大模型RAG系统的成长之路 RAG系统的四层天梯

第一章：为什么要给大模型喂"额外营养"？

想象一下，你有一个超级智能的AI助手，它几乎无所不知。但当你问它"今天的股市行情如何？"或者"最新的新冠病毒变种有哪些症状？"，它却一脸茫然。这就是大语言模型（LLM）的现状 - 知识广博但不够新鲜。

这就是为什么我们需要给LLM喂点"额外营养"，也就是外部数据。这个过程，专业点说叫"检索增强生成"（RAG）。

首先，让我们聊聊为什么要这么做：

1.1 让AI变得更"专业"

LLM虽然懂得多，但在专业领域可能还不如一个刚毕业的学生。想象你在开发一个法律AI助手，如果它连最新的法律修订都不知道，那不就成了法庭上的笑话吗？

举个例子：假设有一个新的环保法规**。传统LLM可能完全不知道，但使用RAG的系统可以迅速学习并应用这个新规定。这就是外部数据的威力 - 它能让AI快速成为各行各业的"专家"。

1.2 保持AI的"时尚度"

AI世界发展太快了，昨天的新闻今天就成了旧闻。如果你的AI还在谈论2020年的事情，那就真的out了。

比如，如果你问AI："最新的AI突破是什么？"，传统LLM可能还在谈GPT-3，而使用RAG的系统已经能讨论GPT-4、DALL-E 3等最新进展。

1.3 减少AI的"幻想症"

LLM有时候会自信满满地胡说八道，这在AI圈叫"幻觉"。给它喂点靠谱的外部数据，就能大大减少这种情况。

假如你在做医疗诊断，AI胡乱猜测症状可是会出人命的。使用RAG，AI可以基于最新的医学研究来给出建议，大大提高了可靠性。

听起来很美好，对吧？但是，实现起来可没那么容易。这就像是给大象装上显微镜 - 既要保持大象的力量，又要发挥显微镜的精准。

首先，你得准备海量的高质量数据。我们说的不是几个 word，而是至少覆盖业务场景的数据量。数据从哪来？爬虫、购买、合作获取，方法多得是。但要小心，爬虫爬着爬着，搞不好律师函就来了。所以，找专业的数据团队来处理这事儿准没错。

然后，你得建立一个超级高效的检索系统。这就像是给AI配了个24小时不睡觉的图书管理员，随时准备找出最相关的信息。

最后，还得想办法让AI"理解"这些新信息。这可不是简单的复制粘贴，而是要让AI真正吸收这些知识，并在回答问题时能灵活运用。

听起来很难？确实如此。在各个专业领域部署这样的系统，面临的挑战可不少：

给LLM喂"额外营养"的潜力是巨大的，但挑战也不小。谁能解决这些问题，谁就可能成为下一个AI领域的巨头。

第二章：RAG不是一刀切 - 四个层次的查询分类

在上面，我们了解了为什么要给大模型喂"额外营养"。但是，就像人类的饮食需要根据不同情况调整一样，RAG系统也需要根据不同类型的查询来调整其策略。

假如你正在开发一个全能型AI助手。有时候用户可能会问"2023年诺贝尔文学奖得主是谁？"，有时候可能会问"为什么量子计算机比传统计算机快？"。这两种问题显然需要不同的处理方式，对吧。

基于这种思考，论文将用户查询分为四个层次。让我们逐一深入探讨：

2.1 显式事实查询

这是最直接的查询类型。用户问的是明确的、可以直接在数据中找到答案的问题。

例如："东京奥运会是哪一年举办的？"

对于这类查询，RAG系统的任务相对简单：

实现这类查询的关键在于高效的信息检索系统。你可能需要使用倒排索引、向量检索等技术来加速查找过程。

2.2 隐式事实查询

这类查询虽然也是关于事实的，但答案并不能直接在单一数据点中找到，需要综合多个信息。

例如："哪个国家在过去十年的奥运会上获得的金牌总数最多？"

处理这类查询的挑战在于：

这就需要RAG系统具备一定的数据处理和简单推理能力。你可能需要实现一些轻量级的数据分析功能，如聚合、排序等。

2.3 可解释推理查询

这类查询不仅需要事实，还需要解释或推理。答案通常需要基于某些明确的规则或指南。

例如："根据现行法律，一个18岁的人可以在美国哪些州合法购买酒精饮料？"

处理这类查询的难点在于：

这种查询可能需要你实现一些规则引擎或决策树，以模拟人类的推理过程。

2.4 隐藏推理查询

这是最复杂的查询类型。答案不仅需要大量的背景知识，还需要复杂的推理过程，而这些推理过程可能并不明确。

例如："考虑到全球气候变化，未来20年内北极熊的生存前景如何？"

处理这类查询的挑战在于：

实现这类查询的RAG系统可能需要结合多种AI技术，如因果推理模型、情景模拟等。你可能还需要实现一种"思维链"（Chain of Thought）机制，让AI能够逐步推理并解释其推理过程。

总结一下，这四个层次的查询分类方法让我们能够更有针对性地设计和优化RAG系统。从简单的事实检索到复杂的推理任务，每一层都有其独特的挑战和解决方案。

在实际应用中，一个成熟的RAG系统往往需要能够处理所有这四个层次的查询。这就像是在训练一个全能运动员 - 既要能短跑，又要能马拉松，还得会游泳和举重。听起来很难？确实如此。但是，正是这种挑战让AI研究如此激动人心。

第三章：深入RAG的四个层次 - 从定义到解决方案

我们概述了RAG任务的四个层次。现在，让我们卷起袖子，深入每个层次的技术细节。准备好你的工程师思维，我们要开始真正的技术探索了！

3.1 显式事实查询

定义和特征：这是最基础的查询类型，答案直接存在于外部数据中。特征是查询和答案之间存在直接的文本匹配关系。

例如：Query: "谁发明了电话？" Answer: "亚历山大·格雷厄姆·贝尔发明了电话。"

相关数据集：

这些数据集包含大量的问答对，非常适合训练和评估处理显式事实查询的模型。

关键挑战：

最有效的解决技术：

代码示例（使用Haystack框架）：

from haystack import Pipelinefrom haystack.nodes import BM25Retriever, FARMReaderretriever = BM25Retriever(document_store)reader = FARMReader("deepset/roberta-base-squad2")pipe = Pipeline()pipe.add_node(compnotallow=retriever,, inputs=["Query"])pipe.add_node(compnotallow=reader,, inputs=["Retriever"])result = pipe.run(query="谁发明了电话？")print(result['answers'][0].answer)

3.2 隐式事实查询

定义和特征：这类查询的答案需要综合多个信息源。特征是需要进行简单的推理或计算。

例如：Query: "哪个国家在2020年奥运会上获得的金牌最多？"Answer: 需要检索多个国家的金牌数据，并进行比较。

相关数据集：

这些数据集包含需要多跳推理的问题，很适合训练处理隐式事实查询的模型。

关键挑战：

最有效的解决技术：

代码示例（使用DeepsetAI的Haystack框架）：

from haystack import Pipelinefrom haystack.nodes import BM25Retriever, FARMReader, JoinDocumentsretriever = BM25Retriever(document_store)reader = FARMReader("deepset/roberta-base-squad2")joiner = JoinDocuments(join_mode="concatenate")pipe = Pipeline()pipe.add_node(compnotallow=retriever,, inputs=["Query"])pipe.add_node(compnotallow=joiner,, inputs=["Retriever"])pipe.add_node(compnotallow=reader,, inputs=["Joiner"])result = pipe.run(query="哪个国家在2020年奥运会上获得的金牌最多？")print(result['answers'][0].answer)

3.3 可解释推理查询

定义和特征：这类查询需要基于特定规则或指南进行推理。特征是需要应用领域知识和逻辑推理。

例如：Query: "根据现行法律，一个年收入5万美元的单身人士在加利福尼亚州需要缴纳多少所得税？"Answer: 需要检索税法，理解税率表，并进行相应计算。

相关数据集：

这些数据集包含需要逻辑推理的问题，适合训练处理可解释推理查询的模型。

关键挑战：

最有效的解决技术：

代码示例（使用GPT-3进行Chain-of-Thought推理）：

import openaiopenai.api_key = "your-api-key"prompt = """Query: 根据现行法律，一个年收入5万美元的单身人士在加利福尼亚州需要缴纳多少所得税？Let's approach this step-by-step:1) First, we need to know the California state income tax brackets for single filers.2) Then, we'll calculate the tax for each bracket up to $50,000.3) Finally, we'll sum up the tax amounts.Step 1: California tax brackets for single filers (2021):- 1% on the first $8,932 of taxable income- 2% on taxable income between $8,933 and $21,175- 4% on taxable income between $21,176 and $33,421- 6% on taxable income between $33,422 and $46,394- 8% on taxable income between $46,395 and $50,000Step 2: Calculate tax for each bracket:- 1% of $8,932 = $89.32- 2% of ($21,175 - $8,933) = $244.84- 4% of ($33,421 - $21,176) = $489.80- 6% of ($46,394 - $33,422) = $778.32- 8% of ($50,000 - $46,395) = $288.40Step 3: Sum up the tax amounts:$89.32 + $244.84 + $489.80 + $778.32 + $288.40 = $1,890.68Therefore, a single person with an annual income of $50,000 in California would owe approximately $1,890.68 in state income tax.Note: This is a simplified calculation and doesn't account for deductions, credits, or other factors that might affect the actual tax liability."""response = openai.Completion.create(engine="gpt4",prompt=prompt,max_tokens=500)print(response.choices[0].text.strip())

隐藏推理查询

定义和特征：这是最复杂的查询类型，需要大量背景知识和复杂的推理过程。特征是推理过程往往不是明确的，需要模型自行发现和应用隐含的知识和关系。

例如：Query: "考虑到全球气候变化和人类活动，预测未来50年内亚马逊雨林的变化。"Answer: 需要综合气候科学、生态学、社会学等多个领域的知识，进行复杂的因果推理和预测。

相关数据集：

这些数据集包含需要广泛知识和复杂推理的问题，适合训练处理隐藏推理查询的模型。

关键挑战：

最有效的解决技术：

代码示例（使用Hugging Face的Transformers库和GPT-4）：

 transformers  pipeline openaisummarizer  pipeline model# 假设我们有多个相关文档documents  "气候变化正在加速亚马逊雨林的退化...""人类活动，如砍伐和农业扩张，正在威胁亚马逊雨林...""一些研究表明，亚马逊雨林可能会在未来几十年内达到临界点..."summaries  summarizerdoc max_length min_length do_sample  doc  documents# 使用GPT-3进行最终的综合分析openaiapi_key  prompt  fresponse  openaiCompletionpromptpromptmax_tokensresponsechoicesstrip

以上的例子展示了如何结合使用预训练模型进行文本总结，然后使用更强大的语言模型（如GPT-4）进行复杂的推理和预测。通过深入了解这四个层次的查询，我们可以看到RAG系统面临的挑战是多方面的，从简单的信息检索到复杂的知识整合和推理。每一个层次都需要特定的技术和方法来解决其独特的挑战。

在实际应用中，一个成熟的RAG系统往往需要能够处理所有这四个层次的查询。这就要求我们不断创新和改进现有的技术，同时也为AI研究开辟了广阔的前景。

第四章：数据与LLM的三种"联姻"方式

在前面的内容中，我们讨论了RAG系统如何处理不同层次的查询。现在，让我们转向一个更加根本的问题：假如获取到数据后，如何将外部数据与LLM结合起来？论文提出了三种主要的方法，每种方法都有其独特的优势和挑战。让我们逐一深入探讨。

4.1 上下文方法（Context）

这种方法就像是给LLM一个即时的"记忆补丁"。每次询问LLM时，我们都会同时提供相关的上下文信息。

工作原理：

优势：

挑战：

实现示例：

 transformers  AutoTokenizer AutoModelForCausalLM torchtokenizer  AutoTokenizerfrom_pretrainedmodel  AutoModelForCausalLMfrom_pretraineddef get_contextquery:# 这里应该是你的检索逻辑 query  context  get_contextqueryinput_text  finput_ids  tokenizerencodeinput_text return_tensorsoutput  modelgenerateinput_ids max_length num_return_sequences no_repeat_ngram_sizeresponse  tokenizerdecodeoutput skip_special_tokensresponse

4.2 小模型方法（Small model）

这种方法就像是给LLM配备了一个专业的"助手"。我们训练一个小型模型来处理特定任务，如信息检索或知识整合，然后将这个小模型的输出提供给LLM。

工作原理：

优势：

挑战：

实现示例：

 transformers  AutoTokenizer AutoModel AutoModelForCausalLM torch# 假设这是我们的小模型，用于生成查询的向量表示retriever_tokenizer  AutoTokenizerfrom_pretrainedretriever_model  AutoModelfrom_pretrainedlm_tokenizer  AutoTokenizerfrom_pretrainedlm_model  AutoModelForCausalLMfrom_pretraineddef get_query_embeddingquery:inputs  retriever_tokenizerquery return_tensors padding truncatinotallow torchno_grad:outputs  retriever_modelinputs outputslast_hidden_statemeandimquery  query_embedding  get_query_embeddingquery# 在实际应用中，我们会用这个嵌入来检索相关文档# 这里我们简单地假设我们得到了一些相关信息retrieved_info  "量子计算是利用量子力学现象进行计算的技术..."input_text  f"基于以下信息：{retrieved_info}\n回答问题：{query}"input_ids  lm_tokenizerencodeinput_text return_tensorsoutput  lm_modelgenerateinput_ids max_length num_return_sequences no_repeat_ngram_sizeresponse  lm_tokenizerdecodeoutput skip_special_tokensresponse

4.3 微调方法（Fine-tuning）

这种方法就像是给LLM进行"专业培训"。我们使用特定领域的数据对预训练的LLM进行进一步的训练，使其能够更好地处理特定类型的任务或领域知识。

工作原理：

优势：

挑战：

实现示例：

from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM, TrainingArguments, Trainerimport torchfrom, truncatinotallow=True)tokenized_datasets =,num_train_epochs=3,per_device_train_batch_size=8,per_device_eval_batch_size=8,warmup_steps=500,weight_decay=0.01,logging_dir="./logs",)# 创建Trainertrainer = Trainer(model=model,args=training_args,train_dataset=tokenized_datasets["train"],eval_dataset=tokenized_datasets["test"],)# 开始微调trainer.train()# 使用微调后的模型query = "什么是量子纠缠？"input_ids = tokenizer.encode(query, return_tensors="pt")output = model.generate(input_ids, max_length=200, num_return_sequences=1, no_repeat_ngram_size=2)response = tokenizer.decode(output[0], skip_special_tokens=True)print(response)

每种方法都有其适用的场景：

在实际应用中，这三种方法往往是结合使用的。例如，我们可能会先对LLM进行领域微调，然后在使用时还配合上下文方法提供最新信息。或者，我们可能会使用经过微调的小模型来进行检索，然后将检索结果作为上下文提供给主要的LLM。

选择哪种方法，或如何组合这些方法，取决于具体的应用需求、可用资源、以及对模型性能、效率和灵活性的权衡。

第五章：RAG的艺术 - 从理论到实践的整合之道

我们将把前面所学的所有概念串联起来，看看如何在实际中运用这些知识。系好安全带，我们开始这段激动人心的旅程吧！

5.1 三种整合方式的利弊权衡

还记得我们讨论过的三种将外部数据整合到LLM中的方式吗？让我们再深入探讨一下它们各自的优缺点和适用场景。

优势：

- 灵活性拉满：想换数据就换，LLM完全不用动- 透明度高：我们清楚地知道模型用了哪些额外信息

局限性：

- 上下文长度有限：就像塞鸭子，塞太多LLM也消化不了- 检索质量决定生死：垃圾进垃圾出，检索不好全盘皆输

适用场景：

- 需要频繁更新知识库的应用- 对结果可解释性要求高的场景

优势：

- 专业性强：可以为特定任务定制"小助手"- 模块化设计：想换就换，主LLM不受影响

局限性：

- 训练成本高：又要准备数据又要训练，累死个人- 集成难度大：让"小助手"和LLM无缝配合不是易事

适用场景：

- 有特定复杂任务需要处理的应用- 计算资源有限，无法频繁调用大型LLM的情况

优势：

- 性能王者：在特定领域可以达到最佳表现- 推理效率高：不需要额外的检索步骤

局限性：

- 计算成本高：微调大模型，没个几千块GPU别想了- 灵活性降低：一旦微调，可能会影响其他领域的表现

适用场景：

- 特定领域的专业应用- 有大量高质量领域数据可用的情况

5.2 四个查询层次的技术方案

现在，让我们看看如何针对不同复杂度的查询选择合适的技术方案。

from haystack import Pipelinefrom haystack.nodes import BM25Retriever, FARMReaderretriever = BM25Retriever(document_store)reader = FARMReader("deepset/roberta-base-squad2")pipe = Pipeline()pipe.add_node(compnotallow=retriever,, inputs=["Query"])pipe.add_node(compnotallow=reader,, inputs=["Retriever"])result = pipe.run(query="谁发明了电话？")print(result['answers'][0].answer)

代码示例（迭代RAG）：

def iterative_rag(query, max_iteratinotallow=3):context = ""for i in range(max_iterations):result = pipe.run(query=query + " " + context)new_info = result['answers'][0].answercontext += new_infoif "完整回答" in new_info:breakreturn contextfinal_answer = iterative_rag("比较太阳系中最大和最小的行星")print(final_answer)

- 迭代RAG：多轮检索，每轮基于之前的结果继续深入- 图/树RAG：构建知识图谱，进行多跳推理- RAG+SQL：结合结构化数据查询，处理复杂的数值计算

代码示例（思维链提示）：

prompt = """问题：一个水箱可以在6小时内装满水。现在已经装了2小时，还剩下3/4没装满。请问这个水箱实际上需要多长时间才能装满？让我们一步步思考：1) 首先，我们知道正常情况下，水箱需要6小时装满。2) 现在已经装了2小时，还剩3/4没装满。3) 这意味着2小时内只装满了1/4的水箱。4) 如果2小时装满1/4，那么装满整个水箱需要的时间是：2小时 * 4 = 8小时因此，这个水箱实际上需要8小时才能装满。是否需要我进一步解释这个推理过程？"""response = openai.Completion.create(engine="gpt4", prompt=prompt, max_tokens=150)print(response.choices[0].text.strip())

- 提示调优：设计特定的提示模板，引导LLM进行推理- 思维链提示：让LLM像人类一样，一步步写出推理过程

代码示例（微调）：

from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM, TrainingArguments, Trainermodel_name = "gpt2"tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name)model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(model_name)# 准备特定领域的数据集train_dataset = ...# 你的训练数据eval_dataset = ...# 你的评估数据training_args = TrainingArguments(output_dir="./results", num_train_epochs=3, per_device_train_batch_size=8)trainer = Trainer(model=model, args=training_args, train_dataset=train_dataset, eval_dataset=eval_dataset)trainer.train()# 使用微调后的模型query = "预测未来5年的全球经济趋势"input_ids = tokenizer.encode(query, return_tensors="pt")output = model.generate(input_ids, max_length=200)print(tokenizer.decode(output[0], skip_special_tokens=True))

- 离线学习：预先学习领域知识，构建专门的知识库- 上下文学习：动态选择最相关的上下文进行学习- 微调：在特定领域数据上微调LLM

5.3 知己知彼，百战不殆

在开发RAG应用之前，我们需要做的第一件事是什么？没错，就是深入理解我们要解决的问题。这就像是要打仗前先要了解敌情一样重要。

只有充分理解了这些因素，我们才能选择最适合的技术方案。记住，没有一种方法是万能的，关键是找到最适合你特定需求的方法。

5.4 大杂烩才是真正的美味

在实际应用中，我们经常会遇到各种类型的查询混杂在一起的情况。这就像是要做一道大杂烩，需要各种食材和调料的完美配合。

我们需要设计一个智能的路由系统，能够识别不同类型的查询，并将其导向最合适的处理模块。这个系统可能看起来像这样：

def query_router(query):if is_simple_fact_query(query):return basic_rag(query)elif is_implicit_fact_query(query):return iterative_rag(query)elif is_interpretable_reasoning_query(query):return chain_of_thought_prompting(query)elif is_hidden_reasoning_query(query):return fine_tuned_model(query)else:return fallback_method(query)def process_query(query):response = query_router(query)return post_process(response)# 使用示例user_query = "请解释量子纠缠的原理及其在量子计算中的应用"answer = process_query(user_query)print(answer)

这个路由系统就像是一个经验丰富的总厨，知道每种原料应该如何处理，最终做出一道美味的大餐。

结语

构建一个优秀的RAG系统，就像是在进行一场复杂的厨艺比赛。你需要了解每种原料（数据）的特性，掌握各种烹饪技巧（技术方法），并且要有足够的创意来应对各种挑战。

记住，理论和实践同样重要。多尝试，多总结，你就会发现RAG的魅力所在。谁知道呢，或许也许下一个改变AI世界的突破，就来自于你的灵感。

论文原文：

《Retrieval Augmented Generation (RAG) and Beyond:A Comprehensive Survey on How to Make your LLMs use External>本文转载自​​，作者：