Generative AI Agents: Cognitive Architecture for Connecting Models to the Real World

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文章摘要

本文深入解析生成式AI智能体的核心架构，揭示了如何通过模型、工具和编排层三大组件，让AI突破训练数据限制，实现与外部世界的实时交互。文章详细阐述了ReAct推理框架、工具类型及认知架构设计，为企业和科研机构构建自主决策的AI系统提供实践指南。

白皮书pdf：https://t.zsxq.com/U98LM

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一、引言：从模式识别到智能行动

人类在处理复杂的模式识别任务时表现出色，但我们往往需要借助外部工具——书籍、搜索引擎或计算器——来补充先验知识，最终得出结论。与人类相似，生成式AI模型也可以被训练使用工具来访问实时信息或建议实际行动。

1.1 智能体的现实应用场景

想象这样的场景：一个AI模型通过数据库检索工具访问客户的购买历史，从而生成个性化的购物推荐；或者根据用户查询，模型可以调用多个API来代表您发送电子邮件回复同事，甚至完成金融交易。

要实现这些功能，模型不仅需要访问一系列外部工具，还需要具备以自主方式规划和执行任务的能力。这种将推理、逻辑和外部信息访问能力连接到生成式AI模型的组合，引出了**智能体（Agent）**的概念——一个超越生成式AI模型独立能力的程序系统。

1.2 智能体的核心价值

智能体的价值在于：

• 自主性

  ：能够独立于人类干预而行动

• 目标导向

  ：在明确目标指引下自主决策

• 主动推理

  ：即使没有明确的人类指令，也能推理下一步行动

• 工具整合

  ：连接外部系统和数据源，扩展能力边界

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二、智能体的本质定义与认知架构

2.1 什么是智能体？

在最基本的形式中，生成式AI智能体可以定义为：一个通过观察世界并使用其可用工具对世界采取行动来尝试达成目标的应用程序。

智能体具有以下关键特征：

1. 自主性

   ：当提供适当的目标或目的时，能够独立于人类干预而行动

2. 主动性

   ：即使在没有人类明确指令集的情况下，也能推理应该采取什么行动来达成最终目标

3. 适应性

   ：能够根据环境反馈调整行动策略

2.2 认知架构的三大核心组件

为了理解智能体的内部运作机制，我们需要了解驱动智能体行为、行动和决策的基础组件。这些组件的组合可以被描述为认知架构（Cognitive Architecture）。

2.2.1 模型（The Model）

在智能体的范畴内，模型是指将被用作智能体流程集中决策者的语言模型（LM）。

模型的特点：

• 规模灵活

  ：可以是一个或多个任意规模（小型/大型）的语言模型

• 推理能力

  ：能够遵循基于指令的推理和逻辑框架，如ReAct、思维链（Chain-of-Thought）或思维树（Tree-of-Thoughts）

• 多样化选择

  ：可以是通用型、多模态或根据特定智能体架构需求进行微调的模型

模型选择的最佳实践：
为了获得最佳生产结果，您应该选择最适合目标应用的模型，理想情况下，该模型应该在与您计划在认知架构中使用的工具相关的数据特征上进行过训练。

值得注意的是，模型通常不会使用智能体的特定配置设置（即工具选择、编排/推理设置）进行训练。但是，可以通过提供展示智能体能力的示例来进一步优化模型，包括智能体在各种上下文中使用特定工具或推理步骤的实例。

2.2.2 工具（The Tools）

尽管基础模型在文本和图像生成方面表现出色，但它们仍然受到无法与外部世界交互的限制。工具弥合了这一差距，使智能体能够与外部数据和服务交互，同时解锁超越底层模型单独能力的更广泛行动范围。

工具的形式与功能：

• API方法

  ：通常与常见的Web API方法（如GET、POST、PATCH和DELETE）保持一致

• 多样化操作

  ：可以更新数据库中的客户信息，或获取天气数据以影响智能体向用户提供的旅行建议

• RAG支持

  ：支持检索增强生成（RAG）等专业系统，显著扩展智能体在基础模型之外的能力

工具是智能体内部能力与外部世界之间的桥梁，解锁了更广泛的可能性。

2.2.3 编排层（The Orchestration Layer）

编排层描述了一个循环过程，该过程管理智能体如何接收信息、执行内部推理，并使用该推理来指导其下一步行动或决策。通常，这个循环将持续进行，直到智能体达成目标或停止点。

编排层的复杂性级别：

• 简单模式

  ：可以是带有决策规则的简单计算

• 复杂模式

  ：可能包含链式逻辑、涉及额外的机器学习算法或实施其他概率推理技术

编排层的复杂性取决于智能体及其执行的任务。

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三、ReAct推理框架：智能体的思维方式

3.1 ReAct框架概述

ReAct（Reasoning and Acting）是智能体编排层中最重要的推理框架之一。它将推理和行动有机结合，使智能体能够系统性地解决复杂问题。

3.2 ReAct循环的工作流程

一个完整的ReAct循环包含以下步骤：

1. 用户查询输入

   ：接收用户的原始问题

2. 智能体初始化

   ：加载配置和可用工具

3. ReAct推理循环

• a. 思考（Thought）

  模型对当前状态的内部推理

• b. 行动（Action）

  模型决定使用哪个工具

• c. 行动输入（Action Input）

  模型决定向工具提供什么输入（如果有）

• d. 观察（Observation）

  行动/行动输入序列的结果

• e. 循环迭代

  思考/行动/行动输入/观察可以根据需要重复N次

• f. 最终答案（Final Answer）

  模型对原始用户查询提供的最终答案

4. 结果返回

   ReAct循环结束，向用户返回最终答案

3.3 ReAct框架的实际应用案例

如图2所示，模型、工具和智能体配置协同工作，根据用户的原始查询向用户提供基于事实的简明响应。虽然模型可以根据其先验知识猜测答案（产生幻觉），但它选择使用工具（例如航班查询系统）搜索实时外部信息。这些额外信息提供给模型后，使其能够基于真实事实数据做出更明智的决策，并将这些信息总结后返回给用户。

3.4 影响智能体响应质量的关键因素

总结而言，智能体响应的质量可以直接与以下因素关联：

• 模型的推理和行动能力
• 选择正确工具的能力
• 工具定义的完善程度

就像厨师用新鲜食材精心烹饪菜肴并关注客户反馈一样，智能体依赖于可靠的推理和可信的信息来提供最佳结果。

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四、工具体系：通向外部世界的钥匙

4.1 为什么需要工具？

虽然语言模型擅长处理信息，但它们缺乏直接感知和影响现实世界的能力。这限制了它们在需要与外部系统或数据交互的情况下的实用性。从某种意义上说，语言模型的好坏取决于它从训练数据中学到了什么。

但无论我们向模型投入多少数据，它们仍然缺乏与外部世界交互的基本能力。那么，我们如何赋能模型实现与外部系统的实时、上下文感知交互？**函数（Functions）、扩展（Extensions）、数据存储（Data Stores）和插件（Plugins）**都是为模型提供这一关键能力的方式。

4.2 三大主要工具类型

截至本出版物发布之日，Google模型能够交互的三种主要工具类型是：扩展（Extensions）、函数（Functions）和数据存储（Data Stores）。

4.2.1 扩展（Extensions）

定义与功能：
扩展在智能体和外部API之间架起桥梁，使智能体能够执行API调用并检索实时信息。

应用场景：

• 调整智能家居设置
• 更新日历
• 从数据库获取用户信息
• 根据特定指令集发送电子邮件

4.2.2 函数（Functions）

定义与功能：
函数通过分工为开发人员提供更细致的控制，允许智能体生成函数参数，这些参数可以在客户端执行。

优势：

• 更精细的控制粒度
• 客户端执行灵活性
• 参数生成的智能化

4.2.3 数据存储（Data Stores）

定义与功能：
数据存储为智能体提供对结构化或非结构化数据的访问能力，支持数据驱动的应用程序。

应用价值：

• 访问企业知识库
• 检索历史记录
• 支持复杂的数据分析任务

4.3 工具集成的最佳实践

通过为智能体配备工具，我们不仅释放了它们理解世界的巨大潜力，还赋予了它们对世界采取行动的能力。这三种工具类型各有其目的，可以根据智能体开发人员的判断单独使用或组合使用。

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五、认知架构设计：构建高效智能体系统

5.1 推理技术的多样性

除了ReAct框架外，智能体还可以采用其他推理技术：

5.1.1 思维链（Chain-of-Thought）

• 将复杂问题分解为步骤序列
• 逐步推理，提高准确性
• 适合需要多步计算的任务

5.1.2 思维树（Tree-of-Thoughts）

• 探索多个推理路径
• 评估不同解决方案的可行性
• 适合需要创造性思维的复杂问题

5.2 状态转换与决策机制

智能体可以利用一个或多个语言模型来决定何时以及如何在状态之间转换，并使用外部工具完成任何数量的复杂任务，这些任务对于模型单独完成来说是困难或不可能的。

5.3 编排层的核心作用

在智能体运作的核心是编排层——一种认知架构，它构建推理、规划、决策并指导其行动。各种推理技术（如ReAct、思维链和思维树）为编排层提供了框架，使其能够接收信息、执行内部推理并生成明智的决策或响应。

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六、智能体能力的核心总结

6.1 三大基础能力扩展

智能体通过以下方式扩展语言模型的能力：

1. 工具利用

   ：访问实时信息和建议实际行动

2. 任务规划

   ：自主规划和执行复杂任务

3. 多模型协作

   ：利用一个或多个语言模型实现状态转换和工具使用

6.2 认知架构的结构化设计

编排层作为智能体的"大脑"，其认知架构具有以下特点：

• 结构化推理流程
• 系统化规划能力
• 智能化决策机制
• 灵活的行动指导

6.3 工具生态系统

三类工具共同构成了智能体通向外部世界的钥匙：

• 扩展（Extensions）

  ：连接外部API，执行API调用，检索实时信息

• 函数（Functions）

  ：通过分工提供细致控制，智能体生成参数并在客户端执行

• 数据存储（Data Stores）

  ：访问结构化或非结构化数据，支持数据驱动应用

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七、未来展望：智能体技术的演进方向

7.1 技术成熟度与发展潜力

智能体的未来充满令人兴奋的进展，而我们才刚刚开始触及可能性的表面。随着工具变得更加复杂和推理能力的增强，智能体将被赋能去解决日益复杂的问题。

7.2 关键发展方向

1. 工具复杂度提升

• 更智能的API集成
• 更丰富的数据访问能力
• 更强大的执行能力

2. 推理能力增强

• 更深层的逻辑推理
• 更准确的决策制定
• 更灵活的问题解决

3. 应用场景拓展

• 企业级自动化
• 科研辅助系统
• 智能客户服务
• 金融交易决策

7.3 对企业和科研机构的启示

实施建议：

1. 明确目标场景

   ：根据业务需求选择合适的智能体架构

2. 工具生态建设

   ：构建完善的工具库和API接口

3. 模型选择优化

   ：选择或训练适合特定任务的语言模型

4. 持续迭代改进

   ：基于实际应用反馈优化智能体性能

投资价值评估：

• 自动化潜力：显著降低人工成本
• 决策质量：基于实时数据的精准决策
• 扩展性：轻松适应业务变化
• 创新能力：支持新型应用场景开发

八、结语

生成式AI智能体代表了人工智能技术的重要演进方向。通过模型、工具和编排层的有机结合，智能体能够突破传统语言模型的限制，实现与真实世界的深度交互。

对于企事业单位和科研院所而言，理解和掌握智能体技术将是把握AI应用浪潮的关键。无论是提升运营效率、优化决策流程，还是开拓创新应用，智能体技术都

将提供强有力的技术支撑。

从技术实现的角度看,智能体架构并非一蹴而就,而是需要在实践中不断优化和完善。建议从小规模试点项目开始,逐步积累经验,形成适合自身业务特点的智能体开发方法论。同时,要重视数据安全和隐私保护,确保智能体在赋能业务的同时符合监管要求。

展望未来,随着多模态模型、强化学习和自主学习能力的进步,智能体将变得更加智能和自主。它们不仅是执行工具,更将成为真正的智能助手,与人类协同工作,共同创造更大的价值。

​最后

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