使用 LangChain、pgvector、Anthropic Claude 3 Sonnet 和 Cohere embed-multilingual-v3.0 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。
• Pgvector: 一个面向 PostgreSQL 的开源扩展，可高效存储和查询高维向量数据，适用于机器学习和 AI 应用。该扩展专为处理嵌入数据而设计，支持使用 HNSW 和 IVFFlat 等算法进行快速的近似最近邻（ANN）搜索。但由于它只是传统搜索的向量搜索附加组件，而非专门构建的向量数据库，因此在可扩展性、可用性以及其他企业级应用所需的高级功能方面存在不足。因此，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。)
• Anthropic Claude 3 Sonnet: Claude 3 系列中的这款先进模型专注于创造性和细腻的文本生成。它对上下文和语调有深刻的理解，非常适合应用于创意写作、对话生成和讲故事。其生成清晰而引人入胜的散文的能力，使其成为内容创作和娱乐领域的理想选择。
• Cohere embed-multilingual-v3.0: 这个模型提供高质量的多语言文本嵌入，能够有效理解不同语言之间的语义。它的优势在于捕捉细微的含义并促进跨语言的搜索和分析。非常适用于全球客户支持、内容推荐和多语言数据分析等应用，提升了多语言沟通和洞察提取的能力。

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 Anthropic Claude 3 Sonnet

pip install -qU "langchain[anthropic]"

import getpass
import os

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

from langchain.chat_models import init_chat_model

llm = init_chat_model("claude-3-sonnet-20240229", model_provider="anthropic")

第 3 步：安装并配置 Cohere embed-multilingual-v3.0

pip install -qU langchain-cohere

import getpass
import os

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

from langchain_cohere import CohereEmbeddings

embeddings = CohereEmbeddings(model="embed-multilingual-v3.0")

第 4 步：安装并配置 pgvector

pip install -qU langchain-postgres

from langchain_postgres import PGVector

vector_store = PGVector(
    embeddings=embeddings,
    collection_name="my_docs",
    connection="postgresql+psycopg://...",
)

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。

pgvector 优化建议

为了优化 pgvector 在检索增强生成（RAG）设置中的表现，可以考虑使用 GiST 或 IVFFlat 索引向量，以显著加快搜索查询并提高检索性能。确保在查询执行过程中利用并行化，使得多个查询能够同时处理，尤其是在处理大数据集时。通过调整向量存储大小并在可能的情况下使用压缩嵌入来优化内存使用。为了进一步提升查询速度，可以实现预过滤技术，在查询之前缩小搜索空间。定期重建索引，以确保其与新数据保持同步。通过微调向量化模型来减少维度，同时不牺牲准确性，从而提升存储效率和检索时间。最后，仔细管理资源分配，利用水平扩展处理更大的数据集，并将计算密集型操作卸载到专用处理单元，以保持在高流量期间的响应能力。

Anthropic Claude 3 Sonnet 优化建议

Claude 3 Sonnet 在速度和准确性之间提供了平衡，使其成为 RAG 系统的多功能选择。通过限制每个查询检索的文档数量来优化检索效率，以避免过多的上下文窗口使用，这可能会减慢响应时间。使用语义切块技术将文档分解为有意义的部分，确保仅将最相关的信息传递给模型。根据用户查询的复杂性动态调整温度和采样参数，对于事实性响应使用较低的值，对于生成创意文本时使用较高的值。实施结构化提示，以引导模型向更精确的答案发展，减少响应中的歧义。如果集成多个模型，则在面对适度复杂的查询时使用 Sonnet 作为中间选项，同时将 Opus 保留用于高风险推理任务。利用 Claude 的 API 优化功能，例如流式传输，以提高响应时间和系统效率。

Cohere embed-multilingual-v3.0 优化建议

Cohere embed-multilingual-v3.0 旨在支持多语言，使其在全球 RAG 系统中非常有用。为优化性能，需要通过处理语言特有的细节（如分词和特殊字符）来预处理多语言输入，以保持不同语言之间的一致性。实现语言检测模型以过滤和路由查询到合适的语言嵌入，从而提高速度和相关性。使用如 FAISS 或 HNSW 等索引结构加快跨多语言数据集的搜索速度。采用量化等技术压缩嵌入，以优化存储，同时确保质量。为了处理可扩展性，利用分布式存储系统高效管理多语言嵌入。持续重新训练和更新嵌入，以反映新语言或不断演变的语言模型。

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

通过深入本教程，你已经解锁了结合尖端工具构建复杂RAG系统的力量！你学习了LangChain如何作为粘合剂，灵活而轻松地编排组件之间的数据流。通过将pgvector集成作为你的向量数据库，你亲眼看到了如何高效地存储和检索嵌入，利用PostgreSQL的可靠性来扩展你的语义搜索能力。接着，神奇的Anthropic的Claude 3 Sonnet将检索到的上下文转化为类似人类的连贯响应，展示了它理解细微差别和提供高质量输出的能力。将这一点与Cohere的embed-multilingual-v3.0模型结合，使你的系统能够无缝处理多语言查询，打破语言障碍，让你的应用程序在全球范围内可访问。所有这些元素共同形成了一个既动态又智能的强大RAG管道—准备应对客户支持、研究或个性化内容生成等现实世界挑战。

但是等等，还有更多！你还学习了一些专业技巧来优化性能，比如调整块大小和在成本与质量之间平衡，甚至发现了一个免费的RAG成本计算器，让你的项目保持预算友好。现在你已经看到这些工具如何协调，想象一下可能性！无论你是在增强现有应用还是创造全新的东西，你都具备构建更智能、更快速和更包容的AI解决方案的能力。所以，继续尝试，迭代，让你的创造力肆意奔放。RAG的世界等待你来塑造，有了这些技能在你的工具箱中，你将创造无限可能。开始构建，持续优化，让你的创新闪耀！🚀

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