使用 LangChain、pgvector、OpenAI GPT-4 和 IBM granite-embedding-107m-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。
• 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。)
• 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 granite-embedding-107m-multilingual: 这个AI模型专注于生成多语言嵌入，能够实现不同语言之间的语义理解。它拥有1.07亿个参数，在跨语言检索、翻译和情感分析等任务中表现出色，非常适合需要对多样语言环境进行细致理解的全球应用。

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 granite-embedding-107m-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-107m-multilingual",
    url="https://us-south.ml.cloud.ibm.com",
    project_id="<WATSONX PROJECT_ID>",
)

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。

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 granite-embedding-107m-multilingual 优化建议

为了优化IBM granite-embedding-107m-multilingual模型在检索增强生成（RAG）设置中的表现，首先应在特定领域的数据上对模型进行微调，以提高其相关性和上下文理解能力。使用批处理生成嵌入以增强吞吐量，并为频繁查询的嵌入实现缓存机制以减少延迟。定期评估和更新检索策略，使用各种指标，如准确率和召回率，以确保你始终检索到最相关的数据。此外，考虑用多样的多语言输入来增强数据集，以开发对不同语言的更强理解，并尝试不同的超参数设置，如学习率和嵌入维度，以找到适合特定用例的最佳配置。

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

通过学习这个教程，您已经解锁了从零开始构建 RAG 系统的能力——使用 LangChain 作为您的协调框架，pgvector 作为您闪电般快速的向量数据库，OpenAI 的 GPT-4 用于创意和精确的文本生成，以及 IBM 的 granite-embedding-107m-multilingual 将文本转化为丰富、可搜索的嵌入。您亲眼见证了这些工具如何和谐地配合：LangChain 无缝地连接各个环节，pgvector 高效地存储和检索向量，IBM 的多语言嵌入模型捕捉跨语言的上下文，而 GPT-4 则提供自然且深刻的人类般的回应。它们共同形成了一条管道，让您的数据焕发生机，将静态信息转化为动态和上下文感知的答案。此外，您还掌握了优化性能的专业技巧——例如调整嵌入的块大小，平衡成本与准确性的关系——甚至发现了如何使用免费的 RAG 成本计算器来保持项目的经济性而不牺牲质量。

现在，想象一下可能性！您已经拥有了构建更智能应用程序的蓝图，无论是多语言聊天机器人、个性化推荐引擎，还是深入研究的工具。您所获得的技能不仅仅是理论性的——它们是实用的、可扩展的，并且能够适应您独特的使用案例。那么，接下来是什么呢？调整那些参数，实验混合检索策略，或者添加领域特定的数据，使您的 RAG 系统真正属于您。工具掌握在您手中，智能应用的未来由您来塑造。开始构建，持续迭代，让您的创造力奔腾——您的下一个突破就在几行代码的距离！🚀

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