使用 LangChain、LangChain vector store、OpenAI GPT-4o 和 IBM granite-embedding-278m-multilingual 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-4o: 这款来自OpenAI的先进模型专注于生成高度连贯和上下文相关的文本。它对细微语言的理解得到了提升，在创意写作、对话代理和教育内容方面表现出色。GPT-4o非常适合需要深入回应和创造力的应用，具有跨行业的多样性。
• IBM granite-embedding-278m-multilingual: 这款先进的AI模型专注于生成多语言文本嵌入，因此在跨语言信息检索和翻译等任务中非常高效。凭借其理解多种语言的能力，它在涉及全球数据集和多语言客户互动的应用中表现出色。

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-4o

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-4o", model_provider="openai")

第 3 步：安装并配置 IBM granite-embedding-278m-multilingual

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="ibm/granite-embedding-278m-multilingual",
    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-4o 优化建议

GPT-4o针对速度和效率进行了优化，使其成为高性能RAG应用的绝佳选择。通过优化检索策略来最大化效率——使用重新排名的方法来优先考虑与模型相关性最高的文档。在保持检索上下文简洁的同时，减少令牌消耗，并确保提示遵循结构化格式。将温度调整至（0.1-0.2）以获得精确、基于事实的响应，同时在创意或探索性任务中略微提高温度。利用OpenAI API的流媒体功能来优化响应速度，减少实时应用的延迟。实施提示模板以标准化输入并减少响应中的变异性。使用混合搜索（结合关键词搜索和向量搜索）以实现更准确和上下文相关的检索。定期监控API延迟和响应一致性，动态调整检索参数以实现最佳性能。

IBM granite-embedding-278m-multilingual 优化建议

为了优化IBM granite-embedding-278m-multilingual以适应您的检索增强生成（RAG）设置，考虑对与您的用例相关的特定领域数据进行微调，这有助于提高嵌入的准确性。在处理查询时使用小批量，以平衡内存效率和速度，确保充分利用GPU加速。为经常访问的文档实施缓存机制，以减少检索延迟，并尝试使用不同的相似度度量，以找到最适合您数据的度量。定期监测性能，并迭代学习率和嵌入维度等超参数，以进一步增强您的检索能力。

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

" 通过本教程的学习，您已经解锁了从零开始构建检索增强生成（RAG）系统的魔力！您已经看到LangChain如何充当将一切连接在一起的粘合剂，协调工作流程并简化组件之间的复杂交互。LangChain向量存储为您的数据提供动力，高效地存储和检索丰富的上下文信息，而IBM的granite-embedding-278m-multilingual模型则通过生成捕捉文本精髓的嵌入，为系统增添了一层智能——即使是在多种语言之间。接着，OpenAI的GPT-4o将所有内容汇聚在一起，利用检索到的上下文生成类人、深思熟虑的回复。这些组成部分共同形成了一个无缝的管道，为人工智能应用程序提供了准确性、相关性和适应性。您还学到了一些优化性能的专业技巧，比如微调检索参数和权衡成本效率，甚至发现了一个免费的RAG成本计算器，帮助您在扩展时更智能地制定预算。

但这不仅仅是关于遵循步骤——这是一种解锁您创造力的方法！您现在拥有了构建能够回答问题、总结内容或以几乎神奇的方式个性化交互的系统的工具。本教程向您展示了如何做，但接下来做什么完全取决于您。无论您是优化管道、尝试新数据集，还是探索多语言能力，可能性都是无穷无尽的。那么，继续前进——调整、测试和创新。RAG的世界等待你来塑造，您写的每一行代码都使我们更接近智能、直观的人工智能。准备好留下您的印记了吗？开始构建，让您的想法飞扬吧！🚀 "

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