使用 LangChain、Faiss、NVIDIA BGE-M3 和 IBM all-minilm-l12-v2 构建 RAG 聊天机器人

什么是 RAG

检索增强生成（Retrieval-Augmented Generation，简称 RAG）正引领生成式 AI，尤其是对话式 AI 的新潮流。它将预训练的大语言模型（LLM，如 OpenAI 的 GPT）与存储于向量数据库（如 Milvus、Zilliz Cloud）中的外部知识源相结合，从而让模型输出更准确、更具上下文相关性，并且能够及时融合最新信息。 一个完整的 RAG 系统通常包含以下四大核心组件：

• 向量数据库：用于存储与检索向量化后的知识；
• 嵌入模型：将文本转为向量表示，为后续的相似度搜索提供支持；
• 大语言模型（LLM）：根据检索到的上下文和用户提问生成回答；
• 框架：负责将上述组件串联成可用的应用。

核心组件说明

本教程将带你在 Python 环境下，借助以下组件一步步搭建一个初级的 RAG 聊天机器人：

• LangChain: 一个开源框架，帮助你协调大语言模型、向量数据库、嵌入模型等之间的交互，使集成检索增强生成（RAG）管道变得更容易。
• Faiss: 也被称为 Facebook AI Similarity Search，是一个开源的向量搜索库，可让开发者在庞大的 非结构化数据集内快速搜索语义相似的多媒体数据。(如果您需要更具扩展性的解决方案，或不想管理自己的基础设施，我们推荐使用 Zilliz Cloud，这是一个基于开源项目 Milvus 构建的全托管向量数据库服务，并提供支持最多 100 万个向量的免费套餐)。
• NVIDIA BGE-M3: NVIDIA BGE-M3 是一款尖端的语言模型，旨在生成类人文本，适用于多种自然语言处理任务。它的优势在于能够产生连贯且具有上下文相关性的响应，使其非常适合用于聊天机器人、内容创作和虚拟助手等应用。BGE-M3 在理解细微的输入方面表现出色，为用户提供高度准确且引人入胜的互动，从而增强多个行业中的自动化沟通系统。
• IBM all-minilm-l12-v2: 这个模型是一个紧凑而强大的基于变换器的架构，针对自然语言理解和处理任务进行了优化。它在需要高效计算而不牺牲性能的场景中表现出色，非常适合应用于聊天机器人、信息检索和情感分析等领域。其轻量化设计使其能够在资源受限的环境中集成，同时保持竞争力的准确性。

完成本教程后，你将拥有一个能够基于自定义知识库回答问题的完整聊天机器人。

注意事项: 使用专有模型前请确保已获取有效 API 密钥。

实战：搭建 RAG 聊天机器人

第 1 步：安装并配置 LangChain

%pip install --quiet --upgrade langchain-text-splitters langchain-community langgraph

第 2 步：安装并配置 NVIDIA BGE-M3

pip install -qU "langchain-nvidia-ai-endpoints"

import getpass
import os

if not os.environ.get("NVIDIA_API_KEY"):
  os.environ["NVIDIA_API_KEY"] = getpass.getpass("Enter API key for NVIDIA: ")

from langchain.chat_models import init_chat_model

llm = init_chat_model("baai/bge-m3", model_provider="nvidia")

第 3 步：安装并配置 IBM all-minilm-l12-v2

pip install -qU langchain-ibm

import getpass
import os

if not os.environ.get("WATSONX_APIKEY"):
  os.environ["WATSONX_APIKEY"] = getpass.getpass("Enter API key for IBM watsonx: ")

from langchain_ibm import WatsonxEmbeddings

embeddings = WatsonxEmbeddings(
    model_id="sentence-transformers/all-minilm-l12-v2",
    url="https://us-south.ml.cloud.ibm.com",
    project_id="<WATSONX PROJECT_ID>",
)

第 4 步：安装并配置 Faiss

pip install -qU langchain-community

from langchain_community.vectorstores import FAISS

vector_store = FAISS(embedding_function=embeddings)

第 5 步：正式构建 RAG 聊天机器人

在设置好所有组件之后，我们来搭建一个简单的聊天机器人。我们将使用 Milvus介绍文档 作为私有知识库。你可以用你自己的数据集替换它，来定制你自己的 RAG 聊天机器人。

import bs4
from langchain import hub
from langchain_community.document_loaders import WebBaseLoader
from langchain_core.documents import Document
from langchain_text_splitters import RecursiveCharacterTextSplitter
from langgraph.graph import START, StateGraph
from typing_extensions import List, TypedDict

# 加载并拆分博客内容
loader = WebBaseLoader(
    web_paths=("https://milvus.io/docs/overview.md",),
    bs_kwargs=dict(
        parse_only=bs4.SoupStrainer(
            class_=("doc-style doc-post-content")
        )
    ),
)

docs = loader.load()

text_splitter = RecursiveCharacterTextSplitter(chunk_size=1000, chunk_overlap=200)
all_splits = text_splitter.split_documents(docs)

# 索引分块
_ = vector_store.add_documents(documents=all_splits)

# Define prompt for question-answering
prompt = hub.pull("rlm/rag-prompt")


# 定义应用状态
class State(TypedDict):
    question: str
    context: List[Document]
    answer: str


# 定义应用步骤
def retrieve(state: State):
    retrieved_docs = vector_store.similarity_search(state["question"])
    return {"context": retrieved_docs}


def generate(state: State):
    docs_content = "\n\n".join(doc.page_content for doc in state["context"])
    messages = prompt.invoke({"question": state["question"], "context": docs_content})
    response = llm.invoke(messages)
    return {"answer": response.content}


# 编译应用并测试
graph_builder = StateGraph(State).add_sequence([retrieve, generate])
graph_builder.add_edge(START, "retrieve")
graph = graph_builder.compile()

测试聊天机器人

Yeah! You've built your own chatbot. Let's ask the chatbot a question.

response = graph.invoke({"question": "What data types does Milvus support?"})
print(response["answer"])

示例输出

Milvus 支持多种数据类型，包括稀疏向量、二进制向量、JSON 和数组。此外，它还支持常见的数值类型和字符类型，使其能够满足不同的数据建模需求。这使得用户能够高效地管理非结构化或多模态数据。

优化小贴士

在搭建 RAG 系统时，合理调优能显著提升性能与效率。下面为各组件提供一些实用建议：

LangChain 优化建议

为了优化 LangChain，需要通过高效地构建链路和代理来减少工作流程中的冗余操作。使用缓存避免重复计算，从而加快系统速度，并尝试采用模块化设计，确保模型或数据库等组件能够轻松替换。这将提供灵活性和效率，使您能够快速扩展系统，而无需不必要的延迟或复杂性。

Faiss 优化建议

为了提升 Faiss 库在检索增强生成（RAG）系统中的性能，首先根据数据量和查询速度要求选择合适的索引类型；例如，使用 IVF（倒排文件）索引可以通过减少搜索空间，显著加速大数据集上的查询。通过使用 nlist 参数将数据划分为更小的簇，并在检索时设置合适的探测数 (nprobe)，以平衡速度和准确性，从而优化索引过程。确保向量得到正确的归一化，并在索引过程中考虑使用 16 位或 8 位量化，以减少大数据集的内存占用，同时保持合理的检索准确性。此外，如果可用，可以考虑利用 GPU 加速，因为 Faiss 受益于并行处理，能够加快最近邻搜索的速度。通过不断微调和基于不同参数与配置的基准测试，您可以找到最适合数据特性和检索需求的高效设置。

NVIDIA BGE-M3 优化建议

为了在检索增强生成（RAG）设置中优化 NVIDIA BGE-M3，确保您的数据检索系统经过精细调优，以实现可重用性和相关性——考虑实施缓存机制以存储频繁访问的文档。此外，实验检索参数，例如最近邻搜索中的 k 值，可以为您的特定任务产生更好的结果。利用混合精度训练来提高吞吐量并减少内存使用，同时不影响模型性能。定期通过验证测试监控和微调超参数，以实现速度和准确性之间的最佳平衡。最后，利用 NVIDIA 的 TensorRT 或 ONNX 优化工具进行模型部署，以最大化推理效率。

IBM all-minilm-l12-v2 优化建议

为了在检索增强生成（RAG）设置中优化IBM all-minilm-l12-v2模型，可以考虑在特定领域的数据集上进行微调，以增强其对特定用例的相关性和准确性。实施模型蒸馏技术，以在保持性能的同时减少推理时间。此外，通过根据输入数据调整最大序列长度，确保高效的批处理，并利用混合精度训练来提高计算效率。定期评估模型在不同检索方法下的性能，以确定最佳组合，并考虑对频繁访问的数据采用缓存策略，以最小化延迟。最后，在微调过程中，尝试不同的超参数，如学习率和丢弃率，以实现最佳结果。

通过系统性实施这些优化方案，RAG 系统将在响应速度、结果准确率、资源利用率等维度获得全面提升。 AI 技术迭代迅速，建议定期进行压力测试与架构调优，持续跟踪最新优化方案，确保系统在技术发展中始终保持竞争优势。

RAG 成本计算器

估算 RAG 成本时，需要分析向量存储、计算资源和 API 使用等方面的开销。主要成本驱动因素包括向量数据库查询、嵌入生成和 LLM 推理。RAG 成本计算器是一款免费的在线工具，可快速估算构建 RAG 的费用，涵盖切块（chunking）、嵌入、向量存储/搜索和 LLM 生成。能帮助你发现节省费用的机会，最高可通过无服务器方案在向量存储成本上实现 10 倍降本。

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收获与总结

通过深入这个教程，你已经解锁了结合最前沿工具的力量，从零开始构建一个完全功能的RAG系统！你已经看到LangChain如何作为粘合剂，将你的数据、语言模型和检索系统串联在一起，协调它们之间的工作流。利用FAISS作为你的向量数据库，你学习了如何以闪电般的速度存储和搜索嵌入，使得从庞大的数据集中高效地检索丰富上下文信息成为可能。嵌入模型如NVIDIA的BGE-M3和IBM的all-minilm-l12-v2的魔力活灵活现地展现出来，你将文本转化为有意义的向量，捕捉语义细微差别，使得你的LLM能够生成准确、相关的响应。 这些工具共同构成了一个无缝的管道，在这个管道中，检索和生成携手并进，将原始数据转化为可操作的见解或创意输出。此外，你还获得了优化性能的专业提示，例如通过混合搜索策略平衡速度和准确性，或利用量化来减少内存使用而不牺牲质量。还有一个额外的好消息：你探索的那个免费的RAG成本计算器帮助你明智地制定预算，确保你的项目保持可扩展和具有成本效益。

现在，你已经看到这些组件如何组合在一起，RAG的世界属于你去征服！无论你是在构建聊天机器人、研究助手，还是自定义AI工具，你已经具备了实验、迭代和创新的基础。调整你的嵌入模型以适应特定领域的任务，尝试不同的分块策略，或微调你的LLM以获得更准确的输出。最棒的部分是？你所做的每一个改进都将对整个系统产生影响，解锁新的可能性。所以启动你的IDE，加载你的数据，开始创造吧——你的想法值得飞翔。记住，你所写的每一行代码都将使你更接近解决现实世界的问题或创造一些真正突破性的东西。准备好，开始构建吧！🚀

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