学习向量数据库与 RAG 架构

一、基础概念：向量与向量数据库

1. 什么是向量（Embedding）？

• 定义：将文本、图像、音频等非结构化数据转换为高维数值数组（向量），捕捉数据的语义或特征。例如，“猫”和“狗”的向量距离比“猫”和“汽车”更近。
• 核心作用：让计算机能“理解”数据的语义相似性，通过向量距离（如余弦相似度、欧氏距离）衡量数据相关性。
• 生成工具：OpenAI的text-embedding-ada-002、开源模型BGE、Sentence-BERT等，可通过API或本地部署生成向量。

2. 什么是向量数据库？

• 定义：专门存储、索引和查询向量的数据库，解决传统数据库无法高效处理高维向量相似性检索的问题。
• 核心能力：
  • 高效存储海量向量（百万到数十亿级）。
  • 快速相似性查询（毫秒级返回结果）。
  • 支持动态增删数据和向量更新。
• 主流向量数据库：
  • 开源：Milvus（分布式，适合大规模）、Chroma（轻量，适合开发）、FAISS（Facebook开源，适合单机）、Qdrant（支持地理空间向量）。
  • 商业：Pinecone、Weaviate、Zilliz Cloud（Milvus商业化）。

二、RAG 架构：核心原理与流程

1. RAG 是什么？

• 定义：检索增强生成（Retrieval-Augmented Generation），结合“检索外部知识”和“LLM生成”，解决LLM知识过时、幻觉（生成错误信息）、无法引用特定来源等问题。
• 核心价值：让LLM基于最新/私有数据生成准确、可控的回答，广泛用于问答系统、客服、知识库等场景。

2. RAG 基本流程（核心步骤）

• Step 1：数据准备与预处理

  • 来源：文档（PDF/Word）、网页、数据库、对话记录等。
  • 处理：拆分（Chunking，按段落/固定长度拆分，避免超出LLM上下文）、清洗（去噪、格式标准化）。
  • 技巧：拆分时保留上下文关联（如按章节拆分），设置合理Chunk大小（如200-500 tokens）。

• Step 2：向量生成与存储

  • 用Embedding模型将每个Chunk转换为向量。
  • 将向量及原始文本（元数据，如来源、页码）存入向量数据库。

• Step 3：检索（Retrieval）

  • 用户提问后，将问题转换为向量。
  • 向量数据库通过相似性查询，返回与问题最相关的Top N个Chunk（如Top 3-5）。
  • 优化：可结合关键词过滤、元数据筛选（如指定来源）提升精度。

• Step 4：生成（Generation）

  • 将检索到的Chunk作为“上下文”，与用户问题一起传入LLM（如GPT-3.5/4、LLaMA）。
  • 提示词模板示例：

    基于以下上下文回答问题，只使用上下文信息，不编造内容：
    上下文：{检索到的Chunk1} {Chunk2} ...
    问题：{用户提问}
    回答：
    

  • LLM基于上下文生成准确回答，并可引用来源（如“根据文档3.2节...”）。

三、入门实践：搭建简易RAG系统

1. 工具选择（新手友好）

• 向量数据库：Chroma（无需部署，Python库直接调用）。
• Embedding模型：sentence-transformers（开源，如all-MiniLM-L6-v2）。
• LLM：OpenAI API（GPT-3.5-turbo）或开源模型（如llama.cpp本地运行）。

2. 代码实战（核心步骤）

# 1. 安装依赖
!pip install chromadb sentence-transformers openai

# 2. 初始化Chroma向量数据库
import chromadb
client = chromadb.Client()
collection = client.create_collection(name="my_rag_db")  # 创建集合（类似表）

# 3. 准备数据并拆分（示例：3个文档Chunk）
documents = [
    "Python是一种解释型、面向对象的编程语言，由Guido van Rossum于1989年发明。",
    "Python的设计哲学强调代码可读性，使用缩进来定义代码块。",
    "Python广泛应用于数据分析、人工智能、Web开发等领域。"
]
ids = ["doc1", "doc2", "doc3"]  # 每个Chunk的唯一ID

# 4. 生成向量并入库
from sentence_transformers import SentenceTransformer
embedding_model = SentenceTransformer("all-MiniLM-L6-v2")
embeddings = embedding_model.encode(documents)  # 生成向量
collection.add(documents=documents, embeddings=embeddings, ids=ids)

# 5. 检索相关Chunk
query = "Python适合做什么？"
query_embedding = embedding_model.encode([query])  # 问题向量
results = collection.query(
    query_embeddings=query_embedding,
    n_results=2  # 返回Top 2相关结果
)
retrieved_docs = results["documents"][0]  # 获取检索到的文本

# 6. 调用LLM生成回答

import openai
openai.api_key = "YOUR_API_KEY"
prompt = f"基于以下信息回答：{retrieved_docs}\n问题：{query}"
response = openai.chat.completions.create(
    model="gpt-3.5-turbo",
    messages=[{"role": "user", "content": prompt}]
)
print(response.choices[0].message.content)
# 输出示例：Python广泛应用于数据分析、人工智能、Web开发等领域。

四、进阶优化：提升RAG效果

1. 检索优化

• Chunking策略：
  • 动态拆分：根据语义（如用LangChain的RecursiveCharacterTextSplitter按标点拆分）。
  • 重叠拆分：相邻Chunk保留部分重叠（如50 tokens），避免上下文割裂。
• 混合检索：结合向量检索（语义）和关键词检索（精确匹配），如Weaviate的hybrid模式。
• Reranking（重排序）：用模型（如cross-encoder）对初筛结果重新排序，提升相关性（如LangChain的Reranker）。

2. 向量数据库优化

• 索引选择：
  • 小规模数据：暴力搜索（Brute-force），精度100%但速度慢。
  • 大规模数据：近似索引（如Milvus的IVF_FLAT、HNSW），平衡速度与精度。
• 参数调优：索引构建时调整参数（如HNSW的M值控制邻居数量，影响查询速度）。

3. 生成优化

• 提示工程：明确要求LLM引用来源（如“回答中需注明信息来自哪个文档ID”）。
• 多轮对话：在对话中保留历史检索结果，避免重复检索。
• 知识冲突处理：当检索到矛盾信息时，提示LLM标注冲突并说明。

五、生产级部署：关键考量

1. 数据管道自动化：
   • 用Apache Airflow、Prefect定时同步新数据（如每日更新文档），自动拆分、生成向量并入库。
2. 高可用与扩展性：
   • 向量数据库集群化部署（如Milvus分布式集群），支持水平扩展。
   • 缓存热门查询结果（如用Redis），降低API调用成本。
3. 监控与评估：
   • 监控检索精度（如人工标注Top N结果相关性）、LLM回答准确率。
   • 用工具如LangSmith、RAGAs评估RAG系统性能。
4. 隐私与安全：
   • 敏感数据本地部署Embedding模型和LLM（如用LLaMA 2、通义千问本地化版本）。
   • 向量数据库加密存储（如Milvus的加密功能）。

六、深入与拓展

1. 深入向量数据库原理：

   • 学习高维向量索引算法（HNSW、IVF、PQ等）的数学原理。
   • 理解分布式向量数据库的分片、副本机制（如Milvus的DataNode、QueryNode架构）。

2. RAG高级架构：

   • 多模态RAG：支持图像、音频等数据（如用CLIP模型生成跨模态向量）。
   • 增量RAG：动态更新知识库，避免全量重新嵌入（如Chroma的upsert功能）。
   • 自主RAG：让LLM自主决定是否检索、如何调整查询（如AutoRAG框架）。

3. 结合其他技术：

   • 与知识图谱（KG）结合，提升检索逻辑推理能力（如RAG + KG架构）。
   • 结合Agent框架（如LangChain Agent），让系统自主规划检索步骤。

学习资源

• 官方文档：
  • Milvus文档（https://milvus.io/docs）
  • LangChain RAG教程（https://python.langchain.com/docs/use_cases/question_answering/）
• 课程：
  • DeepLearning.AI的《Vector Databases for LLM Applications》
  • 吴恩达《Building Systems with the ChatGPT API》（含RAG章节）
  • 《RAG 七天入门训练营》
• 开源项目：
  • langchain（RAG工具链）、llama-index（专注RAG的框架）
  • milvus-bootcamp（Milvus实战案例）

本人自动发布于：https://github.com/giscafer/blog/issues/79