预定义的函数来实现，如 read_chunk、stop_and_read_neighbor、search_more 等。
在探索过程中，智能体采用粗到细的策略，先阅读原子事实，再根据需要阅读原始文本块。当智能体探索原子事实时，它可以选择 read_chunk 函数来读取相关的文本块，或者选择 stop_and_read_neighbor 函数来探索相邻节点。
最后，GraphReader根据笔记本中记录的信息进行推理，生成最终的答案。这个过程结合了多路径探索的结果，能够处理复杂的多跳问题。智能体会分析每条探索路径的笔记本内容，考虑其他笔记中的补充信息，并使用多数投票策略解决任何不一致，最终综合所有可用信息生成答案。
通过这种方法，GraphReader能够在有限的上下文窗口内灵活地处理长文本和复杂推理任务。它不仅能有效捕捉长距离依赖关系，还能在多跳问答等任务上展现出优异的性能。
GraphReader在多个实验中展现出了卓越的性能，证明了它在处理长文本和复杂推理任务方面的强大能力。
首先，在多跳问答任务上，GraphReader表现出色。在HotpotQA、2WikiMultihopQA和MuSiQue这三个数据集上，GraphReader均取得了最佳性能。特别值得注意的是，GraphReader仅使用4k的上下文窗口，就超越了包括GPT-4-128k在内的所有基线方法。例如，在HotpotQA数据集上，GraphReader的LR-1和LR-2评分分别达到84.3%和89.7%，而GPT-4-128k的评分为83.3%和88.3%。这一结果充分证明了GraphReader在处理复杂推理任务时的优势。
在单跳长文本问答任务上，GraphReader同样表现优异。在NarrativeQA数据集上，GraphReader的LR-1和LR-2评分分别为65.0%和80.0%，显著高于其他方法。这证明了GraphReader不仅在多跳任务上有优势，在处理长文本的单跳问题上也表现出色。
GraphReader在超长文本处理上展现出较好的表现。在HotpotWikiQA-mixup数据集上，GraphReader在从16k到256k不同长度的文本上都保持了优异的性能。特别是在256k长度的文本上，GraphReader的LR-1和LR-2评分分别为30.0%和38.0%，而GPT-4-128k的评分仅为14.0%和16.0%。
下图进一步展示了GraphReader在不同文本长度下的支持事实召回率。可以看到，随着文本长度的增加，所有方法的召回率都有所下降，但GraphReader的下降幅度最小。在256k长度的文本上，GraphReader仍然保持约60%的召回率，而其他方法的召回率大幅下降。
为了深入理解GraphReader的工作机制，研究团队还进行了详细的功能调用分析和图结构统计。在不同类型的任务中，GraphReader会采用不同的功能调用模式。例如，在多跳问答任务中，读取相邻节点是最常用的操作，而在单跳问答任务中，读取文本块是最频繁的操作。这种灵活的调用策略使GraphReader能够适应不同类型的问题。
下表展示了构建的图结构统计数据。可以看到，随着文本长度的增加，图中的节点数和原子事实数也相应增加。平均每个节点有约10个相邻节点，每个节点平均关联2个原子事实。这种结构使得GraphReader能够有效地组织和利用长文本中的信息。
总的来说，这些实验结果充分证明了GraphReader在处理长文本和复杂推理任务方面的卓越能力。它不仅在各种长度的文本上都表现出色，而且在多跳和单跳问答任务中都展现出了显著的优势。GraphReader的这种"魔法"般的表现，为长文本处理领域带来了新的可能性。
GraphReader为长文本处理开辟了一条创新之路。通过将长文本组织成图结构，并利用智能体进行探索，它成功突破了传统方法的限制。实验结果表明，GraphReader不仅能处理超长文本，还在复杂的多跳问答任务上表现出色，甚至超越了GPT-4-128k等强大模型。
尽管取得了显著成果，GraphReader仍有进一步改进的空间。未来的研究方向可以包括：优化图的构建和探索过程以提高效率；验证GraphReader在其他长文本处理任务中的效果；探索与其他先进自然语言处理技术的结合；以及开发开源版本以促进更广泛的应用和改进。
总的来说，GraphReader为解决长文本处理这一关键挑战提供了一个有前景的解决方案。随着进一步的研究和优化，它有望在各种需要长文本理解的应用场景中发挥重要作用，推动自然语言处理技术的进一步发展。
