自然语言到 SQL 的曙光：我们准备好了吗？

发布于：2024 年 10 月 08 日

各位读者，国庆假期已过，我们打工人要开启奋斗新征程了，今天小编也是刚上班假期综合征还没过去，就被抓过来读论文，还好我在假期没闲着，整理了几篇关于 NL2SQL 的最新论文跟大家分享。
在当今数字化时代，将用户的自然语言问题转换为SQL查询（nl2sql）对于降低访问关系数据库的门槛具有重要意义。随着大型语言模型（LLM）的出现，nl2sql任务的性能得到了显著提升，但这也引发了一个关键问题：我们是否已经完全准备好在生产环境中部署nl2sql模型？

一、nl2sql的发展历程与研究背景

（一）nl2sql方法的演进

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从图1和图2可以看出，nl2sql 方法在过去二十年中经历了从 基于规则 的方法、基于神经网络 的方法、基于可调节预训练语言模型（PLM）到基于大型语言模型（LLM）的演变。早期的基于规则的方法如 NaLIR，依赖于预定义规则或语义解析器，适应性、可扩展性和泛化能力有限。随着神经网络的发展，出现了像IRNet这样的序列到序列方法。2017年左右，Transformer和Spider数据集的引入推动了基于PLM的方法的兴起，例如BERT和T5等模型在基准数据集上取得了很好的结果。而近年来，ChatGPT和GPT - 4等大型语言模型的出现使基于LLM的方法占据了主导地位。

（二）现有研究的局限性

1. **忽视使用场景：**现有评估通常报告在整个基准数据集（如 Spider）上的总体结果，缺乏对特定数据子集的详细比较。例如，没有根据不同的 SQL 特性或数据库领域进行区分，无法深入了解不同 nl2sql 模型对于特定 SQL 查询类型或特定领域场景的相对有效性。 2. **缺乏直接和全面的比较：**许多基于 LLM 和 PLM 的 nl2sql 解决方案没有在成熟的基准和定制数据集上进行系统的比较。 3. **对 nl2sql 设计空间的探索有限：**当前的 nl2sql 研究和实践在使用 LLM 和 PLM 模块探索 nl2sql 框架的设计空间方面存在局限，限制了我们对如何协同整合不同架构和功能模块以增强 nl2sql 解决方案的理解。

二、NL2SQL360 评估框架

（一）框架概述

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为了解决上述问题，本文提出了一个多角度的nl2sql评估框架NL2SQL360，其框架如图4所示，包含六个核心组件。

基准数据集（Benchmark Datasts）
维护了广泛使用的基准数据集，如Spider、BIRD、Spider-Realistic、Dr.Spider、KaggleDBQA、WikiSQL 等。
模型库（Model Zoo）
包含了在 Spider 和 BIRD 排行榜上的一系列有竞争力的开源 nl2sql 模型，主要包括基于 LLM 和基于 PLM 的方法。
数据集过滤（Dataset Filter）

引入了数据集过滤机制，可根据不同标准将测试数据集分离为更有针对性的子集。例如：
- SQL 复杂性（SQL Complexity）：从简单到复杂的查询进行分类，以评估nl2sql方法处理不同难度SQL的能力。
- SQL 特性（SQL Characteristics）：针对主要使用特定功能（如JOIN操作、子查询或聚合函数）的SQL查询进行分类，评估系统处理不同SQL功能的能力。
- 数据领域（Data Domains）：探索系统在不同数据领域（如金融、医疗保健和零售）的性能，评估领域特定的能力和潜在限制。
- 查询方差测试（Query Variance Testing）：评估nl2sql系统在处理自然语言查询变化时的稳健性和灵活性。
4. 评估器（Evaluator）
利用日志数据自动生成定量评估，并以易于理解的表格或排行榜形式呈现。还提供可视化工具和仪表板进行交互式分析，方便用户比较不同维度的nl2sql解决方案。
5. 评估指标（Evaluation Metrics）
采用了一系列广泛接受的指标，包括执行准确率（Execution Accuracy，EX）和精确匹配准确率（Exact Match Accuracy，EM）来评估生成的 SQL 查询的有效性，使用有效效率得分（Valid Efficiency Score，VES）来衡量生成有效 SQL 查询的效率。此外，还提出了查询方差测试（Query Variance Testing）这一新指标，用于评估模型对不同形式的自然语言查询的适应能力。
6. 执行器和日志（Executor and Logs）
用户可以定制 nl2sq l模型的评估工作流程，设置超参数和指标等参数。测试床会自动在基准数据集和自定义子集上运行模型，并记录所有结果，这些日志为模型分析提供了详细的见解。

（二）实验设置与结果分析

1. **实验设置** 使用 Spider 和 BIRD 数据集的开发集作为实验数据集，包含1034和1534个（nl，sql）样本。评估了 13 种基于 LLM 和 7 种基于 PLM 的 nl2sql 方法，比较了不同方法在准确性、效率等方面的性能。 2. **准确性实验结果**![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/437c8b0797bb7f10f70f58135923a3d6.png)![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/fcab03e570607c57a0efcbe4896fe2dc.png) - **准确性与SQL复杂性** 从表3和表4可以看出，在不同难度的SQL子集上，基于LLM的方法在执行准确率（EX）指标上超过基于PLM的方法，而基于PLM的方法在精确匹配准确率（EM）指标上总体表现更好。这表明微调是提高性能的重要策略，基于LLM的方法微调后在EX指标上表现最佳，基于PLM的方法在EM指标上表现最佳。 - **准确性与SQL特性**![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/c509ecf946e082d75c5c8c2fa0736283.png) - ![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/c4a431531310095c017ec41c3803db23.png) * **子查询（Subquery）**：如图5、图6和图7所示，所有方法在处理子查询时表现最差，但基于LLM的方法在有子查询的场景中总体上优于基于PLM的方法，尤其是使用 GPT-4 的方法表现更好，这表明模型的内在推理能力对处理子查询至关重要。 * **逻辑连接器（Logical Connector）**：在需要逻辑连接器的场景中，基于LLM 的方法优于基于PLM的方法。 * **JOIN操作**：在涉及JOIN操作的场景中，基于LLM的方法也表现出优势，将NatSQL作为中间表示可以降低预测JOIN操作的复杂性并可能提高模型性能。 * **ORDER BY**：在有ORDER BY子句的场景中，基于PLM和LLM的方法在不同数据集上的性能有所不同，一般来说基于LLM的方法具有更强的泛化能力。 - **查询方差测试**：![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/1fcdab48a5bd623eb44578beea556065.png)从图8可以看出，在查询方差测试（QVT）指标上，基于LLM和基于PLM的方法没有明显的胜者，但微调后的LLM通常比提示的LLM具有更高的QVT，这可能是由于微调后模型输入与特定数据分布对齐，减少了自然语言变化对性能的影响。 - **数据库领域适应性**：![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/06ceee93625ea1c43fca79e2eff03a67.png)如图9所示，不同的 nl2sql 方法对不同领域表现出不同的偏向，基于LLM和基于PLM的方法之间没有明显的胜者。但微调后的方法在有更多训练数据库的领域表现更好，而提示的方法在训练数据库较少的领域表现出色，这表明微调过程中的领域内数据对特定领域的模型性能至关重要。 3. **效率实验结果** - **基于LLM的方法的经济性**：从表5可以看出，基于提示的LLM方法中，调用GPT-3.5-turbo的方法在执行准确率与平均成本的比率上更高，具有更高的成本效益。虽然 DAILSQL（SC）在执行准确率上有所提高，但成本也增加，降低了成本效益。 - **基于PLM的方法的效率**：从表6可以看出，随着模型大小的增加，GPU内存和延迟也会增加。不同的基于PLM的方法在执行准确率、延迟和GPU内存使用方面表现不同，模型选择应考虑延迟和硬件资源。

三、nl2sql设计空间探索与SuperSQL模型

（一）设计空间探索

1. **预处理（Pre - Processing）** 包括模式链接和数据库内容模块。模式链接将自然语言查询引用映射到数据库模式元素，增强跨领域通用性和复杂查询生成；数据库内容模块将查询条件与数据库内容对齐。 2. **提示策略（Prompting Strategy）** 分为 zero-shot和 few-shot策略。PLM-based方法通常使用 zero-shot，而 LLM-based 方法则有所不同，如C3SQL采用 zero-shot，DAILSQL和DINSQL使用 few-shot。 3. **SQL生成策略（SQL Generation Strategy）** 包括多步、解码策略和中间表示三个关键方面。不同的方法采用不同的策略，如PLM - based的RESDSQL采用“sql skeleton-sql”的多步策略，LLM-based的 DINSQL 采用“Subquery-sql”的多步策略；PLM-based 的 PICARD 采用强制 SQL 语法合规的解码策略，而 LLM-based 方法缺乏这种解码级别的限制；一些方法采用 NatSQL 作为中间表示来解决自然语言到 SQL 翻译的不匹配问题。 4. **后处理（Post - Processing）** 包括自我纠正、自我一致性、执行引导的SQL选择器和 N-best重排器等策略。

（二）NL2SQL360 - AAS 算法与 SuperSQL 模型

1. **NL2SQL360 - AAS 算法** 受到神经架构搜索（NAS）算法的启发，在 NL2SQL360 框架内设计了 nl2sql 自动化架构搜索算法（NL2SQL360 - AAS）。该算法包括初始化、个体选择、nl2sql 模块交换和 nl2sql 模块突变四个主要步骤，旨在自动探索 nl2sql 解决方案的预定义设计空间，以找到更好的 nl2sql 个体。 2. **SuperSQL模型** 通过 NL2SQL360 - AAS 算法在 Spider 开发集上搜索得到的 SuperSQL 模型，其组成如下： - **预处理**：采用 RESDSQL 的模式链接和 BRIDGE v2 的数据库内容模块。 - **提示**：使用 DAILSQL的 Few-shot模块按相似性选择上下文示例。 - **SQL生成**：采用OpenAI的贪婪解码策略，不使用多步或NatSQL。 - **后处理**：采用DAILSQL的自我一致性策略。 SuperSQL在Spider和BIRD测试集上分别取得了87.0%和62.66%的执行准确率，在执行准确率、效率和经济性等方面均表现出色，优于其设计空间内的所有基线模型。

四、研究机会与未来方向

（一）提高nl2sql方法的可信度

1. **处理模糊的自然语言查询** 可以探索查询重写器自动优化自然语言查询，以及查询自动完成帮助用户制定查询的策略。 2. **解释nl2sql解决方案** 开发nl2sql调试器检测错误的SQL查询，以及SQL和查询结果解释方法帮助用户评估结果是否符合要求。

（二）开发具有成本效益的nl2sql方法

基于LLM的nl2sql方法在令牌消耗方面成本较高，探索模块化nl2sql解决方案和多智能体框架，结合LLM优化准确性和效率是未来的研究方向。

（三）自适应训练数据生成

nl2sql方法的有效性很大程度上取决于训练数据的质量和覆盖范围，动态生成（nl，sql）对使用模型评估反馈是一个有前途的研究方向，可以解决领域适应问题并确保训练数据的多样性和高质量。

五、结论

本文提出了NL2SQL360评估框架，从多个角度对nl2sql方法进行了评估和分析。通过实验研究得出了一系列关于nl2sql方法性能的新发现，并利用NL2SQL360探索了nl2sql解决方案的设计空间，自动搜索得到了SuperSQL模型。SuperSQL模型在不同的数据集和测试指标上表现出色，为nl2sql任务提供了一种有效的解决方案。同时，本文还指出了未来nl2sql研究的几个方向，包括提高方法的可信度、开发成本效益高的方法和自适应训练数据生成等。这些研究成果为nl2sql领域的进一步发展提供了重要的参考和指导。

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论文地址：https://arxiv.org/pdf/2406.01265

The Dawn of Natural Language to SQL: Are We Fully Ready?

代码地址：https://github.com/HKUSTDial/NL2SQL360

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/BCxFZ2EV1xh-VlYYyR1FgQ

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