使用 LangChain、pgvector、Anthropic Claude 3.5 Sonnet 和 NVIDIA embed-qa-4 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 3.5 Sonnet: Claude 3系列中的这个先进模型旨在实现深刻理解和创造性的语言生成。凭借增强的提示理解和上下文意识，它在复杂对话、创意写作和高级内容创作中表现卓越。非常适合需要深入参与和高质量输出的应用场景。
• NVIDIA embed-qa-4: 这个模型专注于问答任务，利用最先进的嵌入技术来提高准确性和理解能力。其优势在于理解上下文并有效地检索精确信息。非常适合用于客户支持、教育平台以及任何需要快速、基于上下文的用户问询回应的领域。

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 3.5 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-3-5-sonnet-latest", model_provider="anthropic")

第 3 步：安装并配置 NVIDIA embed-qa-4

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_nvidia_ai_endpoints import NVIDIAEmbeddings

embeddings = NVIDIAEmbeddings(model="NV-Embed-QA")

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 3.5 Sonnet 优化建议

Claude 3.5 Sonnet 提供了增强的推理能力，同时在速度和复杂性之间保持平衡。通过优化检索管道来优先考虑排名最高的上下文，减少不必要的令牌消耗。使用自适应切块方法提供结构化和简洁的上下文，确保模型只接收最相关的信息。实施动态查询选择方法，将简单的问题路由到 Claude 3.5 Haiku，以提高成本和速度效率，同时将 Sonnet 保留用于更深层次的推理。通过批处理和响应缓存来优化 API 请求处理，以降低延迟。微调温度和采样设置，对于基于检索的任务保持较低，以实现确定性的输出。使用系统指令来指导响应，改善一致性并减少幻觉。如果大规模部署，利用并行查询执行和实时监控，根据系统性能指标动态调整工作负载。

NVIDIA embed-qa-4 优化建议

NVIDIA embed-qa-4 是一种高性能的嵌入模型，专为 RAG 系统中的问答任务优化。通过在文档和句子级别生成嵌入，提高检索效率，实现精细匹配。使用相似度阈值调节来平衡检索文档时的精准度和召回率。对于大规模应用，采用 GPU 加速的 ANN 搜索框架，如 FAISS，并优化索引参数。缓存经常使用的嵌入以减少 API 开销并加快查询处理。在处理动态知识库时，实施定期重新嵌入更新文档，以保持搜索相关性。考虑通过集成基于元数据的过滤器与向量搜索相结合，来微调检索管道，以提高上下文准确性。

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。

立即使用 RAG 成本计算器

Calculate your RAG cost

收获与总结

通过深入这个教程，你已经解锁了从零开始构建RAG系统的核心魔法！你看到LangChain如何作为连接一切的胶水——编排工作流程、管理数据流，并简化组件之间的交互。将其与pgvector（一个PostgreSQL扩展）结合，为你提供了一个强大的向量数据库，以存储和高效地检索嵌入，将非结构化数据转变为可查询的知识。然后是明星产品：Anthropic的Claude 3.5 Sonnet，它令人惊艳的能力是生成类人、上下文感知的响应，以及NVIDIA的embed-qa-4，它以精确度将文本转换为高维向量，确保你的语义搜索结果每次都能击中目标。这些工具共同构成了一个无缝的流程——对数据进行分块、嵌入、存储、检索相关上下文，并综合出几乎令人心灵感应的答案！

但等等，还有更多！你还学习了优化RAG系统的专业技巧，比如平衡分块大小以兼顾准确性和速度、调整元数据以实现更智能的检索，甚至使用免费的RAG成本计算器来预算你的AI实验。想象一下现在的可能性：理解细微差别的聊天机器人、几秒钟内就能提取洞察的研究工具，或者感觉像是心灵读者的个性化助手。这不仅仅是关于构建应用程序——这是关于塑造智能系统的未来。所以，继续吧，启动你的代码编辑器，尝试这些工具，让你的创意尽情挥洒。世界需要你的想法，而现在你已经拥有了实现它们的工具包。构建、优化、创新——你的RAG旅程才刚刚开始！🚀

欢迎反馈！

我们很期待听到你的使用心得与建议！ 🌟 你可以：

• 在下方留言；
• 加入 Milvus Discord 社区，与全球 AI 爱好者一起交流。 如果你觉得本教程对你有帮助，别忘了给 Milvus GitHub 仓库点个 ⭐，这将激励我们不断创作！💖