诺基亚贝尔实验室与巴黎理工学院联手破解AI"格式枷锁"

这项由诺基亚贝尔实验室（Nokia Bell Labs）与法国巴黎理工学院旗下的巴黎电信学院（Télécom Paris, Institut Polytechnique de Paris）联合开展的研究，以预印本形式发布于2026年5月，论文编号为arXiv:2601.07525v2，对技术细节感兴趣的朋友可以通过这个编号去检索原文。

你发现吗？其实大语言模型也面临着完全一样的烦恼。

想想看，当你用AI工具处理工作时，很多时候并不是简单的闲聊，而是需要它输出结构化的内容。比如医院系统要生成标准化的诊断代码，财务软件要输出固定格式的数据，开发者工具则要求代码符合特定语法规范。这些场景的共同特点是：输出必须“合规”，不能有丝毫偏差，否则后续系统根本无法处理。

然而，这个问题比表面看起来要棘手得多。这场拉锯战的本质是——AI被要求同时完成两件事：既要好好思考问题，又要精确地把答案装进规定的格式盒子里。格式盒子越严格，思维空间就越受限。

研究团队给出的解决方案是一个名为“In-Writing”的新框架。这就像一个“先打草稿，后誊正”的工作流程，让AI在思考阶段完全自由发挥，直到它把问题彻底想清楚了，在准备输出最终答案时才启动格式约束机制。实验结果表明，这个看似简单的思路，在多项任务上的准确率最高可以比原有方法提升27%。

一、AI回答问题为什么需要“格式”这件事？

在深入理解这项研究之前，需要先搞明白一个背景问题：AI为什么要在乎格式？

用一个直观的比方来说，这就像餐厅的后厨系统和前台点单系统之间的对接。顾客可能用各种方式说“我要一份宫保鸡丁，少辣”，但后厨收到的指令必须是标准化的代码格式，比如“item_code: 0031, spice_level: 1”。如果AI输出的答案像顾客点单一样随意，后台系统根本不知道该怎么处理。

正因如此，研究人员长期致力于让AI输出更加规范、可解析的内容。目前主流的方法大致分为三种路线，而这三种路线各有明显的缺陷，这也正是本研究的出发点。

二、三条老路各有各的坑

第一条路：自然生成（Natural Generation）

就像它名字一样，让AI像聊天一样随意回答，不施加任何格式限制。这种方式的优点是AI的思维完全自由，能充分展开推理过程，推理质量往往相当不错。但缺点也同样明显：AI有时候会把答案藏在一大段文字中间，需要额外设计程序去“挖”出来，而且挖出来的结果还不一定准。更重要的是，输出格式无法保证，对于需要结构化输出的工业场景，几乎没有实用价值。

第二条路：硬约束解码（Constrained Decoding）

这是研究界为了解决格式问题而开发的技术。它的工作原理类似于给AI戴上一副特殊的“滤镜”——在AI每生成一个词之前，系统会检查这个词是否符合预先设定的格式规范，如果不符合就直接屏蔽掉，强迫AI只能选择“合法”的词语。从格式保证的角度来说，这种方法非常可靠，输出的内容百分之百符合规范。但问题在于，这副“滤镜”同时也限制了AI的思维。实验发现，这种方法会让AI在推理阶段就受到约束，导致一些在普通情况下完全正确的推理路径被强行切断，最终结果反而变差了。这就像你在解数学题时，老师规定你只能使用“加法”和“减法”，所以你不得不放弃更简洁的乘法解法，绕了一大圈才得到答案，有时候甚至绕不回来。

第三条路：两阶段转换（NL-to-Format）

这条思路算是前两种方法的折中。具体做法是先让一个AI用自然语言给出完整的推理和答案，然后再用另一个（通常更大、更贵的）AI把这个自然语言答案转换成需要的格式。这种方法在一定程度上兼顾了推理质量和格式规范，但代价是需要调用两次AI，成本翻倍，而且转换过程本身也可能出错，特别是在需要输出复杂多字段格式时，转换质量很不稳定。

还有另一种叫做CRANE的方法，试图在推理过程中来回切换“自由模式”和“约束模式”，用特殊的分隔符号来区分哪些部分是AI在自由推理，哪些部分需要受到格式约束。虽然这个思路有一定创意，但执行起来相当复杂，而且切换的时机很难把控，实际效果也受到了研究团队的质疑。

三、“先打草稿，再誊正”的In-Writing框架

面对这三条老路的各种缺陷，研究团队提出了In-Writing。它的核心理念可以用书法练习来理解：先在草纸上随意挥洒，把所有想法都记录下来，等到思路完全清晰之后，再拿出正式的格式纸，工工整整地誊写最终答案。

具体的技术实现方式是这样的：AI在回答问题时，首先进入“自由推理阶段”，这个阶段完全没有任何格式约束，AI可以用任何它觉得合适的方式思考和表达。当AI认为自己已经想清楚了，它会输出一个特定的“触发词”（trigger token）。这个触发词就像是草稿纸上写下“定稿如下”四个字，标志着推理阶段的结束和格式化输出阶段的开始。从触发词出现的那一刻起，系统才会启动格式约束机制，确保接下来的最终答案完全符合预定规范。

研究团队在原论文中用了一个颇为传神的类比：这种方法类似于图像处理领域的“修复绘画”技术（inpainting），就是只对图像的特定区域进行处理，而不改动其他部分。In-Writing同样只对“最终答案输出”这个特定区域施加格式约束，让推理过程保持完整和自由。

从数学角度来理解（别担心，这里只是帮助理解思路，不需要真正去做计算），传统的约束解码会让格式要求影响到整个推理过程，导致很多合理的推理路径被提前排除。而In-Writing通过将推理阶段和格式化阶段彻底分离，使得推理过程完全不受格式条件的干扰，只有最终的答案输出才需要满足格式要求。这种分离带来的好处是双重的：推理质量不会因为格式约束而下降，同时最终输出又能保证百分之百的格式合规性。

四、触发词的选择大有讲究——“早醒”的烦恼

研究团队在设计In-Writing时遇到了一个棘手的问题，他们将其称为“过早触发”（premature triggering）。

回到书法的比喻：如果你在草稿纸上写了一半，突然以为自己已经写好了，就急忙切换到正式格式纸开始誊写，结果发现还有很多内容没想清楚，这时候再想回去补充草稿就麻烦了。In-Writing面临的是类似的问题——如果触发词选择不当，AI可能在还没推理完的时候就误以为“该输出答案了”，从而过早启动格式约束，把后续的推理过程也强行套进格式里，反而破坏了推理质量。

研究团队测试了两种触发词策略。第一种叫做“In-Writing-Base”，使用了两个触发词：一个是“句子结束符”（``，即AI认为一段话已经说完的信号），另一个是大括号“{”（JSON格式的开始符号，因为研究团队选择用JSON这种结构化格式来包装最终答案）。问题在于，AI在推理过程中可能随时产生大括号这个符号，比如在描述一个集合或者举例时，这就会意外触发格式约束，截断正在进行的推理。

第二种叫做“In-Writing*”，只使用一个触发词，就是“句子结束符”``。这个选择的逻辑很简单：``只有在AI真正认为整段输出已经完成时才会出现，它不会在推理中途随意出现。因此，用``作为唯一触发词，可以确保AI在完全自由地推理完毕并自然结束之后，才开始格式化输出。实验结果表明，这个简单的调整几乎完全消除了过早触发的问题，特别是在需要复杂数学推理的任务上，In-Writing-Base可能因为过早触发而损失超过30%的准确率，而In-Writing*则能稳定保持最优性能。

五、实验设计：公平竞技场上的全面检验

为了验证In-Writing的效果，研究团队搭建了一个非常全面的测试体系，而且特意设计了一个对自己不利的条件，以此来证明方法的鲁棒性。

在模型选择上，团队测试了18个来自五个不同系列的开源语言模型，参数规模从15亿到140亿不等，涵盖了Qwen（通义千问系列）、Llama、Gemma、DeepSeek以及SmolLM这些在业界广泛使用的模型家族。所有测试都在NVIDIA A40显卡上本地运行，而非依赖商业API服务。

在测试任务上，团队选择了两大类共七个数据集。推理类任务包括：需要多步数学推理的小学数学题库（GSM8K）、将数字替换为变量以测试代数泛化能力的符号变体（GSM-Symbolic）、将单词最后一个字母拼接起来的字母连接任务（Last Letter Concatenation），以及预测物品在一系列交换操作后位置的打乱物品任务（Shuffled Objects）。分类类任务包括：49类医学诊断数据集（DDXPlus）、5类金融文本分类（MultiFin）、体育相关句子的真实性判断（Sports Understanding），以及对格式非常敏感的刻板印象多选题（NI-Task 280）。

特别值得关注的是，研究团队在实验设计上有一个主动“让步”：他们沿用了之前其他研究团队的提示词模板，而这些模板完全没有为In-Writing的输出格式提供任何引导。换句话说，AI在推理完之后，完全靠格式约束机制自动输出结构化答案，而不是因为提示词中已经告诉它“请用JSON格式输出答案”。这种设计使得测试条件对In-Writing相对不利，但结果表明，即便在这种不利条件下，In-Writing依然表现优异。

六、数字背后的故事：实验结果说明了什么

实验结果揭示了几个非常有意思的现象，每一个都值得细细品味。

第一个现象是“提取方式决定成败”。研究团队发现，在使用相同提示词的情况下，自然生成（NL）、两阶段转换（NL-to-Format）和In-Writing*这三种方法实际上产生了完全相同的推理过程，区别只在于最后一步如何从推理结果中提取答案。也就是说，AI想到的内容是一样的，但不同的“提取工具”带来了截然不同的准确率。In-Writing*的结构化约束提取方式比用另一个大模型来解读的方式更准确，最高可以多提取出27%的正确答案。这个发现非常重要，因为它表明在很多情况下，准确率的差异并不来自AI的推理能力，而来自最后的答案提取环节。

第二个现象是“大模型解读也会出错”。两阶段转换方法依赖一个更大的AI来解读第一个AI的输出，理论上应该很可靠。但实验中发现，解读模型有时候会犯很奇怪的错误。在DDXPlus医学诊断任务上，解读模型有时候会在正确答案前面加上一大段解释性文字，比如“符合给定有效诊断列表的最终答案是……”然后才给出诊断名称，导致后续程序无法正确匹配答案。更令人担忧的是，在字母连接任务中，解读模型有时候会“纠正”第一个AI的输出——比如第一个AI在字母之间加了不必要的连字符，解读模型把这些连字符去掉了，有时候这样的“纠正”反而把错误答案变成了正确答案。这意味着两阶段方法有时候不是在“提取”答案，而是在“修改”答案，这本质上是一种不透明的操作，让人无法信任最终结果的来源。

第三个现象是“格式约束不是银弹”。研究团队通过详细分析发现，In-Writing虽然表现出色，但并非完美无缺。在GSM8K数学题中，存在一些案例，AI在自由推理阶段得出的文字答案是“52500美元”，但最终的格式化输出却只写了“52”。这说明格式约束机制在将推理结果“翻译”成结构化输出时，有时候会截断或误解原始推理，这是未来需要继续改进的方向。

在与CRANE方法的对比上，数字差异更加显著。以Llama 3.1-8B模型为例，CRANE在GSM-Symbolic任务上的准确率是33%，而In-Writing*达到了59%，差距高达26个百分点。CRANE框架导致了远超正常水平的性能下降，说明它的语法约束确实对推理过程造成了实质性伤害，而In-Writing*的下降幅度则维持在正常范围内。

七、解析能力与效率：两个不容忽视的维度

除了准确率之外，研究团队还从两个额外维度对比了各种方法的表现：格式合规率（parsability）和词汇消耗效率。

在格式合规率方面，In-Writing*在所有测试场景中都达到了100%的格式合规率。相比之下，自然生成方法的格式合规率因模型大小和任务类型而差异悬殊，有些情况下甚至不足40%。两阶段转换方法虽然提升了格式合规率，但仍然无法保证100%，而且解读阶段使用的提示词和模型对结果影响极大，稳定性较差。

在词汇消耗效率方面，结果相当令人满意。In-Writing*比自然生成方法多消耗的词汇量非常有限，通常只多出5到20个词（这些额外词汇主要是JSON格式所需的括号、引号等结构性符号）。相比之下，两阶段转换方法虽然在当前测试中只多消耗了2到5个词，但这只是因为测试中的解读任务相对简单；当需要提取的是复杂的多字段结构化输出时，第二个AI需要消耗的词汇量会急剧增加，而且这第二次推理本身就是一笔不小的计算开销。

此外，研究团队在复核前人数据时，发现了一些实验设计上的问题。比如，在打乱物品任务的提示词模板中，有两个变体明明列出了七个选项（A到G），却在指令中错误地写道“请从以下四个选项中选择”。另外，少样本示例中有几个题目（比如“挪威男人很无聊”的答案竟然是“种族”）和目标任务毫无关联，这些问题都可能影响对比结果的可靠性。这些发现也提醒我们，看待任何AI性能对比数据时，都需要关注实验设计本身的严谨性。

八、重叠分析：谁能弥补谁的不足？

研究团队还做了一项很有价值的“交叉分析”：在相同推理过程的基础上，In-Writing*和两阶段转换方法分别在哪些题目上成功，哪些上失败，两者的成功与失败是否重叠？

以字母连接任务为例，SmolLM3-3B模型的分析结果显示：有53.5%的题目两种方法都做对了，有34%的题目两种方法都做错了，有0.7%的题目只有两阶段转换做对了，而In-Writing*做错了，但有高达11.8%的题目只有In-Writing*做对了，而两阶段转换却失败了。这个分布说明，In-Writing*能够弥补两阶段转换大部分的失败案例，而两阶段转换能弥补的In-Writing*失败案例却很少。

这种不对称性的来源是两种方法的根本差异：In-Writing*的格式约束机制除了提取答案之外，还能对答案进行隐性的“纠错”——如果AI在推理中输出了格式不合规的内容（比如在字母之间加了多余的空格），格式约束会在输出最终答案时自动过滤掉这些错误，将正确的内容以规范格式呈现出来。这是一种免费附赠的纠错功能。

局限性不回避：研究团队的坦诚

研究团队在论文中明确承认了In-Writing当前版本的主要不足：整个研究过程中，他们没有对提示词进行任何专门针对In-Writing的优化。测试中使用的所有提示词都是为自然生成或两阶段转换方法设计的，里面通常包含类似“请在最后用'answer is:'前缀给出答案”这样的指引，这对In-Writing来说完全没有用。更进一步，随着少样本示例数量的增加，AI会越来越倾向于严格遵守“answer is:”这个格式，反而在某些情况下降低了In-Writing和两阶段转换方法的提取准确率。这表明，如果专门为In-Writing设计优化的提示词，其表现很可能还会进一步提升。

此外，格式约束机制偶尔会在将推理结果转化为结构化输出时产生错误，比如截断数字或混淆符号，这是技术层面仍需改进的问题。

归根结底，In-Writing提供了一个在推理质量和格式规范之间实现双赢的清晰思路：不是让AI在思考时就戴上格式枷锁，而是让它先自由思考，然后通过一个精准的“最后一公里”格式约束将答案装进合适的容器里。这个思路的成本极低（只多消耗5到20个词汇），带来的收益却相当可观——无论是准确率、格式合规率还是系统复杂度的降低，都有明显改善。

对于那些需要在工作中使用AI工具处理结构化输出任务的人来说，这项研究意味着一种更可靠、更高效的AI部署思路即将成为可能。不必再纠结于“要准确率还是要格式”，未来的AI系统完全可以在单次调用中同时做好这两件事。有兴趣进一步了解技术细节的朋友，研究团队已在GitHub（Nokia-Bell-Labs/InWriting）开放了全部代码，同时原论文arXiv:2601.07525也提供了完整的理论推导和实验数据。

Q&A

Q1：In-Writing框架和普通的AI回答方式有什么区别？

A：普通方式要么让AI完全自由回答（格式没保障），要么从一开始就给AI套上格式枷锁（推理受限）。In-Writing的区别在于它把这两个阶段分开：先让AI完全自由地把问题想清楚，等AI认为自己推理完毕、产生一个特定的“结束信号”之后，才启动格式约束，把最终答案规规矩矩地输出成需要的格式，两个阶段互不干扰。

Q2：过早触发问题是怎么产生的，怎么解决？

A：过早触发是指AI在还没推理完的时候，就误触发了格式约束机制，导致后续推理被强行截断。这个问题的根源是触发词选择不当——如果用大括号“{”作为触发词，AI在推理中随时可能用到这个符号，就会意外启动格式约束。解决方案是只用“句子结束符”作为唯一触发词，因为这个信号只有在AI真正认为整段输出已经完成时才会出现，几乎完全消除了过早触发的风险。

Q3：In-Writing多消耗的词汇量会不会显著增加使用成本？

A：不会。实验数据显示，In-Writing*相比普通自然生成方式，只多消耗5到20个词汇，这些额外的词主要是JSON格式所需的括号和引号等结构性符号。相比之下，两阶段转换方法需要再调用一个大模型来解析答案，整体计算开销远高于In-Writing，而且第二次调用还需要把第一次的完整输出作为输入，输入词汇量本身就很大。所以In-Writing的额外开销是相当微小且固定的。