APE 自动化指令集构建与优化实践

背景介绍

Automatic Prompt Engineer (APE) 基于论文《Large Language Models Are Human-Level Prompt Engineers》(2023.3)。其核心思想是通过逆向工程，根据输入和输出样本让模型生成并寻找更优的 Prompt。这种方法旨在减少人工编写指令的成本，并利用大模型自身的能力来优化任务描述。

指令生成策略

Few-Shot 样本设计

作者基于原始输入 + 输出（部分样本仅有输出，如自由生成类任务），让大模型预测原始指令是什么。虽然论文中提到了多种模板，但实际测试表明，只要采用"Few-Shot 样本在前，待生成的指令在最后"的向前生成类型即可。

原始论文使用 text-davinci-002，每个样本使用 5 条 few-shot 样例作为上下文。在实际应用中，可以将生成指令的模型改为 ChatGPT，并根据对话模型的特点调整 Prompt 模板。ChatGPT 相比 Davinci 系列废话较多，需要明确约束其输出格式。

关键经验总结

抽象任务的样本多样性：对于相对抽象、偏生成类的任务，Few-Shot 样本要给够，模型才有可能猜到'无偏'的指令。例如相似新闻标题生成任务，如果样本太少，模型可能只能预测到子集指令。需要根据任务输入输出的多样性程度调整 Few-Shot 样本数。
构建指令样本说人话：样本中的输出应符合作务语意。例如将判断两个标题是否描述同一事件的分类任务，如果输出是'相同/不相同'，模型能准确预测指令；如果输出过于模糊，模型会给出笼统的回答。
不要你以为，要模型以为：在医学术语标准化等任务上对比发现，合理使用的模型生成指令往往比人工编写的指令准确率更高。这可能是因为模型之间的一致性，使得模型生成的指令能提供更精准的任务描述。

指令打分机制

为了评估多组样本生成的多个候选指令的优劣，主要使用两种打分方式：

Accuracy（准确率）

使用模型预测的正确率。例如对于 QA 问题，根据不同指令在相同样本上模型回答的准确率来评价指令的效果。

Log Probability（对数概率）

使用模型预测的 logprobs 作为评价指标。这是一个 Trick：将输入 + 输出 + 指令都喂给模型，计算模型生成原始输出的概率。这解决了生成类任务解码随机性导致不同指令无法比较的问题。

获取 LogProbs 方法：调用 OpenAI 接口时设置 echo=True, logprobs=1，返回所有采样 token 的 logprobs。设置 max_tokens=0 不让模型生成新文本，即可让模型原样返回输入及对应的条件概率。

优化流程

作者加入了随机搜索：过滤低分指令，对高分指令集让模型基于特定模板生成相似指令，排序选出最优。在实际实现中，建议保留人工干预环节：针对得到的高分指令，补充自己认为缺少核心信息后，再次使用 Log Prob 打分评估是否有提升。

代码实现示例

以下是一个简化的 Python 实现框架，展示了如何调用 API 进行指令生成与打分。

import openai
import os
from typing import List, Dict

# 初始化客户端
client = openai.OpenAI(api_key=os.getenv("OPENAI_API_KEY"))

def generate_instruction(input_data: str, output_data: str, few_shots: List[Dict]) -> str:
    """
    基于 Few-Shot 样本生成指令
    """
    prompt_template = """
    请根据以下输入输出样本，推断出最可能的系统指令。
    
    样本 1:
    输入：{input_1}
    输出：{output_1}
    
    样本 2:
    输入：{input_2}
    输出：{output_2}
    
    ... (更多 Few-Shot)
    
    当前样本:
    输入：{input}
    输出：{output}
    
    请仅输出指令内容，不要包含其他解释。
    """
    
    # 填充 Few-Shot 数据
    formatted_few_shots = "\n".join([f"样本{i+1}:\n输入：{s['in']}\n输出：{s['out']}" for i, s in enumerate(few_shots)])
    full_prompt = prompt_template.format(
        input=input_data,
        output=output_data,
        **{f"input_{i+1}": s['in'], f"output_{i+1}": s['out'] for i, s in enumerate(few_shots)}
    )
    
    response = client.chat.completions.create(
        model="gpt-4",  # 或 gpt-3.5-turbo
        messages=[{"role": "user", "content": full_prompt}],
        temperature=0.7
    )
    return response.choices[0].message.content

def score_instruction(instruction: str, input_data: str, output_data: str) -> float:
    """
    使用 Log Probability 评分
    """
    prompt = f"""{instruction}\n输入：{input_data}\n输出：{output_data}"""
    
    response = client.chat.completions.create(
        model="gpt-4",
        messages=[{"role": "user", "content": prompt}],
        echo=True,  # 回显输入
        logprobs=True,
        max_tokens=0  # 不生成新文本
    )
    
    # 提取 logprobs 并计算总和
    total_logprob = sum(token.logprob for token in response.choices[0].logprobs.content_tokens)
    return total_logprob

# 使用示例
if __name__ == "__main__":
    samples = [
        {"in": "输入 A", "out": "输出 A"},
        {"in": "输入 B", "out": "输出 B"}
    ]
    instruction = generate_instruction("输入 X", "输出 X", samples)
    score = score_instruction(instruction, "输入 X", "输出 X")
    print(f"Generated Instruction: {instruction}")
    print(f"Score: {score}")

效果验证

作者在 24 个指令任务上进行了测试，每类任务挑选 5 对样本，使用上述方案得到最优指令，再在剩余样本上与人工指令及 Greedy 方案（无搜索和打分排序的 APE）进行对比。结果显示，APE 的效果在大部分任务上可以打平甚至超越人工指令。在 BigBench 等高难度样本上，APE 在 17/21 个任务上也超越了人工指令。

医疗数据集案例

在 4 个医学数据集上，APE + 人工优化得到的最优指令表现如下：

任务	优化后的指令
搜索意图	生成医学相关问题的答案。给定一个输入问题，需要根据问题生成相应的输出答案。答案包括临床表现、病因、治疗方法、作用、定义等等，如果有多个问题，返回多问
医疗术语标准化	将医学手术名称的术语表述标准化。输入是医学手术的名称，输出是对该手术的名称进行修正、标准化，以供医学专业人员更好地理解
医疗药物功能实体抽取	给定药品信息和用途说明，根据用途说明提取出药品的主治功能
医疗文献 QA 生成	训练一个问答系统，给定一些医学文本，能够回答用户提问关于该文本内容的问题。每个输入 - 输出对是一组文本和对应的问题及答案。输出的形式是 Json 格式

以医学术语标准化为例，通过简化应用界面，可以直接对生成的指令做修改，再 Eval 效果，实现了人机协同的指令优化闭环。

总结

APE 提供了一种自动化的 Prompt 工程路径。通过 Few-Shot 引导生成、LogProb 精确打分以及人工微调，可以有效提升大模型在特定任务上的表现。关键在于理解模型的解码特性，并提供足够多样且语义清晰的样本数据。