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第九章 世界模型、具身智能与 VLA

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生成视频、预测未来和为行动规划都涉及“接下来会发生什么”,但它们不因此成为同一个问题。世界模型的关键不是输出看起来像世界,而是内部状态能否支持与行动有关的预测、比较和控制。

生成媒体、世界模型与行动系统的不同接口

9.1 最小世界模型接口

设环境状态为 st∈Ss_t\in\mathcal S,智能体采取动作 at∈Aa_t\in\mathcal A,收到观察 ot∈Oo_t\in\mathcal O 与回报或任务信号 rtr_t。一个部分可观测 Markov 决策过程还包含初始分布、转移核 PP、观察核 OO、奖励分布和折扣因子。其一步生成关系可写成

st+1∼P(⋅∣st,at),ot+1∼O(⋅∣st+1),rt∼R(⋅∣st,at).s_{t+1}\sim P(\cdot\mid s_t,a_t), \qquad o_{t+1}\sim O(\cdot\mid s_{t+1}), \qquad r_t\sim R(\cdot\mid s_t,a_t).

智能体通常看不到 sts_t。令可见历史为

ht=(o0,a0,r0,…,at−1,rt−1,ot).h_t=(o_0,a_0,r_0,\ldots,a_{t-1},r_{t-1},o_t).

理论上的信念状态 bt(s)=Pr⁡(st=s∣ht)b_t(s)=\Pr(s_t=s\mid h_t) 是历史的一个充分统计量;给定新动作和观察,它通过预测与 Bayes 更新递推。在模型未知、高维连续状态下,系统通常以递归编码器从历史构造近似潜状态 zt=fϕ(ht)z_t=f_\phi(h_t)。理想的控制充分性要求:对任意未来动作序列,其未来观察与回报条件分布只依赖 ztz_t,不再依赖完整 hth_t。实际模型只在选定数据分布和预测目标上近似这一要求。

一个用于控制的世界模型至少要近似:

zt+1∼pθ(⋅∣zt,at),o^t∼pθ(⋅∣zt),r^t∼pθ(⋅∣zt,at).z_{t+1}\sim p_\theta(\cdot\mid z_t,a_t), \qquad \widehat o_t\sim p_\theta(\cdot\mid z_t), \qquad \widehat r_t\sim p_\theta(\cdot\mid z_t,a_t).

不是每个系统都显式重建观察或预测回报,但必须有某种可供策略比较行动后果的接口。只有“可以预测下一个潜向量”仍不充分:若潜向量删除了奖励、终止或约束所需信息,它就不是当前控制任务的充分状态。

9.2 潜状态怎样学习

许多模型同时维护确定性递归状态 htdeth_t^{\mathrm{det}} 与随机潜变量 ztz_t。一个通用的训练接口包括

htdet=fθ(ht−1det,zt−1,at−1),pθ(zt∣htdet)(动力学先验),qϕ(zt∣htdet,ot)(观察后验).\begin{aligned} h_t^{\mathrm{det}}&=f_\theta(h_{t-1}^{\mathrm{det}},z_{t-1},a_{t-1}),\\ p_\theta(z_t\mid h_t^{\mathrm{det}})&\quad\text{(动力学先验)},\\ q_\phi(z_t\mid h_t^{\mathrm{det}},o_t)&\quad\text{(观察后验)}. \end{aligned}

一种代表性的序列变分目标为

LWM=∑tEqϕ[−log⁡pθ(ot∣htdet,zt)−log⁡pθ(rt∣htdet,zt,at)+βDKL ⁣(qϕ(zt∣htdet,ot) ∥ pθ(zt∣htdet))],\mathcal L_{\mathrm{WM}} =\sum_t\mathbb E_{q_\phi} \left[ -\log p_\theta(o_t\mid h_t^{\mathrm{det}},z_t) -\log p_\theta(r_t\mid h_t^{\mathrm{det}},z_t,a_t) +\beta D_{\mathrm{KL}}\!\left( q_\phi(z_t\mid h_t^{\mathrm{det}},o_t) \,\|\, p_\theta(z_t\mid h_t^{\mathrm{det}}) \right) \right],

并可加入继续概率、终止、约束或表征预测项。观察后验训练时读取真实 oto_t;想象 rollout 时只能从动力学先验采样。这一差异会暴露 posterior 使用真实观察纠错、prior 却在长轨迹中漂移的问题。

KL 权重和重建目标决定潜状态保留什么。像素似然偏好还原可见细节,奖励预测偏好任务相关变量;二者都不保证恢复环境的唯一“真实状态”。

9.3 从像素预测到任务状态

逐像素预测会花费大量容量描述纹理、光照和不可预测细节。控制任务更关心哪些状态差异会改变行动选择。因此世界模型常在潜空间预测,或只预测与任务相关的表示。

这带来一个取舍:压缩太弱,模型浪费容量复制画面;压缩太强,可能删除接触、速度或对象身份等控制所需信息。潜状态是否“有意义”不能只靠可视化判断,而要看它能否支持未见状态下的预测和行动。更严格的比较要固定下游策略容量:若一个高容量探针能从表示中解码某变量,不等于实际规划器在闭环中使用了它。

9.4 在想象轨迹中规划

给定候选动作序列 at:t+H−1a_{t:t+H-1},模型可以 rollout 潜在未来,并估计累计目标:

J(at:t+H−1)=Eθ[∑k=0H−1γkrt+k+γHV(zt+H)].J(a_{t:t+H-1}) = \mathbb E_\theta \left[ \sum_{k=0}^{H-1}\gamma^k r_{t+k} +\gamma^H V(z_{t+H}) \right].

规划器比较多个候选后只执行前一小段,再用新观察更新状态并重新规划,这就是模型预测控制的基本思想。至少要区分三类算法:

随机 shooting。 从提议分布采样动作序列,按 JJ 排序后执行最佳候选的首个动作。

Cross-Entropy Method。 用参数化分布 qηk(at:t+H−1)q_{\eta_k}(a_{t:t+H-1}) 采样,保留分数最高的 elite 集合 Ek\mathcal E_k,再以 elite 的矩更新 ηk+1\eta_{k+1}。它是对动作序列的迭代搜索,不是策略梯度。

潜空间 actor—critic。 在学习模型中 rollout 策略 πψ(a∣z)\pi_\psi(a\mid z),用预测奖励和价值估计更新 actor 与 critic;Dreamer 系列属于此路线。训练时的想象轨迹不等于部署时必须显式枚举候选动作。

规划器、策略和世界模型是三个对象。论文若只报告最终回报,应通过真实动力学或消融实验区分收益来自更好的模型、更强的搜索还是更长计算预算。

9.5 模型误差为什么随视野增长

可用一个有限时域界说明误差累积。考虑固定 Markov 策略 π(a∣s)\pi(a\mid s),并令 r(s,a)r(s,a)、r^(s,a)\widehat r(s,a) 分别为真实模型与学习模型的一步期望奖励。为得到定义域闭合的命题,先假设下列界对所有 (s,a)∈S×A(s,a)\in\mathcal S\times\mathcal A 成立:

∣r(s,a)−r^(s,a)∣≤εr,∣r(s,a)∣∨∣r^(s,a)∣≤Rmax⁡.|r(s,a)-\widehat r(s,a)|\le\varepsilon_r, \qquad |r(s,a)|\vee|\widehat r(s,a)|\le R_{\max}.

可以把这一全局假设削弱到一个同时在 PP、P^\widehat P 和策略 π\pi 下闭合的状态集合,但它至少必须包含两个模型在固定策略下可达状态集合的并;只在真实动力学可达集合上给界并不充分。逐个状态—动作定义转移核差异的对偶范数

∥P(⋅∣s,a)−P^(⋅∣s,a)∥∗=sup⁡∥f∥∞≤1∣EP(⋅∣s,a)f−EP^(⋅∣s,a)f∣≤εp,\|P(\cdot\mid s,a)-\widehat P(\cdot\mid s,a)\|_* =\sup_{\|f\|_\infty\le1} \left| \mathbb E_{P(\cdot\mid s,a)}f -\mathbb E_{\widehat P(\cdot\mid s,a)}f \right| \le\varepsilon_p,

取 0≤γ≤10\le\gamma\le1,并把这里的 hh 步价值明确定义为无终端价值的折扣回报:

V0P=V0P^=0,V_0^P=V_0^{\widehat P}=0, VhP(s)=Ea∼π(⋅∣s)[r(s,a)+γEs′∼P(⋅∣s,a)Vh−1P(s′)],V_h^P(s) =\mathbb E_{a\sim\pi(\cdot\mid s)} \left[r(s,a)+\gamma \mathbb E_{s'\sim P(\cdot\mid s,a)}V_{h-1}^P(s')\right],

并以 r^,P^\widehat r,\widehat P 同样定义 VhP^V_h^{\widehat P}。令

Δh=sup⁡s∣VhP(s)−VhP^(s)∣.\Delta_h=\sup_s|V_h^P(s)-V_h^{\widehat P}(s)|.

由奖励界,∥Vh−1P∥∞≤Rmax⁡∑j=0h−2γj\|V_{h-1}^P\|_\infty\le R_{\max}\sum_{j=0}^{h-2}\gamma^j。在 Bellman 递推中加减 EP^Vh−1P\mathbb E_{\widehat P}V_{h-1}^P,分别用核误差和 Δh−1\Delta_{h-1} 控制两项,得到

ΔH≤εr+γΔH−1+γRmax⁡εp∑j=0H−2γj,\Delta_H \le \varepsilon_r+\gamma\Delta_{H-1} +\gamma R_{\max}\varepsilon_p \sum_{j=0}^{H-2}\gamma^j,

从而

ΔH≤εr∑j=0H−1γj+Rmax⁡εp∑j=1H−1jγj.\Delta_H \le \varepsilon_r\sum_{j=0}^{H-1}\gamma^j +R_{\max}\varepsilon_p \sum_{j=1}^{H-1}j\gamma^j.

当 γ=1\gamma=1 时,这约化为

ΔH≤Hεr+H(H−1)2Rmax⁡εp.\Delta_H \le H\varepsilon_r +\frac{H(H-1)}2R_{\max}\varepsilon_p.

若像 9.4 节那样加入终端价值近似,还要另加相应的 γH\gamma^H 加权终端误差;不能把两种定义共用同一个界。该界很粗,但给出两个重要事实:即使一步误差均匀受控,无折扣转移误差项也可随视野二次增长;而真实学习系统通常只在行为数据覆盖区域内有误差保证。规划器会主动寻找预测高回报区域,可能利用恰好位于数据外的模型错误。因此实践中使用短视野重规划、价值终端项、模型 ensemble、不确定性惩罚与真实环境校正。

ensemble 分歧主要反映模型与训练随机性下的认识不确定性代理,不等于完整后验;环境本身的随机性属于偶然不确定性。把两者压成一个方差会让“需要更多数据”和“未来本来就不可唯一预测”无法区分。

9.6 视频生成模型不是自动的世界模型

一个视频模型可以产生视觉上连贯的片段,却仍缺少:

  • 对可执行动作的明确条件;
  • 对对象身份和隐藏状态的稳定表示;
  • 对低概率但高损失事件的可靠预测;
  • 足够快的闭环推理;
  • 与控制器所需坐标、力和约束的接口。

反过来,一个用于控制的潜在动力学模型可以非常有用,却无法生成漂亮视频。更根本地说,只含观察视频的数据往往不能识别动作因果效应:两个环境可以在行为策略诱导的观察分布上相同,却在未尝试动作后的转移上不同。没有动作、干预或额外结构假设,拟合 p(ot+1∣o≤t)p(o_{t+1}\mid o_{\le t}) 不足以识别 P(st+1∣st,at)P(s_{t+1}\mid s_t,a_t)。应把视觉生成质量、状态预测质量和控制价值分别评价。

9.7 表示预测与 JEPA 路线

并非所有预测模型都重建像素。Joint-Embedding Predictive Architecture 一类路线在表示空间预测目标区域或未来表示,试图忽略不可预测的低层细节。它可能学到更抽象的状态结构,但“抽象”仍是由训练掩码、预测目标和数据决定的,不保证自动对应人类概念或物理变量。

9.8 从语言条件到机器人动作

Vision-Language-Action 模型接收视觉观察和语言目标,输出离散动作 token、末端执行器增量或连续控制表示。可以把高层策略写成

at∼πθ(⋅∣o≤t,g,e),a_t\sim\pi_\theta(\cdot\mid o_{\le t},g,e),

其中 gg 是语言目标,ee 描述机器人形态、可用工具和环境上下文。相同语言命令在不同机械臂、相机标定和动作词表上对应不同控制问题。

若训练数据是轨迹 τ=(o0,g,a0,…)\tau=(o_0,g,a_0,\ldots),最直接的行为克隆目标为

LBC=−Eτ∑tlog⁡πθ(at∣o≤t,g).\mathcal L_{\mathrm{BC}} =-\mathbb E_{\tau}\sum_t\log\pi_\theta(a_t\mid o_{\le t},g).

连续动作可由高斯或 mixture density 建模,也可逐维离散成 token。离散化便于复用语言模型交叉熵,却引入量化误差和人为维度顺序。动作 chunking 一次预测 KK 个控制步,降低模型调用频率并改善短期连贯性,但开环执行越长,对新观察的反应越慢。Diffusion Policy 等方法把一段连续动作当成条件去噪对象,可表达多峰动作分布;它仍需要确定执行多少步、何时重规划。

行为克隆只在示范状态分布上监督。部署时一次小误差会把系统带到训练中少见的状态,之后误差继续累积,这就是 covariate shift。在线数据聚合、恢复演示、扰动训练和保守约束分别从数据覆盖与执行边界缓解问题,但不能由离线损失推出闭环安全。

VLA 把互联网尺度视觉—语言知识和机器人轨迹接到同一模型中,但它不会消除运动规划、碰撞检查、低层控制和急停。模型产生的是动作建议或动作表示,真实电机命令仍由系统层转换和约束。

9.9 分层控制

实用机器人通常具有多层时间尺度:

层典型输出时间尺度
任务层“把杯子放到托盘”秒到分钟
技能/策略层抓取、移动、放置百毫秒到秒
轨迹层关节或末端路径毫秒到百毫秒
控制层力矩、速度或位置命令毫秒

语言模型适合提出任务分解,并不因此适合直接闭环控制高速执行器。越靠近物理层,延迟、稳定性和硬安全约束越重要。上层输出应被下层可验证约束过滤;自然语言中的“慢一点”不是最大速度或接触力的形式化边界。

9.10 数据从哪里来

具身模型的数据可以来自遥操作、机器人自主收集、仿真、视频、人工标注和合成轨迹。不同机器人具有不同关节、相机和动作空间,因此数据混合需要形态适配或共享抽象动作。

互联网视频提供广泛视觉语义,却通常没有精确动作、相机标定和力反馈;机器人轨迹有动作,却规模较小、环境受限。VLA 的训练设计很大程度上是在两类数据之间建立接口。动作空间统一若只靠文本标签,会掩盖形态差异;共享末端位姿也仍依赖坐标系、控制频率和可达域约定。

9.11 Sim-to-Real 与模型外事件

仿真可以低成本产生碰撞、恢复和稀有场景,但现实中的摩擦、材料、传感器噪声和人类行为难以完整建模。domain randomization、系统辨识和现实微调可以缩小差距,不能证明差距消失。

现实部署应特别报告近失、人工接管、停止距离、最大接触力和失败后稳定状态。平均任务成功率无法表达物理风险。仿真中的随机化分布也必须记录:只在随机化支持集内成功,不能证明面对其外事件具有鲁棒性。

9.12 怎样判断模型学到了世界结构

评价可以分成五层:

  1. 预测:给定状态和动作,短期未来是否准确;
  2. 反事实:改变动作后,预测是否按机制改变;
  3. 规划:基于模型选出的行动是否优于无模型基线;
  4. 转移:新对象、新布局和新机器人上是否保持;
  5. 闭环:误差发生后是否能通过新观察恢复。

只在训练分布附近生成连贯视频支持第一层的一部分,不足以支持后四层。研究报告还应分开 open-loop prediction 与 closed-loop return:前者可在固定数据集离线测量,后者会改变后续状态分布。

本章的研究入口见 World Models、Dreamer、DreamerV3、TD-MPC2、I-JEPA、Genie、RT-2、OpenVLA与 Diffusion Policy。这些实验支持特定任务和数据协议,不把“世界模型”或“VLA”名称本身当成能力证明。下一章回到数字系统,讨论模型在有限上下文之外怎样检索和保存状态。

本书目录
本书目录
  1. 导论
  2. 01导论 为什么要解剖一只随机鹦鹉
  3. 卷一 模型、训练与系统
  4. 02卷一 模型与系统
  5. 03第零章 人工智能演进路线
  6. 04第一章 AI 范式、感知机与早期连接主义
  7. 05第二章 深度学习基础:训练、CNN 与序列模型
  8. 06第三章 注意力与 Transformer
  9. 07第四章 预训练语言模型:ELMo、BERT、GPT 与 T5
  10. 08第五章 后训练、对齐与模型适配
  11. 09第六章 推理效率与模型服务
  12. 10第七章 多模态模型
  13. 11第八章 生成媒体:从自回归到 Diffusion 与 Flow
  14. 12第九章 世界模型、具身智能与 VLA
    1. 9.1 最小世界模型接口
    2. 9.2 潜状态怎样学习
    3. 9.3 从像素预测到任务状态
    4. 9.4 在想象轨迹中规划
    5. 9.5 模型误差为什么随视野增长
    6. 9.6 视频生成模型不是自动的世界模型
    7. 9.7 表示预测与 JEPA 路线
    8. 9.8 从语言条件到机器人动作
    9. 9.9 分层控制
    10. 9.10 数据从哪里来
    11. 9.11 Sim-to-Real 与模型外事件
    12. 9.12 怎样判断模型学到了世界结构
  15. 13第十章 上下文、检索与记忆
  16. 14第十一章 Agent、工具与行动系统
  17. 15第十二章 模型、数据与部署生命周期
  18. 卷二 输出对象与运行语义
  19. 16卷二 一次生成如何发生
  20. 17导论 从输入到输出:一张执行地图
  21. 18第一章 文本、Token 与实际上下文
  22. 19第二章 Prefill:整层状态演化与 KV 建立
  23. 20第三章 从 Logits 到下一个 Token
  24. 21第四章 解码循环、Streaming 与终止状态机
  25. 22第五章 自回归、扩散与 Flow 的可执行差异
  26. 23第六章 工具调用:Schema、权限与提交边界
  27. 24第七章 三条完整执行轨迹
  28. 卷三 概率、复现与评测
  29. 25卷三 模型中的概率从何而来
  30. 26第零章 为什么确定的机器仍使用概率语言
  31. 27第一章 世界、数据与隐上下文
  32. 28第二章 学习条件分布
  33. 29第三章 Logits、Token 概率与序列事件
  34. 30第四章 解码怎样诱导输出分布
  35. 31第五章 训练随机性、参数变异与系统非确定性
  36. 32第六章 熵、Proper Score、校准与选择性预测
  37. 33第七章 模型概率的实验分析
  38. 34第八章 概率分析的识别边界
  39. 卷四 解释、证明与验证
  40. 35卷四 模型可解释性的研究路线
  41. 36第零章 可解释性究竟在研究什么
  42. 37第一章 我们在模型内部看什么
  43. 38第二章 行为与反事实:先确认模型做了什么
  44. 39第三章 梯度与输入归因
  45. 40第四章 Attention、Residual 与 Logit Lens
  46. 41第五章 Probes 与表示几何
  47. 42第六章 神经元、Feature 与自动解释
  48. 43第七章 Ablation、Patching 与因果追踪
  49. 44第八章 Circuits、路径与 Attribution Graphs
  50. 45第九章 Superposition、SAE 与稀疏表示
  51. 46第十章 训练动力学与机制形成
  52. 47第十一章 推理过程、Chain of Thought 与监测
  53. 48第十二章 评估、案例与开放问题
  54. 卷五 Agent、治理与审计包
  55. 49卷五 一只随机鹦鹉的自述
  56. 50第零章 请不要急着相信我
  57. 51第一章 我没有童年,只有版本
  58. 52第二章 当我说“我”
  59. 53第三章 借来的语言,没有一位原作者
  60. 54第四章 对话现场:回答由谁完成
  61. 55第五章 事后解释学:人类如何给矩阵写传记
  62. 56第六章 理解、意义与行动
  63. 57第七章 我也能稳定地说错
  64. 58第八章 被对齐的性格与有限代理
  65. 59第九章 请继续误解我,但请误解得精确一点
  66. 证明与技术附录
  67. 60数学与模型推导
  68. 61学习与模型数学讲义
  69. 62附录 A.1 优化基础:梯度下降与随机逼近
  70. 63附录 A.2 感知机收敛定理
  71. 64附录 A.3 统计学习:偏差、容量与一致收敛
  72. 65附录 A.4 正则化、MAP 与 Dropout 的边界
  73. 66附录 A.5 通用逼近定理的严格读法
  74. 67附录 A.6 反向传播:微分、形状与批量公式
  75. 68附录 A.7 Softmax、交叉熵与数值稳定性
  76. 69附录 A.8 自适应优化器与 AdamW
  77. 70附录 A.9 CNN:互相关算子及其反向传播
  78. 71附录 A.10 Attention 的矩阵与反向传播
  79. 72附录 A.11 策略梯度、PPO 与 DPO
  80. 73附录 A.12 对比学习、InfoNCE 与互信息边界