1. NL2SQL現(xiàn)狀

自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)SQL（nl2sql）技術(shù)是指自然語(yǔ)言查詢轉(zhuǎn)化為SQL查詢，降低普通用戶和專家用戶在訪問(wèn)海量數(shù)據(jù)集和獲取數(shù)據(jù)分析結(jié)果時(shí)的門檻。

1.1 我們目前處于何方？

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上圖展示了過(guò)去二十年nl2sql方法的演進(jìn)歷程，從基于規(guī)則的方法，到基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，再到可調(diào)的預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型（PLMs），直至大型語(yǔ)言模型（LLMs），整個(gè)過(guò)程伴隨著數(shù)據(jù)集的發(fā)展，比如Spider和BIRD等基準(zhǔn)測(cè)試的發(fā)展。

LLMs（如GPT-4和Llama2）相較于PLMs（如GPT-2和BART）是規(guī)模更大的語(yǔ)言模型，展現(xiàn)出更深層次的語(yǔ)言理解能力。在nl2sql 任務(wù)中應(yīng)用PLMs需要在特定任務(wù)的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行微調(diào)，而利用LLMs則可以通過(guò)提示（上下文學(xué)習(xí)）或僅對(duì)開(kāi)源LLMs進(jìn)行微調(diào)（即SFT）。

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上圖對(duì)比了基于PLM（藍(lán)點(diǎn)）和基于LLM（綠點(diǎn)）的nl2sql模型在Spider排行榜上的準(zhǔn)確率。

可以看出基于LLM的nl2sql模型自2023年2月（DINSQL + CodeX）起便與基于PLM的模型展現(xiàn)出相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確率。

然而，隨著LLMs的迅猛發(fā)展，基于LLM和PLM模型之間的性能差距正在擴(kuò)大，表明了基于LLM方法優(yōu)勢(shì)十分明顯。

1.2 基于LLM的模型是否明顯勝出？

根據(jù)上圖，是否可以斷定基于LLM的模型是所有nl2sql應(yīng)用的“首選”？換句話說(shuō)，總是選擇排行榜首位的模型是否總是最佳策略？

討論這一問(wèn)題前，作者分析了商業(yè)化場(chǎng)景的一些特征：

?多樣化的數(shù)據(jù)領(lǐng)域（Various Data Domains）：類似Tableau 這樣的BI平臺(tái)通常涵蓋多個(gè)領(lǐng)域（如電影、體育等），每個(gè)領(lǐng)域都有其獨(dú)特的架構(gòu)和術(shù)語(yǔ)。理想的nl2sql模型必須能夠在這些不同領(lǐng)域間靈活轉(zhuǎn)換，同時(shí)針對(duì)每個(gè)特定領(lǐng)域進(jìn)行調(diào)整，以有效滿足即時(shí)需求。

?復(fù)雜的SQL操作（Complex SQL operations）：實(shí)際應(yīng)用中往往需要執(zhí)行包含多個(gè)JOIN、嵌套查詢和聚合函數(shù)等高級(jí)操作的復(fù)雜SQL查詢。準(zhǔn)確生成這些復(fù)雜查詢的能力是衡量nl2sql模型性能的重要指標(biāo)。

?新興的語(yǔ)言現(xiàn)象（New Linguistic Phenomena）：對(duì)于同一查詢意圖，不同用戶可能會(huì)使用不同的縮寫、同義詞和問(wèn)題風(fēng)格提出問(wèn)題。因此，nl2sql模型準(zhǔn)確解讀各種自然語(yǔ)言查詢變體的能力至關(guān)重要。

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上圖從多個(gè)維度對(duì)比了Spider開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)集上的SOTA PLM和LLM模型，評(píng)價(jià)指標(biāo)是執(zhí)行準(zhǔn)確性（Execution-Accuracy）。

?多樣化的數(shù)據(jù)領(lǐng)域（Various Data Domains）：上圖（a）在競(jìng)賽領(lǐng)域內(nèi)比較了不同模型。結(jié)果表明基于微調(diào)的LLM/PLM方法全面超越了所有基于提示的LLM方法。表現(xiàn)最佳的基于PLM的方法RESDSQL-3B+NatSQL，達(dá)到了83.9%的執(zhí)行準(zhǔn)確率，比表現(xiàn)最佳的基于提示的LLM方法DAILSQL（搭配GPT-4）高出3.3個(gè)百分點(diǎn)。結(jié)果表明，微調(diào)是提升nl2sql模型領(lǐng)域適應(yīng)能力的關(guān)鍵策略。

?復(fù)雜的SQL操作（Complex SQL operations）：上圖(b)比較了僅包含JOIN操作符的SQL查詢用例中的不同模型?；赑LM的方法RESDSQL-3B+NatSQL位居榜首，超越了所有基于LLM的方法。然而，當(dāng)比較僅包含嵌套SQL查詢的用例時(shí)，基于LLM的方法通常優(yōu)于基于PLM的方法。

?新興的語(yǔ)言現(xiàn)象（New Linguistic Phenomena）：比較了不同語(yǔ)言現(xiàn)象下方法的平均準(zhǔn)確率（例如，“返回所有消費(fèi)總額超過(guò)1000的客戶”與“消費(fèi)超過(guò)1000的客戶名單是什么？”）。上圖(d)顯示，盡管兩種類型的方法都表現(xiàn)良好，但微調(diào)的LLM和PLM在nl2sql任務(wù)上優(yōu)于基于提示的LLM。主要是因?yàn)槲⒄{(diào)模型能更好地將不同的查詢變體與數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)相匹配。

所以，并非所有情況都適用同一解決方案；也就是說(shuō)，即使是目前最強(qiáng)大的LLM GPT-4支持的模型，也沒(méi)有一個(gè)nl2sql模型能在所有不同的使用場(chǎng)景中都成為明顯的贏家。真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景遠(yuǎn)比公共nl2sql基準(zhǔn)測(cè)試（如Spider和BIRD）所能考察的要復(fù)雜得多。因此，迫切需要能夠從不同角度系統(tǒng)評(píng)估給定基準(zhǔn)上nl2sql模型的工具。

1.3 全局視角看NL2SQL

根據(jù)文章最開(kāi)始的進(jìn)化樹(shù)，NL2SQL可以分為四大流派：

? 基于規(guī)則的方法：早期研究依賴于預(yù)設(shè)規(guī)則或語(yǔ)義解析器。例如，NaLIR利用句法解析器和手工規(guī)則將自然語(yǔ)言查詢轉(zhuǎn)換為SQL查詢。但這些方法在適應(yīng)性、擴(kuò)展性和泛化力上存在局限。

? 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將自然語(yǔ)言查詢譯為SQL查詢。隨之發(fā)布了若干大規(guī)?；鶞?zhǔn)數(shù)據(jù)集，例如WikiSQL和Spider。相繼開(kāi)發(fā)了諸如IRNet的序列到序列nl2sql方法。IRNet通過(guò)編碼器對(duì)自然語(yǔ)言查詢和數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)進(jìn)行編碼，并借助解碼器生成SQL查詢。

? 基于PLM的方法：隨著Transformer的問(wèn)世和Spider數(shù)據(jù)集的推出，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法迅速崛起，BERT和T5等模型開(kāi)啟了預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型的新紀(jì)元，在基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上屢創(chuàng)佳績(jī)。例如，RESDSQL，作為Spider排行榜的佼佼者，采用兩階段框架：先從自然語(yǔ)言查詢中識(shí)別相關(guān)架構(gòu)元素，再構(gòu)建SQL查詢。

? 基于LLM的方法：ChatGPT和GPT-4等大型語(yǔ)言模型的出現(xiàn)，徹底革新了nl2sql解決方案。如今，基于LLM的方法已在nl2sql領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。以DAIL-SQL為例，它借助GPT-4和提示工程，在Spider數(shù)據(jù)集上取得了不俗的成績(jī)。

NL2SQL系統(tǒng)的關(guān)鍵組件

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上表根據(jù)核心模型和若干關(guān)鍵組件對(duì)當(dāng)前領(lǐng)先的nl2sql方法進(jìn)行了分類。

2. NL2SQL360：NL2SQL的全方位測(cè)試平臺(tái)

為了更好的、系統(tǒng)性的測(cè)評(píng)NL2SQL任務(wù)，作者推出了NL2SQL測(cè)評(píng)平臺(tái)。

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上圖展示了NL2SQL360測(cè)試平臺(tái)框架，由六個(gè)核心組件構(gòu)成：

? 基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集。匯集了多種廣泛采用的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，包括Spider 、BIRD 、Spider-Realistic 、Dr.Spider 、KaggleDBQA 、WikiSQL 等。

? 模型庫(kù)。收錄了一系列在Spider和BIRD排行榜上表現(xiàn)出色的競(jìng)爭(zhēng)性開(kāi)源NL2SQL模型，主要包括基于LLM和PLM的方法。

? 數(shù)據(jù)集篩選器。傳統(tǒng)評(píng)估方法通過(guò)計(jì)算整個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的平均性能，忽略了不同場(chǎng)景下NL2SQL的細(xì)微差別。為彌補(bǔ)這一不足，精心挑選了特定的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集子集，包括特定的數(shù)據(jù)庫(kù)、自然語(yǔ)言查詢和SQL查詢，以凸顯查詢復(fù)雜性、數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)多樣性以及SQL特性（如JOIN操作或嵌套查詢）等獨(dú)特要素。因此，在NL2SQL360中引入了數(shù)據(jù)集篩選機(jī)制。這使得測(cè)試數(shù)據(jù)集能夠根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)被劃分為更加專注的子集：

? (1) 場(chǎng)景一：
SQL復(fù)雜度。
根據(jù)復(fù)雜度對(duì)SQL查詢進(jìn)行分類，從簡(jiǎn)單查詢到包含多個(gè)子句和條件的復(fù)雜查詢。
分類標(biāo)準(zhǔn)遵循Spider的準(zhǔn)則，目的是評(píng)估NL2SQL方法處理不同難度SQL的能力。

? (2) 場(chǎng)景二：
SQL特性。
檢驗(yàn)主要利用特定特性的SQL查詢，例如JOIN操作、子查詢或聚合函數(shù)。
通過(guò)基于這些特性對(duì)查詢進(jìn)行分類，評(píng)估NL2SQL系統(tǒng)處理不同SQL功能的能力。
例如，商業(yè)智能平臺(tái)經(jīng)常需要處理包含嵌套子查詢的分析型查詢。

? 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。采納了廣受認(rèn)可的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

? 采用執(zhí)行準(zhǔn)確度（EX）與完全匹配準(zhǔn)確度（EM）來(lái)評(píng)價(jià)生成的SQL查詢的效果。

? 利用有效效率得分（VES）來(lái)衡量生成有效SQL查詢的效率。

? 查詢變異性測(cè)試更全面地評(píng)估nl2sql解決方案處理自然語(yǔ)言查詢變化時(shí)的穩(wěn)定性與適應(yīng)性

? 評(píng)估工具。根據(jù)日志中的數(shù)據(jù)，評(píng)估工具自動(dòng)生成定量評(píng)估報(bào)告，并以表格或排行榜等直觀格式展示。配備了可視化工具和儀表板，支持用戶進(jìn)行交互式分析，輕松比較不同nl2sql解決方案在數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域和SQL特性等方面的性能表現(xiàn)。

3. LLM好還是PLM好？

作者采用了Spider 和 BIRD 的開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別包含1034和1534個(gè)自然語(yǔ)言與SQL樣本。BIRD數(shù)據(jù)集的SQL結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，涵蓋了Spider未包含的CASE、IIF等關(guān)鍵字，增加了對(duì)模型自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)SQL能力的挑戰(zhàn)。此外，BIRD中的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)也比Spider更為復(fù)雜。

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3.1 測(cè)評(píng)基準(zhǔn)

3.1.1 4種基于LLM提示工程的基準(zhǔn)方法

? (1) DINSQL：將SQL查詢生成分解為多個(gè)子任務(wù)，并為每個(gè)子任務(wù)設(shè)計(jì)了特定的提示，以指導(dǎo)GPT-4生成最終的SQL查詢。

? (2) DAILSQL：以SQL代碼風(fēng)格對(duì)問(wèn)題和數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)進(jìn)行編碼，根據(jù)結(jié)構(gòu)和查詢的相似性選擇少量示例，這些元素被整合成一個(gè)高效的提示，引導(dǎo)GPT-4進(jìn)行操作。

? (3) DAILSQL(SC) ：DAILSQL的自我一致性（SC，Self Consistence）策略后處理版本。

? (4) C3SQL ：結(jié)合了模式鏈接過(guò)濾（schema linking filterin）和為GPT-3.5定制的校準(zhǔn)偏差提示，用于生成SQL查詢，并采用自我一致性策略（SC，Self Consistence）進(jìn)行后處理。

33.1.2 9種基于finetune的LLM方法

? (5-8) SFT CodeS (1B/3B/7B/15B)  是基于StarCoder ，使用大量SQL相關(guān)語(yǔ)料庫(kù)逐步預(yù)訓(xùn)練的，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，使用了與Spider或BIRD數(shù)據(jù)集微調(diào)的SFT CodeS。實(shí)驗(yàn)中包含了SFT CodeS家族的四個(gè)版本。

? (9) Llama2-7B 采用優(yōu)化的Transformer作為自回歸語(yǔ)言模型，由Meta在龐大的語(yǔ)料庫(kù)上預(yù)訓(xùn)練。

? (10) Llama3-8B 在超過(guò)15T的令牌數(shù)據(jù)上訓(xùn)練，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集規(guī)模是Llama 2的7倍，包括4倍多的代碼。

? (11) StarCoder-7B 是一個(gè)代碼LLM，已在GitHub上許可的數(shù)據(jù)上進(jìn)行訓(xùn)練，包括超過(guò)80種編程語(yǔ)言的代碼。

? (12) CodeLlama-7B 是Llama2的增強(qiáng)版，通過(guò)在代碼庫(kù)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行額外訓(xùn)練進(jìn)行了優(yōu)化。

? (13) Deepseek-Coder-7B 在項(xiàng)目級(jí)代碼語(yǔ)料庫(kù)和填空任務(wù)上進(jìn)行訓(xùn)練，以提升代碼補(bǔ)全能力。

3.1.3 7種基于PLM的自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)SQL方法

? (1) Graphix-3B+PICARD 將預(yù)訓(xùn)練的T5-3B變換器與圖感知增強(qiáng)集成，用于自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)SQL任務(wù)，并利用PICARD 提高性能。

? (2-4) RESDSQL(Base/Large/3B) 引入了排名增強(qiáng)編碼和骨架感知解碼，將模式鏈接與骨架解析分離。

? (5-7) RESDSQL(Base/Large/3B)+NatSQL 結(jié)合了NatSQL 以獲得更好性能的版本。實(shí)驗(yàn)中使用了六個(gè)版本的RESDSQL家族模型。

3.2 實(shí)驗(yàn)一：微調(diào)是否必要？

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從執(zhí)行準(zhǔn)確度（EX）的視角來(lái)看（上面兩圖分別展示了Spider數(shù)據(jù)集和Bird數(shù)據(jù)集上結(jié)果），基于LLM的方法在不同難度的子集中均超越了基于PLM的方法。特別是在BIRD測(cè)試數(shù)據(jù)集中，DAILSQL(SC)在挑戰(zhàn)性子集上的表現(xiàn)超過(guò)了基于LLM的最新最佳方法SFT CodeS15B，這可能是由于GPT-4在推理能力上的顯著優(yōu)勢(shì)。

從精確匹配準(zhǔn)確度（EM）的角度分析，經(jīng)過(guò)監(jiān)督微調(diào)的基于LLM的方法通常比基于提示的LLM方法展現(xiàn)出更高的EM性能。微調(diào)之后，無(wú)論是基于LLM還是PLM的模型，其輸出都更加貼近特定數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)分布，從而能夠預(yù)測(cè)出與該數(shù)據(jù)集中相似的SQL結(jié)構(gòu)。

洞察1：微調(diào)是提升性能的必由之路。特別是，經(jīng)過(guò)微調(diào)的基于LLM的方法在執(zhí)行準(zhǔn)確度（EX）指標(biāo)上取得了最優(yōu)的整體表現(xiàn)，而基于PLM的方法在精確匹配準(zhǔn)確度（EM）指標(biāo)上整體表現(xiàn)最為出色。

3.3 實(shí)驗(yàn)二：精確度與SQL特性的較量

在真實(shí)場(chǎng)景中，經(jīng)常需要構(gòu)建包含諸如子查詢、邏輯連接器、排序（ORDER BY）以及多重連接（JOIN）等高級(jí)操作的SQL查詢。

因此，將檢驗(yàn)自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)SQL模型在生成具有不同特性的SQL查詢方面的精準(zhǔn)度。

所以，根據(jù)四個(gè)維度對(duì)SQL查詢進(jìn)行分類：

? (1) 是否包含子查詢

? (2) 邏輯連接器的數(shù)量

? (3) 是否使用排序功能

? (4) 連接操作的次數(shù)

NL2SQL360能夠根據(jù)單個(gè)SQL子句、它們的組合或用戶自定義的條件來(lái)過(guò)濾SQL查詢。展示了四個(gè)具有代表性的維度。

3.3.1 實(shí)驗(yàn)2.1：子查詢的挑戰(zhàn)

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從上面兩個(gè)可以看出，在涉及子查詢的情況下，所有方法的表現(xiàn)都不盡如人意，表明通過(guò)子查詢進(jìn)行邏輯推理是一個(gè)難題。

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上圖揭示了在沒(méi)有子查詢的情況下，基于LLM的方法在Spider數(shù)據(jù)集上略微領(lǐng)先于基于PLM的方法，而在BIRD數(shù)據(jù)集上則平均表現(xiàn)顯著更佳。

當(dāng)存在子查詢時(shí)，基于LLM的方法在兩個(gè)數(shù)據(jù)集上都大放異彩。這是因?yàn)闃?gòu)建帶有子查詢的SQL語(yǔ)句要求模型先深入理解子查詢，再生成完整的SQL語(yǔ)句，這對(duì)模型的邏輯推理能力提出了高要求。

所有基于LLM的方法，尤其是那些由GPT-4驅(qū)動(dòng)的，處理子查詢時(shí)更為出色，不僅超越了經(jīng)過(guò)微調(diào)的基于LLM的方法，也超過(guò)了基于PLM的方法。模型內(nèi)在的推理能力對(duì)于處理含子查詢的SQL至關(guān)重要。

洞察2：在包含子查詢的場(chǎng)景中，基于LLM的方法總體上超越了基于PLM的方法，尤其是那些采用GPT-4的（即基于提示的LLM）方法，表現(xiàn)尤為突出。模型的內(nèi)在推理能力可能是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)子查詢的關(guān)鍵所在。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)2.2：邏輯連接符的運(yùn)用

邏輯連接符（如AND、OR）用于連接條件、篩選查詢結(jié)果及其他操作，因此評(píng)估模型處理邏輯連接符的性能至關(guān)重要。

在未涉及邏輯連接符的情況下，基于LLM的智能體在Spider數(shù)據(jù)集上并未明顯超越基于PLM的方法。但在結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的BIRD數(shù)據(jù)集中，基于LLM的智能體則表現(xiàn)出色。

一旦涉及到邏輯連接符，基于LLM的智能體在兩個(gè)數(shù)據(jù)集上均持續(xù)領(lǐng)先于基于PLM的智能體。

洞察3：在需要邏輯連接符的情境下，基于LLM的智能體相較于基于PLM的智能體，展現(xiàn)出更優(yōu)的性能。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)2.3：多表連接的藝術(shù)

實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要構(gòu)建涉及多表連接的SQL查詢，對(duì)模型準(zhǔn)確把握復(fù)雜數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)的能力提出了挑戰(zhàn)。

在不涉及連接操作的情況下，基于LLM和PLM的方法在Spider和BIRD數(shù)據(jù)集上的表現(xiàn)參差不齊，難分伯仲。

當(dāng)涉及到需要執(zhí)行連接操作的場(chǎng)景時(shí)，基于LLM的在兩個(gè)數(shù)據(jù)集中均顯著優(yōu)于基于PLM的?？赡苁且?yàn)檫B接操作要求深入理解數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而LLM在這方面通常表現(xiàn)出色，得益于其卓越的上下文理解能力。

NatSQL的積極作用也不容忽視。在處理包含連接的SQL查詢時(shí)，DINSQL在基于提示的智能體中表現(xiàn)最佳，而RESDSQL-3B+NatSQL則在基于PLM的智能體中獨(dú)占鰲頭。兩者都采用了NatSQL 作為中間表示層，這可能得益于其簡(jiǎn)化的形式，省去了連接關(guān)鍵字并減少了架構(gòu)項(xiàng)的預(yù)測(cè)，從而在連接場(chǎng)景中簡(jiǎn)化了SQL的預(yù)測(cè)過(guò)程。

洞察4：在需要執(zhí)行連接操作的場(chǎng)景中，基于LLM的智能體比基于PLM的智能體表現(xiàn)更佳。采用NatSQL作為中間表示層，不僅降低了預(yù)測(cè)連接操作的復(fù)雜性，還可能進(jìn)一步提升模型的性能。

3.3.4 實(shí)驗(yàn)2.4：排序指令

在缺乏ORDER BY指令時(shí)，基于LLM的在Spider與BIRD兩個(gè)數(shù)據(jù)集上均優(yōu)于基于PLM的方法。但當(dāng)引入ORDER BY指令后，情況在Spider數(shù)據(jù)集上發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，基于LLM的方法表現(xiàn)稍遜一籌，而在BIRD數(shù)據(jù)集上則依舊保持領(lǐng)先。這種差異可能源于BIRD數(shù)據(jù)集的復(fù)雜度高于Spider。

洞察5：在涉及ORDER BY指令的場(chǎng)景中，基于PLM和LLM的智能體在不同數(shù)據(jù)集間的表現(xiàn)呈現(xiàn)出差異。大體來(lái)看，基于LLM的智能體展現(xiàn)出了更優(yōu)越的泛化能力。

3.4 實(shí)驗(yàn)3：查詢變異性測(cè)試（Query Variance Testing，QVT）

檢驗(yàn)nl2sql系統(tǒng)對(duì)多樣化自然語(yǔ)言表述和結(jié)構(gòu)的適應(yīng)力，模擬實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的豐富場(chǎng)景。

在BIRD數(shù)據(jù)集中，很少有SQL查詢與多個(gè)不同的自然語(yǔ)言表達(dá)相對(duì)應(yīng)。因此，選用了Spider開(kāi)發(fā)集來(lái)構(gòu)建QVT數(shù)據(jù)集，它包含了469個(gè)SQL查詢，每個(gè)都對(duì)應(yīng)著兩個(gè)以上的不同自然語(yǔ)言查詢，這正符合QVT的初衷。

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如上圖，基于LLM的智能體與基于PLM的智能體在QVT方面難分伯仲。

不過(guò)，經(jīng)過(guò)微調(diào)的LLM智能體通常在QVT上表現(xiàn)更佳，可能是因?yàn)槲⒄{(diào)使得模型輸入與特定數(shù)據(jù)分布更加吻合，從而減少了自然語(yǔ)言變化對(duì)性能的沖擊。

值得注意的是，盡管Graphix+PICARD方法在整體執(zhí)行準(zhǔn)確度（EX）上不及其他基于提示的智能體，卻在QVT上超越了它們。

洞察6：在QVT方面，基于LLM與基于PLM的智能體并無(wú)明顯優(yōu)劣之分。針對(duì)特定任務(wù)數(shù)據(jù)集對(duì)模型進(jìn)行微調(diào)，可能有助于提高其在面對(duì)自然語(yǔ)言變化時(shí)的性能穩(wěn)定性。

3.5 實(shí)驗(yàn)4：數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域適配

在自然語(yǔ)言到SQL的實(shí)際應(yīng)用案例中，往往需要處理特定領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫(kù)，比如電影或體育領(lǐng)域，各自擁有獨(dú)特的架構(gòu)設(shè)計(jì)和專業(yè)術(shù)語(yǔ)。因此，跨不同領(lǐng)域的細(xì)致表現(xiàn)評(píng)估對(duì)于模型的有效應(yīng)用極為關(guān)鍵。

對(duì)Spider訓(xùn)練集中的140個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)和開(kāi)發(fā)集中的20個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了分類，共劃分出33個(gè)不同的領(lǐng)域。所有基于微調(diào)的LLM和PLM智能體均使用訓(xùn)練集進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

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上圖展示了Spider數(shù)據(jù)集中，不同數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域內(nèi)的執(zhí)行準(zhǔn)確度（EX）表現(xiàn)。不同的自然語(yǔ)言到SQL方法對(duì)不同領(lǐng)域有著不同的偏好，基于LLM和基于PLM的智能體并沒(méi)有明顯的優(yōu)劣之分。

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上圖展示了整體表現(xiàn)。在擁有較多訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)的領(lǐng)域（如大學(xué)、競(jìng)賽、交通），基于微調(diào)的方法表現(xiàn)更佳。而在訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)較少的領(lǐng)域，基于提示的方法則更為出色。這說(shuō)明，在微調(diào)階段引入領(lǐng)域內(nèi)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)于提升模型在特定領(lǐng)域的性能至關(guān)重要。

洞察7：不同方法對(duì)不同領(lǐng)域有著不同的偏好，基于LLM和基于PLM的智能體并無(wú)絕對(duì)的勝出者。不過(guò)，在微調(diào)階段的領(lǐng)域內(nèi)訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)于模型在特定領(lǐng)域的表現(xiàn)極為重要。

3.6 實(shí)驗(yàn)5：LLM智能體的監(jiān)督式微調(diào)

探究在自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)SQL任務(wù)中，對(duì)開(kāi)源大型語(yǔ)言模型（LLM）進(jìn)行監(jiān)督式微調(diào)（SFT）的效果。

DAILSQL 在SFT過(guò)程中，不同樣本量和提示表述的影響，但并未明確指出哪些開(kāi)源LLM最適合用于自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)SQL任務(wù)的SFT。采用SQL風(fēng)格的提示對(duì)提升效果有益，因此在零樣本設(shè)置中也采取了類似的提示策略，如下圖。

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考慮到自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)SQL任務(wù)與代碼編寫密切相關(guān)，挑選了五款具有不同代碼處理能力的開(kāi)源LLM，并通過(guò)HumanEval (Pass@1) 指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)估。

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如上圖，經(jīng)過(guò)SFT，各模型的性能（EX）均有提升，但提升幅度在不同基礎(chǔ)模型間差異顯著。

性能提升與模型在SFT前的內(nèi)在編碼能力（HumanEval）之間存在正相關(guān)關(guān)系。這表明，選擇具有優(yōu)秀編碼能力的LLM作為基礎(chǔ)模型，對(duì)于適應(yīng)自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)SQL任務(wù)大有裨益。

洞察8：在對(duì)開(kāi)源LLM進(jìn)行自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)SQL任務(wù)的監(jiān)督式微調(diào)（SFT）后，發(fā)現(xiàn)SFT后的性能與模型在SFT前的固有編碼能力之間存在正相關(guān)。這說(shuō)明，具備高級(jí)編碼能力的LLM是適應(yīng)自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)SQL任務(wù)的關(guān)鍵。

3.7 實(shí)驗(yàn)6：基于LLM的方法的經(jīng)濟(jì)性

考慮到國(guó)內(nèi)模型很便宜，這部分感覺(jué)意義不大，直接看洞察

洞察9：根據(jù)執(zhí)行準(zhǔn)確度（EX）與平均成本的比值，發(fā)現(xiàn)調(diào)用GPT-3.5-turbo的基于提示的LLM智能體具有更高的成本效益。雖然DAILSQL(SC)在Spider和BIRD數(shù)據(jù)集上相較于DAILSQL在EX上有所提升，但其增加的成本也降低了其整體的成本效益。

3.8 實(shí)驗(yàn)7：基于PLM方法的執(zhí)行效率

對(duì)六種模型進(jìn)行了三項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)估：

? 執(zhí)行準(zhǔn)確度（EX）

? 樣本延遲

? GPU內(nèi)存

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如上圖，隨著模型規(guī)模的增長(zhǎng)，GPU內(nèi)存消耗和延遲也隨之上升。但是，RESDSQL-Base+NatSQL（2.2億參數(shù)）與RESDSQL-Large（7.7億參數(shù)）在執(zhí)行準(zhǔn)確度上表現(xiàn)相近（分別為80.2%和80.1%），而前者在延遲和內(nèi)存使用上更為經(jīng)濟(jì)。同樣，RESDSQL-Large+NatSQL與RESDSQL-3B在執(zhí)行準(zhǔn)確度上不相上下，但在延遲和硬件需求上存在差異。因此，在模型的選擇上，需要權(quán)衡延遲和硬件資源。

洞察10：隨著模型參數(shù)規(guī)模的擴(kuò)大，其延遲和硬件資源的需求也會(huì)相應(yīng)增長(zhǎng)。此外，即便性能相近，不同模型在延遲和硬件資源需求上也可能大相徑庭。

3.9 實(shí)驗(yàn)8：SQL效能探究 - 有效效率評(píng)分

在現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)用中，不僅需確保模型產(chǎn)出的SQL查詢準(zhǔn)確無(wú)誤，更要注重其執(zhí)行的高效性。BIRD 提出了有效效率評(píng)分（VES，Valid Efficiency Score），用以衡量正確生成的SQL查詢的執(zhí)行效能。

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上圖展示了實(shí)驗(yàn)的成果。橙色標(biāo)注了最高的VES得分。在各個(gè)難度層級(jí)的子集中，VES得分最高的方法并不固定，無(wú)論是基于LLM還是基于PLM的方法，都未見(jiàn)明顯的優(yōu)勢(shì)。大體而言，同一方法在處理更為復(fù)雜的子集時(shí)，往往會(huì)有較低的VES表現(xiàn)，這可能與執(zhí)行難度的增加和所需時(shí)間的延長(zhǎng)有關(guān)。

洞察11：依據(jù)VES評(píng)分，在基于LLM和基于PLM的方法之間，并沒(méi)有明顯的贏家。對(duì)于同一方法而言，它在面對(duì)更具挑戰(zhàn)性的子集時(shí)，往往會(huì)展現(xiàn)出較低的VES。

3.10 實(shí)驗(yàn)9：訓(xùn)練樣本數(shù)量的效應(yīng)

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無(wú)論是基于PLM還是經(jīng)過(guò)微調(diào)的LLM方法，隨著自然語(yǔ)言到SQL訓(xùn)練數(shù)據(jù)的增多，性能均有所提升，并在訓(xùn)練樣本達(dá)到4000時(shí)獲得滿意的性能表現(xiàn)。然而，隨著數(shù)據(jù)集規(guī)模的擴(kuò)大，執(zhí)行準(zhǔn)確度（EX）的增益逐漸減少。

洞察12：隨著自然語(yǔ)言到SQL訓(xùn)練數(shù)據(jù)的增加，基于PLM和LLM的方法性能均有所提高。但值得注意的是，隨著數(shù)據(jù)集規(guī)模的增長(zhǎng)，執(zhí)行準(zhǔn)確度（EX）的提升幅度逐漸降低。若數(shù)據(jù)隱私成為關(guān)注點(diǎn)或有足夠的標(biāo)注數(shù)據(jù)，對(duì)LLM/PLM進(jìn)行微調(diào)展現(xiàn)出巨大的潛力。

4. NL2SQL的模塊化設(shè)計(jì)

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如上圖，可以將NL2SQL方案大致劃分為以上模塊：

? (1) 預(yù)處理階段：預(yù)處理環(huán)節(jié)涵蓋了架構(gòu)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容兩大核心。架構(gòu)關(guān)聯(lián)將自然語(yǔ)言查詢指向數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)元素（例如表和列），從而提升了跨領(lǐng)域通用性和復(fù)雜查詢的生成能力。數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容模塊通過(guò)字符串匹配，常常用于將查詢條件與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容相匹配，進(jìn)一步豐富列的細(xì)節(jié)信息。

? (2) 提示策略：提示策略可分為零樣本和少樣本兩種，零樣本策略在模型輸入中不包含任何自然語(yǔ)言到SQL的示例，而少樣本策略則包含一定數(shù)量的示例，如“3樣本”、“5樣本”等?；赑LM的方法通常偏好零樣本策略，而基于LLM的方法則各有千秋：C3SQL采用零樣本策略，而DAILSQL和DINSQL則采用少樣本策略。DINSQL的少樣本示例是人工設(shè)計(jì)且固定的，相較之下，DAILSQL的示例則是基于目標(biāo)問(wèn)題與訓(xùn)練集示例間的相似度動(dòng)態(tài)選擇的。

? (3) SQL構(gòu)建策略：語(yǔ)言智能體在生成SQL時(shí)采取多樣化的策略，這些策略可歸納為三個(gè)核心要素：分步構(gòu)建、解碼技巧和中間表達(dá)形式。

? (a) 分步構(gòu)建，類似于思維鏈（Chain-of-Thought, COT）的邏輯，通過(guò)分階段構(gòu)造SQL查詢，尤其適合處理復(fù)雜查詢。
兩種分步策略：
“SQL框架 - SQL”策略源自基于PLM的RESDSQL ，“子查詢 - SQL”策略則來(lái)自DINSQL 。

? (b) 解碼技巧關(guān)注的是LLM在解碼過(guò)程中如何確保輸出結(jié)果的有效性。
基于PLM的PICARD 確保其輸出嚴(yán)格遵守SQL語(yǔ)法規(guī)則，而基于LLM的方法則通過(guò)OpenAI的API進(jìn)行操作，不受此類解碼層面的限制。

? (c) 中間表達(dá)形式策略探討是否采用某種中介查詢格式來(lái)彌合自然語(yǔ)言與SQL之間的差異，因?yàn)镾QL面向關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)并不總是與自然語(yǔ)言的語(yǔ)義相吻合。
市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了諸如NatSQL等多樣化的解決方案。
基于LLM的DINSQL 和若干基于PLM的方法都采用了NatSQL。

? (4) 后處理：考慮了以下幾類后處理策略：

? (a) 自我糾錯(cuò)，由DINSQL 提出，它允許智能體對(duì)生成的SQL進(jìn)行自我審查，以修正潛在的錯(cuò)誤。

? (b) 自我一致性檢查，涉及對(duì)單一自然語(yǔ)言查詢執(zhí)行多種有效的SQL查詢，并通過(guò)比對(duì)結(jié)果的一致性，采用投票機(jī)制選出最合適的SQL作為最終結(jié)果。
這一策略在C3SQL和DAILSQL中得到了應(yīng)用。

? (c) 執(zhí)行引導(dǎo)的SQL篩選器，作為一個(gè)模塊，它依次執(zhí)行智能體生成的SQL查詢，并將首次無(wú)誤的執(zhí)行結(jié)果作為有效的SQL。

? (d) N-best重排器，通過(guò)為多個(gè)候選SQL查詢打分，挑選出可能性最高的查詢作為最終的查詢。

5 SuperSQL：頂尖NL2SQL方案

基于以上結(jié)論，作者提出了SuperSQL，SuperSQL包括如下組件：

? (1) 預(yù)處理：采用RESDSQL的架構(gòu)鏈接和BRIDGE v2的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容；

? (2) 提示：DAILSQL的少量樣本模塊通過(guò)相似性挑選上下文中的示例；

? (3) SQL生成：采用OpenAI的貪婪解碼策略，不涉及多步驟或NatSQL；

? (4) 后處理：采用DAILSQL的自我一致性模塊。

SuperSQL在Spider開(kāi)發(fā)集上對(duì)SuperSQL進(jìn)行評(píng)估，EX達(dá)到了87.0%，超越了其他方法。

SuperSQL在中等難度、高難度以及額外難度子集上均有出色的表現(xiàn)，證實(shí)了其有效性。在BIRD開(kāi)發(fā)集上，SuperSQL同樣展現(xiàn)了不俗的性能。

還對(duì)Spider和BIRD的測(cè)試集進(jìn)行了SuperSQL評(píng)估，在Spider上EX達(dá)到了87.0%（排名第二），在BIRD上EX達(dá)到了62.66%（排名第九）。

SuperSQL在其設(shè)計(jì)空間內(nèi)超越了所有基準(zhǔn)。具體來(lái)說(shuō)，在BIRD測(cè)試集上，SuperSQL比最強(qiáng)的基準(zhǔn)——DAILSQL(SC)——提高了5.25%。這一提升主要得益于我們的NL2SQL360-AAS，它有效地在設(shè)計(jì)空間內(nèi)基于不同基準(zhǔn)尋找更優(yōu)的模塊組合。預(yù)計(jì)通過(guò)NL2SQL360-AAS加入更多強(qiáng)大的基準(zhǔn)將進(jìn)一步優(yōu)化SuperSQL。

SuperSQL的高效性能：SuperSQL在兩個(gè)數(shù)據(jù)集上分別獲得了99.18和61.99的VES總分，均優(yōu)于其他方法。

6 未來(lái)研究方向

? 提升自然語(yǔ)言到SQL方法的可信度：現(xiàn)有方法可能產(chǎn)生不準(zhǔn)確的SQL結(jié)果，原因可能包括：

? 1.自然語(yǔ)言查詢含糊且不完整

? 2.數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)模糊且內(nèi)容不規(guī)范

? 3.架構(gòu)鏈接能力不足。

? 應(yīng)對(duì)含糊和不明確的自然語(yǔ)言查詢：考慮以下策略來(lái)改善這些問(wèn)題：

? (i) 查詢改寫器旨在自動(dòng)優(yōu)化給定的自然語(yǔ)言查詢，確保其明確性。

? (ii) 查詢自動(dòng)補(bǔ)全通過(guò)推薦與數(shù)據(jù)庫(kù)高度相關(guān)的候選詞匯，協(xié)助用戶構(gòu)建查詢。

? 解析自然語(yǔ)言到SQL的解決方案。

? (i) 自然語(yǔ)言到SQL調(diào)試工具能夠發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的SQL查詢，允許用戶逐步跟蹤SQL生成流程，并輔助識(shí)別錯(cuò)誤或不匹配之處。

? (ii) SQL及查詢結(jié)果的解釋方法使用戶能夠評(píng)估生成的SQL和查詢結(jié)果是否符合預(yù)期。

? 打造高性價(jià)比的自然語(yǔ)言到SQL方法?；贚LM的自然語(yǔ)言到SQL方法前景廣闊，但在令牌消耗上成本較高，這影響了成本和推理時(shí)間。探索在減少令牌使用的同時(shí)提升準(zhǔn)確性的方法至關(guān)重要。特

? 自適應(yīng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)生成。自然語(yǔ)言到SQL方法的有效性極大程度上依賴于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的質(zhì)量和廣度。這些方法在適應(yīng)未知數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)常常遇到挑戰(zhàn)。一個(gè)充滿希望的研究方向是利用模型評(píng)估反饋動(dòng)態(tài)生成（自然語(yǔ)言，SQL）對(duì)，這種方法通過(guò)從自然語(yǔ)言到SQL的性能洞察中汲取經(jīng)驗(yàn)，確保訓(xùn)練數(shù)據(jù)的多樣性和高質(zhì)量，解決領(lǐng)域適應(yīng)問(wèn)題。

本文轉(zhuǎn)載自 ??大語(yǔ)言模型論文跟蹤??，作者：HuggingAGI