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使用 LangChain、pgvector、Cohere Command R 和 HuggingFace all-MiniLM-L12-v1 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。)
  • Cohere Command R: 该模型旨在高性能检索任务中表现出色，具备理解和生成自然语言的先进能力。它在语义搜索和文档摘要方面的优势，使其非常适合用于客户支持、内容生成和知识管理等应用，这些领域对准确性和上下文相关性要求极高。
  • HuggingFace all-MiniLM-L12-v1: 这个模型是一个轻量级的变换器，旨在高效地处理自然语言理解和生成任务。它在提供高质量的嵌入方面表现出色，适用于搜索、聚类和对话AI等多种应用，同时保持小巧的资源占用，以实现更快的推理和部署。非常适合资源受限的环境或移动应用程序，它在性能与效率之间达到了良好的平衡。

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 Cohere Command R

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.chat_models import init_chat_model

llm = init_chat_model("command-r", model_provider="cohere")

第 3 步：安装并配置 HuggingFace all-MiniLM-L12-v1

pip install -qU langchain-huggingface

from langchain_huggingface import HuggingFaceEmbeddings

embeddings = HuggingFaceEmbeddings(model_name="sentence-transformers/all-MiniLM-L12-v1")

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。

Cohere Command R 优化建议

Cohere Command R 旨在进行检索增强生成，使高效的上下文检索和排名对于系统性能至关重要。通过使用 Cohere 的基于嵌入的搜索优化检索管道，以识别和排序最相关的文档，从而减少不必要的输入上下文，同时保持准确性。通过微调温度设置来提高响应质量；较低的值（0.1–0.2）最适合结构化的事实基础查询，而较高的值则在生成的响应中引入更多的变异性。利用提示模板保持一致的格式，确保输出的清晰性。实施批处理，当多个查询需要相似的上下文时，减少冗余的 API 调用。为了提高效率，缓存顶部查询结果，并利用增量上下文更新，而不是重复发送完整的文档集。如果在大规模部署，实时监控延迟和响应一致性，动态调整检索阈值，以实现速度和完整性之间的最佳平衡。

HuggingFace all-MiniLM-L12-v1 优化建议

为了优化 HuggingFace 的 all-MiniLM-L12-v1 模型以适应你的检索增强生成 (RAG) 设置，可以考虑实施混合精度训练，以加快计算速度并减少内存使用，这样可以处理更大的批量大小。在微调过程中实验性地冻结某些层，以保留某些参数并优化其他参数，从而确保更快的收敛。使用高效的数据预处理管道以减少输入瓶颈，并为频繁访问的数据实施缓存机制。此外，利用模型蒸馏技术创建更小、更快的模型版本，同时保持相当的性能，并尝试不同的池化策略，以找到最有效的方式来浓缩检索到的文档，以便提供更好的上下文输入。最后，根据验证性能定期监控和微调超参数，如学习率和批量大小，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，你已经解锁了将尖端工具结合起来构建强大RAG系统的魔力！你学会了LangChain如何作为粘合剂，无缝地协调你的向量数据库（pgvector）、LLM（Cohere Command R）和嵌入模型（Hugging Face的all-MiniLM-L12-v1）之间的工作流程。LangChain灵活的框架让你可以设计管道，从pgvector高效的向量存储中检索相关的上下文，将原始文本转化为具有意义的嵌入，利用all-MiniLM的轻量化精确度生成类人响应，使用Cohere Command R的先进推理。所有这些工具共同构建了一个能够深入理解查询、获取准确的信息并提供自然、知情回答的系统，同时考虑到可扩展性和性能。

但等等，还有更多！你还学到了优化你的RAG管道的专业技巧，比如调节pgvector的索引策略以加快搜索速度，以及在选择模型时平衡性价比与质量。教程甚至提供了一个免费的RAG成本计算器，帮助你进行实验而不至于破产。现在你已经看到这些组件如何搭配在一起，想象一下你接下来可以构建什么——定制的聊天机器人、研究助手，甚至是AI驱动的知识库！你在这里获得的技能是你的发射台。那就开始吧——调整那些参数，尝试新的数据集，让你的创造力肆意驰骋。智能应用的未来掌握在你手中，而你已经完全准备好去塑造它。让我们一起构建一些伟大的东西吧！🚀

欢迎反馈！

我们很期待听到你的使用心得与建议！ 🌟 你可以：

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