提升RAG性能的全攻略:优化检索增强生成系统的策略大揭秘 | 深度好文

文摘   2024-11-21 07:45   福建  

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概述
近年来,随着检索增强生成(Retrieval Augmented Generation,RAG)应用的快速普及,其性能优化成为开发者们关注的热点。尽管基础RAG管道设计较为简单,但要满足实际业务需求,往往需要更高级的优化策略。本文将全面解读RAG优化的各类方法,帮助大家快速掌握主流策略并在实践中应用。

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RAG管道基础:从零开始理解工作原理
一个标准的RAG管道一般包含以下几个基本步骤:
    • 文档加载与分块:将文档内容拆分为多个小块(chunk),并将这些块存储到向量数据库(如Milvus或Zilliz Cloud)。
    • 检索相关内容:根据查询,向量数据库找到与查询最相关的Top-K文档块。
    • 注入上下文:将检索到的文档块作为上下文注入大语言模型(LLM)的提示中。
    • 生成回答:LLM结合上下文生成最终的答案。
这种直观的流程虽然高效,但在复杂场景中可能出现性能瓶颈,比如信息丢失或回答不准确。因此,针对RAG各环节的优化策略便应运而生。

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RAG优化策略分类:全面覆盖五大方向
可以将RAG优化策略划分为以下五大类:
    1. 查询优化(Query Enhancement):通过修改用户查询表达方式,使意图更清晰,提升查询准确性。
    2. 索引优化(Indexing Enhancement):通过改进索引方式,增强文档块的检索效率。
    3. 检索器优化(Retriever Enhancement):提升检索阶段的准确性与上下文覆盖范围。
    4. 生成器优化(Generator Enhancement):改善提示设计,确保生成更优质的答案。
    5. 管道优化(Pipeline Enhancement):优化整体RAG管道流程,动态调整系统执行方式。

接下来,我们将逐一探讨每一类优化方法及其应用场景。

一、查询优化:为系统注入“清晰思路”

在RAG系统中,查询的准确性至关重要。以下几种方法能够帮助优化查询阶段:
1. 假设性问题生成(Hypothetical Questions)
通过大语言模型(LLM)生成一组假设性问题,模拟用户可能的提问方式。
    • 流程:先根据文档块生成假设性问题,将其存储于向量数据库中。当用户提交实际查询时,系统先检索假设性问题,再返回相关文档块供LLM生成答案。
    • 优点:缓解跨领域查询的对称性问题,提高检索精度。
    • 缺点:生成假设性问题可能增加计算开销,且存在不确定性。
2. 假设性文档嵌入(HyDE)
HyDE方法会根据用户查询生成一个“假设性回答”,将其转化为向量嵌入后用于检索文档块。
    • 优势:类似于假设性问题生成,但通过直接生成答案有效处理复杂查询。
    • 不足:生成“假设性回答”需要额外的计算资源。
3. 子查询拆分(Sub-Queries)
对于复杂查询,可以先将其拆分为多个子查询,分别检索并合并答案。例如:
    • 原始查询:Milvus和Zilliz Cloud的功能有什么不同?
    • 拆分后
      • 子查询1:Milvus的功能有哪些?
      • 子查询2:Zilliz Cloud的功能有哪些?
通过简化复杂查询,系统可以更准确地检索相关内容。
4. 退一步提问(Stepback Prompts)
将复杂的查询转化为“退一步”问题。例如:
    • 用户问题:Milvus是否可以存储10亿条记录的数据集?
    • 退一步问题:Milvus能处理的数据集规模上限是多少?
这种方法能够简化原始问题,使检索更具针对性。
二、索引优化:打造高效的文档检索方式
索引阶段的优化方法可以帮助系统更快速、更精准地定位相关文档块。
1. 自动合并文档块
在索引过程中,建立“父子层级”:
    • 初始检索时聚焦细粒度子文档块。
    • 如果多个子块来自同一父文档,则将父文档提供给LLM作为上下文。
此方法已在LlamaIndex中实现,对提升检索覆盖率非常有效。
2. 构建分层索引
采用两级索引结构:
    • 第一级存储文档摘要,用于快速筛选相关文档。
    • 第二级存储文档块,仅检索筛选出的相关文档内的内容。
这种方式在处理大规模数据或分层结构数据(如图书馆藏)时尤为适用。

3. 混合检索与重排序(Hybrid Retrieval & Reranking)
结合词频算法(如BM25)或稀疏嵌入方法(如Splade)与向量检索。检索完成后,通过重排序算法(如Cross-Encoder)对结果进行相关性排序。
    • 优点:提升了检索覆盖率,减少向量召回不足的问题。    

三、检索器优化:让信息“更近一步”
1. 句子窗口检索(Sentence Window Retrieval)
在向量数据库中检索细粒度文档块,但将更大范围的上下文信息提供给LLM,以减少信息遗漏。
    • 注意:窗口大小需要根据业务需求动态调整,避免过多无关信息干扰。
2. 元数据筛选(Meta-data Filtering)
通过时间、类别等元数据过滤检索结果。例如,对于财报查询,仅保留用户指定年份的相关文档。此方法在数据量庞大且元数据丰富的场景中非常有效。

四、生成器优化:从提示设计到内容生成
1. 压缩提示信息
对检索到的文档块进行信息压缩,减少无关细节并强调重点。
    • 优点:优化有限提示窗口内的信息利用率,提高生成答案的准确性。
2. 调整提示块顺序
研究发现,LLM更倾向于使用提示开头和结尾的信息。因此,可以将高置信度文档块放置在提示的首尾,以提升回答质量。
五、管道优化:全面提升RAG系统效率
1. 自我反思(Self-reflection)
对于模糊或不确定的文档块,系统可进行“二次反思”,利用自然语言推理(NLI)或额外工具进行验证,从而确保回答的准确性。
2. 查询路由(Query Routing)
设计一个路由代理,判断查询是否需要经过RAG管道。简单问题可直接由LLM回答,复杂问题则进入RAG系统处理。
    • 优势:提升响应速度,避免不必要的管道资源消耗。

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总结:实现RAG应用的性能飞跃
尽管标准RAG管道设计较为简洁,但为了达到实际业务的性能要求,采用多种优化策略是必要的。本文从查询优化、索引优化、检索器优化、生成器优化及管道优化五大方向,详细解析了多种方法及其实际应用场景。
在实际应用中,开发者可以根据需求灵活组合这些策略,为RAG系统注入更多智慧,推动其在多领域的广泛应用。希望本文的总结能帮助大家快速掌握RAG优化技巧,为您的AI项目提供新思路!
  

参考:

  1. https://docs.llamaindex.ai/en/stable/examples/retrievers/recursive_retriever_nodes/
  2. https://arxiv.org/abs/2307.03172





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