工具增强型语言模型的基本原理

大型语言模型（LLM）虽拥有丰富的知识储备，但其信息通常是静态的，固定在其上次训练时的数据上。为了执行需要即时信息、与外部系统交互或专门计算的任务，LLM需要借助工具进行增强。这种增强将LLM从一个复杂的文本生成器，转变为一个能够在多种环境中执行操作的AI代理的思考中枢。

本质上，工具增强型LLM依据委托原则运行。LLM本身不直接执行网页搜索或运行Python代码片段。相反，它利用其高级推理能力来理解何时需要外部工具、哪种特定工具适合该工作以及该工具需要什么输入。在这种情况下，LLM的输出不仅仅是文本答案；它是一个“工具调用”的结构化表示，供外部系统执行。可以将LLM看作一位懂得如何将任务有效委派给专业团队成员（工具）的高级经理。

使用工具系统的结构组成

使LLM能够使用工具的系统通常由几个共同工作的主要组成部分构成：

1. 语言模型（LLM）： 这是主要的推理引擎。它处理用户请求、其当前上下文以及可用工具的描述，以决定行动方案。
2. 工具规格/描述： LLM要使用工具，就必须“了解”它们。工具规格是精心制作的描述（通常在提示中提供），详细说明每个工具的功能、它预期的输入以及其输出格式。我们将在本章后续部分介绍如何有效组织这些内容。
3. 工具调用与执行层： 这是实际执行操作的外部环境。当LLM决定使用某个工具（例如，天气API）时，它会生成一个结构化请求（例如带参数的函数调用）。该层解析请求，调用实际工具或API，并收集结果。
4. 反馈机制： 一旦工具执行完毕，其输出（无论是成功数据还是错误消息）必须返回给LLM。此反馈成为LLM上下文的一部分，使它能够理解操作结果并规划下一步。

操作循环：思考、行动、观察

这些组成部分之间的交互通常遵循一个迭代循环，最显著地在ReAct（推理与行动）等框架中被明确。这个循环使代理能够分解复杂问题并对新信息作出反应：

1. 思考： LLM分析当前目标、现有知识以及先前行动和观察的历史。基于此，它形成一个想法或计划，其中可能包括决定使用特定工具。例如，如果被问到“伦敦天气如何？”，LLM可能会想：“我需要当前天气信息。我应该使用get_weather工具。”

2. 行动： 如果某个工具被认为必要，LLM会生成一个结构化的“行动”命令。这并非自由格式的文本，而是一个精确指令，通常以JSON或执行层可以解析的特定函数调用语法格式呈现。对于天气示例，行动可能是：get_weather(location="London")。

3. 观察： 工具调用层执行此行动。get_weather工具将调用伦敦的天气API。此执行的结果（例如，“15°C，部分多云”）或遇到的任何错误，随后被格式化为“观察结果”并反馈到LLM的上下文中。

这个“思考-行动-观察”循环重复进行。LLM考虑新的观察结果，完善其想法，并决定下一步行动，这可能是使用另一个工具、综合答案或提出一个澄清问题。

工具增强型LLM的迭代循环：思考、行动和观察，由提示指令驱动。

提示：指导工具协调

在这个框架中，提示远不止简单的查询。它们是指示和引导LLM在使用工具方面行为的主要机制。一个设计良好的提示将：

• 定义可用工具： 列出代理可以使用的工具，并清晰描述其功能、所需输入（及其类型）和预期输出格式。例如：

  您可以使用以下工具：
  - `web_search(query: string)`: 根据给定查询搜索网络并返回最相关结果。
  - `run_python_code(code: string)`: 执行提供的Python代码并返回其输出或错误。
  

• 引导工具选择： 指导LLM根据任务决定何时以及使用哪个工具。

• 指定输出格式： 规定LLM在调用工具时必须使用的精确语法，确保工具执行层能够解析它。这可能涉及要求JSON输出或特定的函数调用字符串。

• 管理工具输出处理： 帮助LLM解读工具返回的结果（或错误），并将此信息整合到其持续推理过程中，以决定下一步。

例如，在web_search行动之后，观察结果可能包含一个搜索片段列表。提示随后指导LLM如何使用这些片段来回答原始用户查询，或判断是否需要另一个工具或行动。

从文本生成到可执行指令

工具使用的转变代表了LLM的重大进展。它们不再仅仅生成人类可读的文本，而是学习生成机器可解释的指令。这种方法的优点在于，LLM通常可以学会使用它们从未专门进行微调的工具，仅仅通过理解提示中通过上下文学习提供的工具描述。LLM不仅仅是回忆事实；它正在将其推理能力应用于这些新的工具描述来解决问题。

这种与外部系统交互的能力带来了一系列应用，从能执行研究和总结发现的代理，到能管理您的日程、与电子商务网站交互，甚至通过执行代码并分析输出来帮助调试的代理。

理解这些基本原理很重要。在本章后续部分，我们将介绍有效管理工具交互每个阶段所需的具体提示工程技术：选择正确的工具、格式化其输入、处理其输出以及从错误中恢复。这些技术将帮助您构建真正有能力的AI代理。