使用 LangChain、LangChain vector store、OpenAI GPT-4 和 IBM all-minilm-l6-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。
• LangChain in-memory vector store: 一个内存型， 临时性 的向量存储，将嵌入数据存储在内存中，并通过精确的线性搜索找到最相似的嵌入。默认的相似度度量是余弦相似度，但可以更改为 ml-distance 支持的任何相似度度量。目前该存储仅适用于演示，不支持 ID 或删除操作。 (如果您需要为应用程序或企业项目提供更具扩展性的解决方案，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。)
• OpenAI GPT-4: GPT-4 是 OpenAI 的先进语言模型，旨在实现全面理解和上下文感知的文本生成。它在创意写作、复杂问题解决和细致对话方面表现出色，适用于内容创作、辅导和交互式人工智能等应用。其强大的能力使其能以深度和连贯性处理各种主题。
• IBM all-minilm-l6-v2: 此模型是一个紧凑、高效的基于变压器的语言表示模型，针对需要快速推理的任务进行了优化。它在自然语言理解任务中表现优异，如情感分析和信息检索，使其非常适合用于聊天机器人、搜索引擎和数据标注等应用。

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 OpenAI GPT-4

pip install -qU "langchain[openai]"

import getpass
import os

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

from langchain.chat_models import init_chat_model

llm = init_chat_model("gpt-4", model_provider="openai")

第 3 步：安装并配置 IBM all-minilm-l6-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-l6-v2",
    url="https://us-south.ml.cloud.ibm.com",
    project_id="<WATSONX PROJECT_ID>",
)

第 4 步：安装并配置 LangChain vector store

pip install -qU langchain-core

from langchain_core.vectorstores import InMemoryVectorStore

vector_store = InMemoryVectorStore(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。

LangChain in-memory vector store 优化建议

LangChain 内存型向量存储只是一个临时性的向量存储，它将嵌入数据存储在内存中，并进行精确的线性搜索以找到最相似的嵌入。它的功能非常有限，仅适用于演示。如果您计划构建一个功能完整甚至生产级的解决方案，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。)

OpenAI GPT-4 优化建议

GPT-4 是一个强大的 RAG 应用模型，但优化检索和提示效率是降低成本和提高响应质量的关键。使用基于嵌入的检索，以确保包含高度相关的上下文，同时避免不必要的令牌使用。简洁地构建提示，清晰地以排名格式展示检索到的文档，以引导模型的关注。针对基于事实的任务微调温度（0.1-0.3），并调整 top-p 和 top-k 采样以控制响应的变异性。对频繁查询的信息实现缓存，以减少冗余的 API 调用并提高延迟。如果在高流量应用中使用 GPT-4，请批量请求以最小化开销并优化吞吐量。利用 OpenAI 的函数调用功能以编程方式构建响应，避免过多的幻觉。在实时应用中使用响应流以改善感知性能，同时保持高效的令牌使用。

IBM all-minilm-l6-v2 优化建议

为了优化IBM all-minilm-l6-v2在检索增强生成（RAG）设置中的性能，请考虑实现精简的查询预处理，以去除停用词并标准化文本，确保输入查询简洁且相关。对频繁检索的结果层叠缓存策略可以显著降低延迟，而用特定领域的数据微调模型则能提升相关性和准确性。此外，在推断过程中实验批处理以利用并行化，并监控和调整如学习率和最大令牌计数等超参数，以精炼模型响应。最后，确保您的检索系统与生成过程无缝集成，以保持生成输出中的上下文和连贯性。

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

"到现在为止，你已经亲身体验到了将尖端工具如LangChain、向量数据库（如LangChain内置的向量存储）、OpenAI的GPT-4以及IBM的all-minilm-l6-v2嵌入模型结合起来创建无缝RAG管道是多么强大！你已经了解到LangChain如何作为将所有部分结合在一起的“粘合剂”，协调工作流、分块数据并管理组件之间的交互。向量数据库作为你的记忆强大动力，存储和检索由轻量级而高效的IBM模型生成的稠密嵌入，该模型将文本转化为捕捉意义的数值表示。接着，GPT-4作为创造性的“大脑”闪耀，将检索到的信息综合成连贯、有上下文的回答。这个教程不仅向你展示了如何连接这些部分；它还强调了为什么这些部分重要——比如在向量存储中优化分块大小或调整元数据过滤器可以显着提高性能。此外，你探索的免费RAG成本计算器帮助你平衡准确性和预算，使实验变得更容易，而无需破产。

但这仅仅是个开端！你已经构建了一个理解上下文、动态检索知识并生成类人回答的系统——这是一个可以为聊天机器人、研究工具或个性化助手调整的基础。现在轮到你进一步推进这些概念。试验不同的嵌入模型、优化检索策略或整合新的数据源。工具掌握在你手中，可能性无穷无尽。无论你是在优化速度、成本还是创意，每一次调整都解锁了新的潜力。所以，去吧——构建一些大胆的东西，毫无畏惧地实验，看看你的想法如何变为现实。智能应用的未来掌握在你手中，一次一个RAG驱动的创新！🚀"

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