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DynaFlow:学习自由形式的多智能体编排 DynaFlow: Learning Free-Form Multi-Agent Orchestration

Ruhao Liu, Qi Li, Shizun Wang, Xinchao Wang 📅 2026-10-25 👍 38 2026-11-11 18:30
LLM Agent 多智能体系统 工作流合成 智能体编排 监督微调

把自由形式工作流合成内化为主智能体的动作,仅训练主智能体即可学会何时及如何协作

前置知识

多智能体系统(Multi-Agent System, MAS)

以大语言模型为基座、由多个扮演不同角色的智能体协同求解任务的系统。常见组织方式是固定的角色分工(如规划者—求解者—验证者)、预定义的通信拓扑与调用流程,典型代表有 AutoGen、Magentic-One 等。各智能体通过传递中间结果、相互审查来分担单智能体难以完成的复杂任务。

DynaFlow 的应用场景就是多智能体协作,但它把「如何组织协作」本身变成可学习的对象;只有理解传统 MAS 固定结构的局限,才能体会本文的动机与贡献。

智能体工作流(Agentic Workflow)

把一次任务求解显式写成「模型调用+工具调用」的程序:控制流决定执行顺序与分支,数据流决定哪个后续调用接收哪个中间输出。AFlow 等工作用执行反馈自动搜索工作流,但通常只能在有限算子模板集合内组合,或一次性生成完整结构而无法根据中间执行结果调整。

本文的「自由形式工作流合成」正是针对这些约束:主智能体直接生成可执行代码来表达任意分阶段、并行、含验证逻辑的工作流,不受模板限制。

监督微调(SFT)与 QLoRA

监督微调在 (输入, 目标输出) 对上用负对数似然损失训练模型模仿目标行为。QLoRA 是参数高效微调技术:把基座模型量化到 4-bit 并冻结,只训练插入的低秩适配器(LoRA)权重,大幅降低显存需求,使在少量 GPU 上微调 27B 级模型成为可能。

DynaFlow 只对主智能体做两阶段 QLoRA SFT(2,257+712 条样本),子智能体全部冻结;理解 SFT 损失形式与数据筛选机制是读懂训练流程的前提。

轨迹蒸馏(Trajectory Distillation)

让能力更强的教师模型在相同的环境/工具接口下执行任务并记录其动作轨迹,再用这些轨迹监督训练学生模型。本文只保留最终答案正确且遵守委托协议的轨迹,监督目标为主智能体首轮的推理文本 $r$ 与工作流动作 $a_1$,指令、问题和工具定义都被 mask 掉。

Stage 1 的 2,257 条训练样本正是由教师模型 GLM-5.3 Max 蒸馏而来,这是整个两阶段训练框架的数据来源。

信息流(Information Flow)

在多阶段工作流中,上游智能体的中间结果如何被传递、聚合、校验并被下游使用。信息流缺陷包括丢失必要上下文、引用错误、有损压缩,以及直接用硬编码值替代上游真实输出,会导致下游智能体在错误前提上继续推理而无法察觉。

论文把跨阶段信息流视为编排质量的关键维度:Stage 2 数据筛选专门剔除前提注入、验证偏置和信息流缺陷三类演示;实验分析(输出复用率从 12.6% 升到 97.7%)也围绕它展开。

研究动机

现有 LLM 多智能体系统大多依赖预先设计好的协作结构:固定的角色划分(规划者、求解者、验证者)、固定的通信模式和流程组件(AutoGen、Magentic-One 等)。然而任务需求差异很大:简单问题只需一个智能体,相互独立的子任务适合并行执行,有依赖关系的阶段必须可靠地拿到上游结果;把同一套固定结构套在所有任务上会引入不必要的通信开销、延迟和计算成本。自动化工作流设计部分缓解了僵硬问题——AFlow 用执行反馈搜索工作流,MAS-GPT 为每个查询生成智能体系统,DyFlow 依据反馈修改计划,MAS-Orchestra 通过函数调用表达编排——但它们仍保留约束:DyFlow 只能从有限的算子模板集合中构造工作流,MAS-Orchestra 在单次决策中生成完整协调结构、无法观察中间执行结果后再调整,FlowSteer 只学习图编辑策略。也就是说,「何时协作」与「如何按需构造协作」这两个决策仍然没有被统一进任务求解智能体自身的策略中。

本文的目标是本文提出「自由编排」(Free Orchestration)能力:智能体在解题过程中既能自主判断何时需要协作,又能按任务即时构造具体的工作流。具体目标是将自由形式的可执行工作流合成作为主智能体动作空间的原生动作,与普通工具调用并列,使同一个策略 $\pi_\theta$ 决定 (i) 是否协作、(ii) 编写什么程序、(iii) 如何利用程序返回的输出与执行轨迹继续推理并修订后续工作流。同时把编排能力的学习与执行器能力解耦:只训练主智能体,所有子智能体保持冻结,让预训练模型无需重训即可复用为执行器。量化目标是在覆盖数学推理、科学问答、多跳检索的六个基准(AIME 2024/2025/2026、PolyMATH、GPQA-Diamond、HotpotQA,共 688 题)上超越用同一 Qwen3.5-27B 骨干的最强基线——最终实际领先 10.90 个百分点。

与已有工作不同的是,本文的独特切入角度有三点。其一,工作流不是外部搜索或模板拼装的产物,而是任务求解智能体的原生代码动作:主智能体现场编写 JavaScript,直接在代码中定义子智能体职责、阶段依赖、串行/并行结构与信息传递方式,表达力超过算子模板与图编辑。其二,把「何时协作」与「如何协作」统一在同一个策略里,并通过执行反馈的多轮决策(观察 $o_k$ 与轨迹写回历史 $h_k$)实现工作流的修订与延续,区别于一次性生成完整编排的 MAS-Orchestra、只用模板子图规划的 DyFlow。其三,训练数据筛选首次把「编排质量」作为显式标准:不仅要求最终答案正确、遵守委托协议,还用 LLM 评审剔除前提注入(把超出题面的断言当既定前提)、验证缺陷(引导验证器偏向预期答案)、信息流缺陷(丢失上下文、错误引用、有损传递、硬编码替代上游输出)三类演示,使「可靠的跨阶段信息使用」本身成为训练信号的一部分。

核心方法

直觉上,DynaFlow 让「主智能体」像程序员一样按需雇用帮手:面对问题 $q$ 与指令 $I$,它可以 (i) 直接作答,(ii) 调用普通工具(如网页搜索),或 (iii) 现场编写并调用一段 JavaScript 工作流程序。形式化为策略 $\pi_\theta$ 上的动作空间 $\mathcal{A} = \mathcal{A}_{\text{tool}} \cup \{\mathcal{A}_{\text{ans}}, (\mathcal{P}, \mathcal{W}(\mathcal{P}))\}$,其中 $(\mathcal{P}, \mathcal{W}(\mathcal{P}))$ 表示程序 $\mathcal{P}$ 经工作流工具 $\mathcal{W}$ 的调用。程序内用 agent(...) 与 parallel(...) 定义子智能体角色、阶段依赖与串行/并行结构:独立调用并发执行,依赖调用显式接收上游输出,每个子智能体只拿到程序指定的指令与输入;预算受限的运行时执行程序,返回组合了程序输出与各子调用状态轨迹的观察 $o_k$。主智能体把 $(a_k, o_k)$ 追加进历史 $h_k$,再决定继续调用工具、合成后续工作流(验证、精炼、扩展结果)还是给出最终答案,形成 Algorithm 1 的反馈循环。训练只更新主智能体:Stage 1 在教师蒸馏轨迹上做 QLoRA SFT(2,257 例),Stage 2 在经编排质量筛选的 712 例子集上以更小学习率续训;所有工作流设定共享同一批冻结的 Base Qwen3.5-27B 子智能体。

核心创新是把自由形式工作流合成内化为任务求解智能体的原生动作,并用「编排质量」筛选训练数据。与已有方法的本质区别:AFlow 在离线搜索空间组合固定算子;DyFlow/MAS-Zero 从有限模板构造并修改计划;MAS-Orchestra 一次决策生成全部协调结构而不看中间结果——而 DynaFlow 的主智能体可在观察到执行轨迹后反复合成后续工作流,程序用代码表达,不受模板集合限制。第二层创新是解耦:只训练主智能体,子智能体统一使用未做编排训练的 Qwen3.5-27B Base 并全程冻结,性能提升可干净地归因于编排能力而非执行器变强。第三层创新是两阶段数据课程:Stage 1 蒸馏只保证答案正确与委托协议合规;Stage 2 用 LLM 评审筛出 $D_2 = J(D_1) \subseteq D_1$,剔除前提注入、验证缺陷、信息流缺陷三类演示,且每个缺陷判定必须由程序或调用参数中的匹配摘录作证据支持。此外,实验以「未训练主智能体 + 工作流」为对照,直接暴露出工作流本身并不天然有益这一反直觉事实。

方法步骤详情

训练分两阶段,只更新主智能体。Stage 1 轨迹蒸馏:教师模型 GLM-5.3 Max 在相同的工作流接口、工具和冻结子智能体下生成轨迹,仅保留最终答案正确且实质求解发生在工作流内部的轨迹;监督目标为主智能体首轮输出 $s = (r, a_1)$($r$ 为推理文本,$a_1 = (\mathcal{P}, \mathcal{W}(\mathcal{P}))$ 为工作流动作),构成数据集 $D_1$(2,257 条样本)。两阶段共用损失 $\mathcal{L}_{\text{SFT}}(\theta; D) = -\sum_{(I,q,s)\in D} \log \pi_\theta(r, a_1 \mid I, q)$,同时监督推理与动作 token,指令、问题和工具定义被 mask,Stage 1 用 QLoRA 训练。Stage 2 高质量数据选择:LLM 评审按三类缺陷(前提注入、验证缺陷、信息流缺陷)检查每条演示,缺陷判定须附程序或调用参数中的匹配摘录作证据,通过核查的完整首轮样本构成 $D_2 \subseteq D_1$(712 条),从 Stage 1 检查点以更小学习率续训,并设等规模随机子集续训作对照以区分筛选效应与多训效应。推理时三种执行模式:Direct 不用任何工具;Dynamic 首步在直接作答与工作流间二选一;Forced 强制首个实质动作必须调用工作流。进入工作流路径后,主智能体只负责设计、协调、评估结果与合成最终答案,实质求解与验证委托给冻结子智能体,结果不完整则修订或追加工作流。

技术新颖性

技术新颖性体现在四个层面。(1) 动作空间设计:把「生成并调用一段可执行程序」作为与工具调用并列的一等动作,程序内直接以代码表达子智能体分工、并行/串行依赖、阶段标签与输出聚合校验逻辑,表达力超过算子模板与图编辑;运行时带资源预算并返回结构化执行轨迹,供后续决策使用。(2) 训练目标聚焦:损失只监督首轮的任务分析与工作流合成 token $(r, a_1)$,指令/问题/工具定义均被 mask,把学习能力精确投向编排行为而非知识记忆。(3) 数据质量标准转变:首次把编排质量(前提真实性、验证独立性、信息流完整性)作为演示筛选标准,并要求证据摘录支持、评审与人工标注做一致性校验(附录 E),使编排可靠性成为显式优化对象;这一点与只按答案正确性筛数据的主流做法形成对照。(4) 评测设计的严谨性:子智能体与运行时在所有工作流设定间共享且冻结,Base/Stage 1/DynaFlow 三个检查点 × Direct/Dynamic/Forced 三种模式的 3×3 网格(Table 2),加上等规模随机子集续训对照,能把收益干净地归因于编排学习与数据筛选,而非执行器增强或额外训练量。

Overview of DynaFlow
Figure 2: Overview of DynaFlow
DynaFlow
Algorithm 1: DynaFlow

实验结果

在 688 道题(AIME 2024/2025/2026 共 90 题、PolyMATH 200、GPQA-Diamond 198、HotpotQA 200)上,DynaFlow Forced 模式总体准确率 88.08%,Dynamic 87.94%,超过最强基线 Self-Refine(77.18%)10.90 个百分点。分基准:Forced 在 AIME 三个年份全部 100%(AFlow 为 93.33/96.67/100.00),PolyMATH 90.50(Self-Refine 87.50);工作流把符号推导、小数值算例检查与验证组织成互补阶段。GPQA-Diamond Forced 84.85%,比同设定的 Base Forced(77.78%)高 7.07 个百分点,但 Self-Refine(88.38%)与 AFlow(87.37%)仍略领先,失败源于子智能体错误中间结论误导验证。HotpotQA Dynamic 84.50%、Forced 83.50%,超 Base+Web 搜索(77.50%)6–7 个百分点,检索工作流围绕中间实体组织搜索并核验跨跳实体一致。归因证据:未训练时 Base Forced 在除 HotpotQA 外全部基准低于 Base Direct(Figure 3),Stage 1 后 Forced 在六个基准全部达到或超过 Base Direct;Dynamic 与 Forced 的差距从 10.75 缩到 1.02(Stage 1)、0.14(DynaFlow)。Dynamic 模式 47.1% 的问题直接作答,平均每题 2.44 个子智能体(Forced 为 4.16),精度几乎无损。机制分析:混合串/并行结构从 3.4% 升到 85.6%,显式使用上游输出从 12.6% 升到 97.7%,信息流重大缺陷从 1.9% 降到 0.9%,含纠正/精炼的聚合从 28.1% 升到 35.9%。

Main results. Accuracy (%) on six benchmarks. All systems use Qwen3.5-27B, and all workflow settings share the same frozen sub-agents and runtime.
Table 1: Main results. Accuracy (%) on six benchmarks. All systems use Qwen3.5-27B, and all workflow settings share the same frozen sub-agents and runtime.
Training stage × execution mode. Overall accuracy (%). Only the Main Agent differs between rows.
Table 2: Training stage × execution mode. Overall accuracy (%). Only the Main Agent differs between rows.
Workflows help only after training. Accuracy change in Forced mode relative to Base, Direct.
Figure 3: Workflows help only after training. Accuracy change in Forced mode relative to Base, Direct.
Workflow design quality. Judge scores for the first workflow generated for each question in Forced mode across all benchmarks: 0 = major defect, 1 = minor weakness, and 2 = no defect.
Figure 4: Workflow design quality. Judge scores for the first workflow generated for each question in Forced mode across all benchmarks: 0 = major defect, 1 = minor weakness, and 2 = no defect.
Workflow structure and information use across stages. Distributions (%) of six properties of workflow programs P generated under Forced execution.
Figure 5: Workflow structure and information use across stages. Distributions (%) of six properties of workflow programs P generated under Forced execution.
Task-specific role allocation. Percentages of executed sub-agent nodes by role and benchmark family in DynaFlow's Forced mode.
Figure 6: Task-specific role allocation. Percentages of executed sub-agent nodes by role and benchmark family in DynaFlow's Forced mode.
查看结构化数据
任务指标本文基线提升
总体(六基准 688 题微平均) 准确率 (%),Forced 模式 88.08(Dynamic 87.94) Self-Refine 77.18(最强基线);AFlow 76.45 +10.90 pp(对最强基线)
AIME 2024/2025/2026(竞赛数学,90 题) 准确率 (%),Forced 模式 100 / 100 / 100 AFlow 93.33 / 96.67 / 100.00;CoT 96.67 / 93.33 / 86.67 AIME24 +3.33、AIME25 +3.33、AIME26 持平(已达满分上限)
PolyMATH(多语言数学推理,200 题) 准确率 (%),Forced 模式 90.50 Self-Refine 87.50;AFlow 86.00 +3.00 pp(对最强基线)
GPQA-Diamond(研究生级科学问答,198 题) 准确率 (%),Forced 模式 84.85(Dynamic 83.84) Base, Forced 77.78(同工作流设定);Self-Refine 88.38 仍领先 +7.07 pp(对同设定未训练基线);对 Self-Refine 为 -3.53 pp
HotpotQA(多跳检索问答,200 题) 准确率 (%),Dynamic 模式 84.50(Forced 83.50) Base + Web search 77.50;CoT-SC 50.50 +7.00 pp(对同检索权限基线)

局限与改进

作者承认的局限:其一,GPQA-Diamond 上 Self-Refine 与 AFlow 仍领先,失败案例显示子智能体的错误中间结论会误导后续验证,主智能体合成最终答案时未能优先采信正确证据,独立验证与答案选择仍不可靠;其二,无工具基线没有与工作流设定相同的检索权限,HotpotQA 与检索型系统的对比只能分开解读;其三,监督仅覆盖首轮 $(r, a_1)$,多轮中遇到分歧或错误结果时的处置未被直接训练。我的补充观察:评测只用 Qwen3.5-27B 一个骨干与 GLM-5.3 Max 一个教师,跨模型泛化未验证;AIME 90 题已到 100% 天花板,对总体指标的贡献主要是「不丢分」;Forced 模式强制所有问题走工作流,简单题也要承担程序生成与执行的延迟成本,而论文未系统报告 token 消耗与墙钟时间;688 题总量偏小且数学类占 290 题,微平均易被强项主导;LLM 评审筛选依赖单一评审模型,虽有与人工标注的一致性校验,评审偏差仍可能系统性遗漏某些缺陷类型。

独立分析的弱点

弱点一:纯 SFT、无强化学习,策略只从教师演示模仿,无法从自身执行失败获得梯度,而 AFlow、FlowReasoner 等用 RL 的方法在分布外任务上可能更稳健;改进方向是以 Stage 2 检查点初始化,用执行正确率与编排质量做复合奖励做 RL。弱点二:首轮监督盲区,$s=(r,a_1)$ 只覆盖第一次决策,而失败常发生在「看到坏结果之后怎么办」——修订、重试、冲突仲裁均无监督;应扩展到含错误中间结果与输出分歧的多轮轨迹。弱点三:依赖单一 LLM 评审筛数据且只查三类缺陷,可能系统性遗漏角色冗余、预算超支、指令冲突等问题;可引入多评审投票与人工抽检。弱点四:成本报告缺失,论文给出子智能体数量(2.44 vs 4.16)但未报告 token 消耗、墙钟时间与经费对比,实际价值评估不完整;应补成本-精度帕累托曲线。弱点五:基准规模小且偏数学(290/688),AIME 已 100% 饱和,难以区分强模型间差异;建议加入代码生成、长上下文 QA、工具密集型工程任务检验编排泛化。

未来方向

作者提出的方向:(1) 训练子智能体使其具备可靠的信息传递与独立验证能力——目前子智能体全部冻结,执行器本身的能力上限未被触及;(2) 把首轮监督扩展到包含分歧与错误结果的多轮轨迹,强化主智能体独立评估冲突输出、识别错误、并为错误恢复、工作流修订、最终答案选择选择合适动作的能力。基于本文成果可延伸的方向:(3) 用 RL 接续两阶段 SFT,以任务成功率与编排质量为复合奖励优化完整多轮策略,弥补纯模仿学习的分布局限;(4) 让主智能体把失败工作流的执行轨迹存入经验记忆,推理时检索相似案例做少样本自修复;(5) 把冻结子智能体替换为不同规模或不同厂商的异构模型,研究编排策略对执行器能力分布的迁移性——这正是「解耦编排与执行」设定的独特价值;(6) 将信息流正确性指标(输出复用率、缺陷率)发展为可在线计算的编排健康度信号,用于推理时自适应降级(不值得开工作流就退回 Direct);(7) 在代码库修改、数据分析流水线等真实工程任务上验证,而非仅考试型基准。

复现评估

复现评估:论文标注有代码与项目页链接(§ Code / Project Page),若如期开源则复现门槛中等。数据方面,AIME 2024/2025/2026、GPQA-Diamond、HotpotQA 均为公开数据集,PolyMATH 与 HotpotQA 子集用随机种子 42 采样,规则明确。算力方面,主智能体是 27B 模型的 QLoRA 微调(4-bit 量化+LoRA),Stage 1 仅 2,257 条首轮样本、Stage 2 仅 712 条,单张 80GB GPU(A100/H100)即可完成,训练成本不高。真正的门槛在蒸馏数据:需要 GLM-5.3 Max(或同级强模型)的 API 在完整工作流运行时中生成数千条合规轨迹。评测管道还需实现预算受限的 JavaScript 工作流运行时、执行轨迹记录、agent/parallel 子智能体接口、LLM 评审筛选与四项设计质量评分,工程量不小,好在附录 B/D/E 有描述。总体判断:有官方代码时,熟悉智能体系统的团队一至两周可复现主干结果;若无代码,运行时细节需自行推导,难度显著上升。

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