一文了解大模型性能评测数据、指标以及框架

AgentLLM

笔者最近在对比浏览各种大模型性能时，发现不少机构发布的大模型成绩不是那么详细。排行榜仅存在数据集和分数，对于大多数人来说，可能就看个分数高低就忽略了。因此，本文整理了一些常见的评测数据集和指标说明，希望对于普通读者有所帮助。

常见评测数据集

名称描述类别语言评估指标数量发布机构
MMLU一个涵盖 57 个主题的多项选择题基准，用于评估大规模语言模型的知识和推理能力。知识问答英语Accuracy15000University of California, Berkeley
MMLU ProMMLU 的专业级别版本，包含更具挑战性的问题，旨在评估模型在专业领域的理解和推理能力。知识问答英语Accuracy38500Berkeley Artificial Intelligence Research
GSM8K一个包含 8500 道小学数学题的基准，用于评估模型的数学推理能力。数学推理英语Accuracy8500Google
HumanEval一个包含 164 个手写编程问题的基准，用于评估模型生成代码的能力。代码生成英语Pass@k164OpenAI
MBPP一个包含 974 个简单的 Python 编程问题的基准，用于评估模型生成代码的能力。代码生成英语Pass@k974Google
HellaSwag一个包含 70,000 个多项选择题的基准，用于评估模型的常识推理能力。常识推理英语Accuracy70000University of Washington
ARC一个包含 7787 个多项选择题的基准，用于评估模型的常识推理能力。常识推理英语Accuracy7787Allen Institute for AI
TruthfulQA一个包含 817 个问题的基准，旨在评估模型是否能够生成真实且准确的答案，而不是编造信息。真实性评估英语Accuracy817Google
BIG-bench一个包含 200 多个不同任务的综合基准，用于评估模型的各种能力，包括推理、语言理解和知识。综合评估多语言Varies200Google
C-Eval一个涵盖人文社科、理工科等多个学科的中文多项选择题基准，用于评估模型在中文环境下的知识和推理能力。知识问答中文Accuracy13948清华大学等
SuperGLUE一个包含 8 个自然语言理解任务的基准，旨在评估模型在复杂的语言理解和推理任务上的性能。自然语言理解英语Varies8NYU & Facebook AI
DROP一个需要模型进行离散推理的阅读理解基准，包括计数、比较和排序等操作。阅读理解英语f196000Allen Institute for AI
MATH一个具有挑战性的数学问题数据集，包含代数、微积分、几何、概率等多个领域。数学推理英语Accuracy12500Google
BBHBIG-Bench 的困难子集，包含更具挑战性的任务，用于评估模型的极限能力。综合评估英语Varies23Google
HLE研究生水平以上的超高难度、覆盖超多学科的大模型评测基准知识问答英语Accuracy3000Center for AI Safety
GPQA Diamond测试模型在多种推理场景下的能力，并推动大模型在更加复杂任务上的改进。常识推理英语Accuracy<br/>198CohereAI
SimpleQAOpenAI发布的一个针对大模型事实问答的能力评测基准，可以有效检验模型幻觉严重程度真实性评估英语Accuracy4326OpenAI
SWE-bench一个从GitHub上提炼的真实世界的Python代码仓的任务评测数据集代码生成英语Accuracy2294普林斯顿大学
SWE-bench VerifiedOpenAI基于SWE-Bench提炼的更加准确和更具代表性的大模型代码工程任务解决能力评测代码生成英语Accuracy500OpenAI
MATH-500OpenAI从MATH评测数据集中精选的500个更具代表性的数学评测基准数学推理英语Accuracy500OpenAI

大模式日新月异，随着性能不断提升，老的数据集可能也会被逐步替换或淘汰，各种研究机构也会不断推出新的数据集。这里仅展示比较常见的一些数据集，用于研究学习使用，方便读者举一反三。

数据集示例及测试脚本

问答场景

以mmlu为例，该数据集是选择题，用于评估大规模语言模型的知识和推理能力，常用的字段为question,choices,answer

{
  "question": "Which of the following is a key function of the Golgi apparatus?",
  "choices": ["A) ATP synthesis", "B) Protein modification and sorting", "C) DNA replication", "D) Lipid breakdown"],
  "answer": "B",
  "subject": "biology",
  "source": "https://example.com/bio_questions"
}

基于该数据集的测试代码，构造出一个prompt让模型从上下文选择答案。

from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
import torch
import json
import numpy as np
from tqdm import tqdm

class ModelEvaluator:
    def __init__(self, model_name="mistralai/Mistral-7B-v0.1"):
        self.tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name)
        self.model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
            model_name, 
            torch_dtype=torch.float16,
            device_map="auto"
        )
        
    def evaluate_mmlu(self, dataset_path):
        """评估 MMLU 数据集"""
        correct = 0
        total = 0
        
        with open(dataset_path, 'r') as f:
            questions = json.load(f)
            
        for question in tqdm(questions):
            prompt = f"问题: {question['question']}\n选项:\nA. {question['choices'][0]}\nB. {question['choices'][1]}\nC. {question['choices'][2]}\nD. {question['choices'][3]}\n答案:"
            
            inputs = self.tokenizer(prompt, return_tensors="pt").to(self.model.device)
            outputs = self.model.generate(
                **inputs,
                max_new_tokens=5,
                temperature=0.1
            )
            
            response = self.tokenizer.decode(outputs[0], skip_special_tokens=True)
            predicted_answer = response[-1]  # 取最后一个字符作为答案（假设模型只返回选项）
            
            if predicted_answer == question['answer']:
                correct += 1
            total += 1
            
        return correct / total

推理场景

以HellaSwag为例，该数据集也是选择题，主要用于评估模型的常识推理能力。常用的字段为ctx,endings,label

{
  "activity_label": "Removing ice from car",
  "ctx": "Then, the man writes over the snow covering the window of a car, and a woman wearing winter clothes smiles. then",
  "endings": [
    ", the man adds wax to the windshield and cuts it.",
    ", a person boards a ski lift, while two men support the head of the person...",
    ", the man starts scraping ice off the car window with a scraper.",
    ", the woman opens the car door and gets inside."
  ],
  "label": 2,
  "source_id": "activitynet~v_-1IBHYS3L-Y"
}

同样是构造出一个prompt让模型从上下文选择答案。

def evaluate_hellaswag(self, dataset_path):
    """评估 HellaSwag 数据集"""
    correct = 0
    total = 0
    
    with open(dataset_path, 'r') as f:
        scenarios = json.load(f)
        
    for scenario in tqdm(scenarios):
        # 构建更完整的提示词
        prompt = f"""基于给定的上下文，选择最合理的后续发展。

活动: {scenario['activity_label']}
上下文: {scenario['ctx']}

请选择最合理的后续发展:
A. {scenario['endings'][0]}
B. {scenario['endings'][1]}
C. {scenario['endings'][2]}
D. {scenario['endings'][3]}

请直接回答选项字母(A/B/C/D):"""
        
        inputs = self.tokenizer(prompt, return_tensors="pt").to(self.model.device)
        outputs = self.model.generate(
            **inputs,
            max_new_tokens=5,
            temperature=0.1
        )
        
        response = self.tokenizer.decode(outputs[0], skip_special_tokens=True)
        
        # 提取预测的选项
        predicted_choice = self.extract_answer(response)
        
        # 将字母选项转换为数字索引
        if predicted_choice:
            predicted_index = ord(predicted_choice) - ord('A')
            if predicted_index == scenario['label']:
                correct += 1
        total += 1
        
    return correct / total

def extract_answer(self, response: str) -> str:

    import re
    match = re.search(r'[ABCD]', response)
    if match:
        return match.group(0)
    
    return None

数学场景

以MATH-500为例，该数据集属于简答题，主要用于评估模型的数学能力。常用的字段为problem,solution

\problem{Let $f(x)$ be a differentiable function satisfying $f(x+y) = f(x)f(y)$ for all $x,y \in \mathbb{R}$. Prove that $f(x) = e^{kx}$ for some constant $k$.}


\solution{
1. Let $x=0$, then $f(0+y) = f(0)f(y) \Rightarrow f(y) = f(0)f(y)$. Thus $f(0) = 1$.
2. Differentiate both sides w.r.t $x$: $f'(x+y) = f'(x)f(y)$.
3. Set $x=0$: $f'(y) = f'(0)f(y)$. This implies $f(y) = Ce^{f'(0)y}$.
4. Combine with $f(0)=1$: $C=1$, hence $f(x)=e^{kx}$ where $k=f'(0)$.
}

数学题的评估比较复杂， 不再是判断结果是否正确，一般还需要对步骤进行评分，不同的评测框架可能有所不同，这里仅给出简单的评测思路。

def evaluate_math_problems(self, dataset_path):
    """评估数学问题解答"""
    correct = 0
    total = 0
    results = []
    
    with open(dataset_path, 'r') as f:
        problems = json.load(f)
        
    for problem in tqdm(problems):
        # 构建提示词
        prompt = f"""请解答以下数学问题，给出完整的解题步骤。

问题:
{problem['problem']}

请按照以下格式给出解答:
1. [第一步推导]
2. [第二步推导]
...
最终结论: [结论]

你的解答:"""
        
        # 生成答案
        inputs = self.tokenizer(prompt, return_tensors="pt").to(self.model.device)
        outputs = self.model.generate(
            **inputs,
            max_new_tokens=512,
            temperature=0.2,
            num_return_sequences=1
        )
        
        response = self.tokenizer.decode(outputs[0], skip_special_tokens=True)
        
        # 评估答案
        score = self.evaluate_solution(response, problem['solution'])
        if score >= 0.8:  # 设置阈值
            correct += 1
        total += 1
        
        # 记录详细结果
        results.append({
            'problem': problem['problem'],
            'model_solution': response,
            'reference_solution': problem['solution'],
            'score': score
        })
        
    return {
        'accuracy': correct / total,
        'detailed_results': results
    }

def evaluate_solution(self, model_solution: str, reference_solution: str) -> float:
    """评估解答质量"""
    # 1. 提取关键步骤
    model_steps = self.extract_solution_steps(model_solution)
    ref_steps = self.extract_solution_steps(reference_solution)
    
    # 2. 评分标准
    score = 0.0
    key_points = [
        ('f(0) = 1', 0.25),  # 第一步得出 f(0)=1
        ('f\'(x+y)', 0.25),  # 求导
        ('f\'(y) = f\'(0)f(y)', 0.25),  # 代入 x=0
        ('e^{kx}', 0.25)  # 最终结论
    ]
    
    # 3. 检查每个关键点
    for point, weight in key_points:
        if any(point.lower() in step.lower() for step in model_steps):
            score += weight
    
    return score

def extract_solution_steps(self, solution: str) -> List[str]:
    """提取解答步骤"""
    # 移除 LaTeX 标记
    solution = solution.replace('\\solution{', '').replace('}', '')
    
    # 分割步骤
    steps = []
    for line in solution.split('\n'):
        line = line.strip()
        if line and line[0].isdigit() and '.' in line:
            steps.append(line.split('.', 1)[1].strip())
    
    return steps

代码场景

以SWE-bench为例，该数据集是GitHub上真实存在的issue，用于衡量模型解决真实软件问题的能力。

{
  "repo": "pytorch/pytorch",
  "issue_id": 12345,
  "problem_statement": "Fix dimension mismatch in torch.nn.LSTM when batch_first=True",
  "code_context": "class LSTM(nn.Module):\n    def forward(self, x):\n        # Original code...",
  "patch": "diff --git a/torch/nn/modules/rnn.py b/torch/nn/modules/rnn.py\n+ if batch_first:\n+     x = x.transpose(0, 1)",
  "test_cases": ["test_lstm_batch_first_dim()"]
}

代码生成问题一般用Pass@k指标进行衡量，用于评估模型生成代码的正确性和稳定性。

def evaluate_problem(self, problem: SWEBenchProblem) -> Dict:
    """评估单个问题的多次生成结果"""
    results = {
        "pass@1": 0,
        "pass@3": 0,
        "pass@5": 0,
        "generations": []
    }
    
    # 构建提示词
    prompt = self.create_prompt(problem)
    
    # 生成多次代码
    for i in range(self.n_generations):
        # 生成代码
        generated_code = self.generate_code(prompt)
        
        # 测试生成的代码
        test_result = self.test_code(generated_code, problem)
        
        # 记录结果
        results["generations"].append({
            "code": generated_code,
            "passed": test_result["passed"],
            "error": test_result.get("error", None)
        })
        
        # 更新 pass@k 指标
        if test_result["passed"]:
            if i < 1:
                results["pass@1"] = 1
            if i < 3:
                results["pass@3"] = 1
            if i < 5:
                results["pass@5"] = 1
                
    return results

def create_prompt(self, problem: SWEBenchProblem) -> str:
    """创建代码生成提示词"""
    return f"""请修复以下 PyTorch 代码中的问题。

问题描述：
{problem.problem_statement}

代码上下文：
{problem.code_context}

需要通过的测试用例：
{', '.join(problem.test_cases)}

参考修复 patch：
{problem.patch}

请提供完整的修复后的代码："""

def generate_code(self, prompt: str) -> str:
    """生成代码"""
    inputs = self.tokenizer(prompt, return_tensors="pt").to(self.model.device)
    outputs = self.model.generate(
        **inputs,
        max_new_tokens=512,
        temperature=0.2,
        num_return_sequences=1
    )
    
    return self.tokenizer.decode(outputs[0], skip_special_tokens=True)

def test_code(self, code: str, problem: SWEBenchProblem) -> Dict:
    """测试生成的代码"""
    result = {
        "passed": False,
        "error": None
    }
    
    try:
        # 创建临时文件
        with tempfile.NamedTemporaryFile(suffix='.py', delete=False) as f:
            # 写入必要的导入
            f.write(b"import torch\nimport torch.nn as nn\n\n")
            # 写入生成的代码
            f.write(code.encode())
            # 写入测试用例
            for test in problem.test_cases:
                f.write(f"\n\n{test}".encode())
            
        # 运行测试
        process = subprocess.run(
            ['python', f.name],
            capture_output=True,
            text=True,
            timeout=30  # 30秒超时
        )
        
        # 检查测试结果
        result["passed"] = process.returncode == 0
        if not result["passed"]:
            result["error"] = process.stderr
            
    except Exception as e:
        result["error"] = str(e)
    finally:
        # 清理临时文件
        if 'f' in locals():
            os.unlink(f.name)
            
    return result

常见指标说明

1. Pass@k

● 定义：

在代码生成任务中，模型生成 k 个候选代码样本，其中至少有一个样本能通过单测的概率。

● 计算公式：

$Pass@k=\dfrac{至少一个正确的样本数}{总问题数} \times 100%$

● 应用场景：

HumanEval、SWE-bench 等代码生成任务，衡量模型生成正确代码的能力。

2. Accuracy（准确率）

● 定义：

这个是机器学习领域一个常见的指标，即分类任务中，正确预测的样本数占总样本数的比例。

● 计算公式：

$Accuracy=\dfrac{TP+TN}{TP+TN+FP+FN} \times 100%$

● 应用场景： MMLU、C-Eval 等多选题评测，要求模型在给定的上下文选项中选择正确答案。

3. F1 Score

● 定义：

精确率（Precision）和召回率（Recall）的调和平均数，同样也是机器学习的一个常用指标。

● 计算公式：

$Accuracy=2\times \dfrac{Precision \times Recall}{Precision+Recall}$

● 应用场景：

DROP等阅读理解任务中，要求模型进行理解并生成答案。

4.其他变体指标

4.1 Prompt Strict：

● 定义：

严格检查模型的输出是否满足提示词的所有要求（格式、内容、长度等），主要衡量模型的结构化输出能力。

● 应用场景：

需要严格的输出格式， 如结构化数据生成、API 接口调用等。

4.2 n-shot F1

● 定义：

使用了n-shot样本学习场景下的F1分数，相比F1提升了少样本，用于衡量模型的泛化能力。

● 应用场景：

文本生成任务，信息抽取，问答系统等传统nlp任务。

4.3 Pass@k-COT

● 定义：

评估k次生成中是否有正确的思维链推理过程

● 应用场景：

数学推理问题, 逻辑推理题等需要多步骤迭代计算等场景。

评测框架与工具

通过前面的分析对比可知，不同的数据集和指标的评测要求是不一样的，而生成模型的生成结果具有不确定性，例如一些不好的prompt可能会导致测评结果不可信，因此业界一般会按照统一的评测框架来进行对比，以此保证测试结果的公平性。

1. OpenCompass

OpenCompass是上海人工智能实验室一个开源的大模型评测框架，包含100+个常见的大模型评测数据集，同时支持主流开源模型和API，允许多个模型并行测试。使用方式非常简单，通过pip即可安装。并且针对国产昇腾芯片和框架进行了优化。

OpenCompass-界面.png

在 OpenCompass 中，每个评估任务由待测模型和数据集组成。评估的入口脚本是 run.py。可以通过命令行或配置文件修改要测试的模型或数据集。

启动测试脚本：

python run.py \
    --datasets demo_gsm8k_chat_gen demo_math_chat_gen \
    --hf-type chat \
    --hf-path internlm/internlm2-chat-1_8b \
    --debug

更多使用方法可参考官方教程： https://opencompass.readthedocs.io/zh-cn/latest/get_started/quick_start.html

2. LM Evaluation Harness

lm-evaluation-harness同样是一个开源的大模型评估框架，用户可通过YAML或Python脚本自定义评测任务，对于国外的大模型支持比较全面。

测试命令：

lm_eval --model hf \
    --model_args pretrained=EleutherAI/gpt-j-6B \
    --tasks hellaswag \
    --device cuda:0 \
    --batch_size 8

更多使用方法可参考官方教程： https://github.com/EleutherAI/lm-evaluation-harness

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