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深度解析RAG技术在大模型时代的原理与实践

发布日期：2024-09-09 22:21:59 浏览次数： 1821 来源：可信AI进展

RAG的概念

QCon北京2024上涉及了很多大模型应用落地场景，出现比较多的应用模式关键词是：AI Agent和RAG（RAG也常被在Agent的Cot或是Mutil-Agent协作的流程中）。

上篇针对AI Agent有过初步讲解，那什么是RAG？

本文将结合Qcon的见闻，基于RAG的核心组件、RAG的常见范式，RAG的应用场景及RAG的评估，介绍当前各大公司使用RAG进行相应应用落地实践情况。

什么是RAG？

在LLM时代，RAG的具体定义指的是，当回答问题或生成文本时，首先从大量文档中检索相关信息。随后，利用这些检索到的信息来生成响应或文本，从而提高预测质量。一个通用的RAG管道它主要由3个步骤组成：

索引：文档被分割成块，编码成向量，并存储在向量数据库中；
检索：根据语义相似性检索与问题最相关的前 k 个块；
生成：将原问题和检索到的词块一起输入大语言模型中，生成最终答案。

RAG文本问答

RAG多模态问答

为什么用RAG？

大模型的挑战

大型语言模型展示了强大的能力，但也面临着幻觉、过时知识和不透明推理等挑战。检索增强生成（RAG）通过整合外部数据库的知识，提高了生成内容的准确性和可信度。RAG将大型语言模型的内在知识与外部数据库融合，为知识密集型任务带来了前景。

大语言模型挑战	RAG技术解决方案
虚构信息	通过整合外部数据库的知识，提升生成的准确性和可信度
过时知识	允许持续知识更新和集成领域特定信息
非透明推理	RAG将LLMs固有的知识与外部数据库庞大、动态的知识库有机结合，提高透明度和可追溯性

RAG与其它技术比较

在大语言模型的优化方法中，RAG经常与Fine-tuning（FT）和提示工程相比较。我们用象限图从外部知识需求和模型适配需求两个维度来说明三种方法的差异。

提示工程：利用模型的固有功能，而对外部知识和模型适应的需求最少。

RAG：可以比作为信息检索提供量身定制的教科书模型，非常适合精确的信息检索任务。早期阶段（Naive RAG），几乎不需要对模型进行修改

FT：需要进一步训练模型，针对不同下游特定任务，需要重新训练整个庞大的模型；相当于学生随着时间的推移内化知识，适用于需要复制特定结构、风格或格式的场景。

有人提出过这个疑问，为什么要用RAG来做增强，而不选择比较容易想到的微调来做，这里提及了RAG的优势以及和微调的差异，在这里列出两者的对比，主要是为了让大家在进行问题定位和解决方案思考时能参考，权衡好什么时候该用哪些部分。

	RAG	微调 (Fine-tuning)
知识更新	直接更新检索知识库，确保信息持续更新，无需频繁重新训练，非常适合动态变化的数据环境。	存储静态数据，需要重新训练用于知识和数据的更新。
外部知识	擅长利用外部资源，特别适合处理文档或其他结构化/非结构化数据库。	可用于将预训练中外部学习到的知识与大语言模型保持一致，但对于频繁变化的数据源可能不太实用。
数据处理	对数据的处理和操作要求极低。	依赖于构建高质量的数据集，有限的数据集可能无法显著提高性能。
模型定制	侧重于信息检索和融合外部知识，但可能无法充分定制模型行为或写作风格。	允许根据特定风格或术语调整 LLM 行为、写作风格或特定领域知识。
可解释性	答案能够追溯到具体的数据来源，提供更高的可解释性和可追踪性。	就像一个黑盒子，并不总是清楚模型为什么会做出某种反应，可解释性相对较低。
计算资源	需要计算资源来支持检索策略和数据库相关技术。外部数据源的整合和更新需保持维护。	有必要准备和整理高质量的训练数据集，确定微调目标，并提供相应的计算资源。
延迟要求	因涉及数据检索，可能带来较高的延迟。	经过微调的大语言模型 (LLM) 可以不通过检索直接回应，降低延迟。
降低幻觉	由于每个回答都基于检索到的实际证据，因此本质上更不容易产生错误或虚构的回答。	根据特定领域的数据训练模型，有助于减少幻觉，但面对未训练过的输入时仍可能出现幻觉。
伦理和隐私问题	从外部数据库存储和检索文本可能引起伦理和隐私方面的担忧。	训练数据中的敏感内容可能会引起伦理和隐私方面的问题。

RAG的分类

从演进范式角度分类

RAG研究范式在不断发展和演进，我们将其分为三个阶段：初级 RAG、高级 RAG 和模块化 RAG。虽然早期的 RAG 在成本效益上表现良好，并且性能优于传统的大语言模型 (LLM)，但它仍面临着诸多挑战。高级 RAG 和模块化 RAG 的设计是为了解决原始 RAG (Naive RAG) 的特定不足。下面是三种开发范式解释和相应用组件部分示意图：

朴素RAG：主要由三部分组成：索引、检索和生成，直接将输入数据向量化，然后对向量数据库进行匹配，最后将输入数据与向量数据库匹配结果共同放入大模型中生成最终结果；

高级RAG：增加了对数据的预筛选，围绕预检索和后检索提出了多种优化策略，其过程与朴素RAG相似，仍然遵循链式结构。

模块化RAG：继承和发展了以前的范式，整体上显示出更大的灵活性。这体现在引入多个特定的功能模块和替换现有模块上。整个过程不仅限于顺序检索和生成，还包括迭代和自适应检索等方法。

从检索与生成协同角度

根据检索器如何增强生成器，我们将 RAG 基础范式分为 4 个不同类别:

基于查询的RAG：利用用户query检索得到相关文档，将检索结果跟用户query拼接到一起作为生成模型的输入。这种方式是直接利用外部检索知识来指导生成模型，是目前RAG的主流范式。

基于潜在表征的RAG：利用用户query检索得到相关文档，并获取对应文档的向量表征，在生成模型生成阶段融入知识文档的表征信息。这是一种隐式利用外部检索知识指导生成模型的方式。

基于Logit的RAG：生成模型在decoder阶段计算下一个token的logit时，同时考虑生成预测的结果跟检索模块返回的信息。这种方式将检索模块与生成模块视为两个独立的链路，再联合两者的logit值。

Speculative RAG：利用检索模块来替代生成模块的方式，主要用于节省资源跟加速文本生成。这种方式提供一段候选回复，让生成模型判断这段候选回复是否适合作为最终结果。

RAG核心结构

检索：从数据源中高效检索相关文档至关重要。其中涉及到几个关键问题，如检索源、检索粒度、检索的预处理以及相应嵌入模型的选择等。

生成：检索后，将所有检索到的信息直接输入大语言模型来回答问题并不是一个好的做法。需要从调整检索内容和调整大语言模型两个角度介绍调整。

增强：在 RAG 领域，标准实践通常涉及单个（一次）检索步骤，然后生成，这可能导致效率低下，有时通常不足以满足需要多步骤推理的复杂问题。

RAG的增强功能

RAG增强是整体体系的重点，从多个角度我整理了下增强 RAG 性能的方法。从整个RAG 流程角度，我们根据现有方法的增强目标将其分为 5 个不同的组：输入、检索器、生成器、结果和整个管道。单从RAG检索一个点来看，检索增强可以包含迭代、递归&自适应三个方法。

检索增强分类

除了最常见的一次检索之外，RAG 还包括三种类型的检索增强过程。

迭代检索：涉及检索和生成之间的交替，允许在每一步从知识库中获得更丰富、更有针对性的上下文。

递归检索：涉及逐步细化用户查询并将问题分解为子问题，然后通过检索和生成不断解决复杂问题。

自适应检索：侧重于使 RAG 系统能够自主确定是否需要外部知识检索以及何时停止检索和生成，通常利用 LLM 生成的特殊 Token 进行控制。

RAG过程增强分类

根据现有方法的增强目标将其分为 5 个不同的部分：输入、检索器、生成器、结果和整个管道。针对这些部分有针对性的相应增强方式和方法。

RAG评估

RAG 在 NLP 领域的快速发展和广泛采用，将 RAG 模型的评估推向了大语言模型界研究的前沿。将RAG技术引进到大模型应用场景，我们需要了解和优化 RAG 模型在不同应用场景下的性能。下面简要讲讲 RAG 的主要下游任务、数据集以及如何评估 RAG 系统。

RAG的下游任务

RAG的核心任务仍然是问答（QA），包括传统的单跳/多跳QA、多选、特定领域的QA以及适合RAG的长格式场景。除了QA之外，RAG正在不断扩展到多个下游任务，例如信息提取（IE）、对话生成、代码搜索等。RAG的主要下游任务及其相应的数据集总结在表：

任务	子任务	数据集
问答	Single-hop	Natural Question(NQ)/TrivaQA(TQA)/SQuAD/Web Questions(WebQ)/PopQA/MS MARCO
	Multi-hop	HotpotQA/2WikiMultiHopQA/MuSiQue
	Long-form QA	ELI5/NarrativeQA(MQA)/ASQA/QMSum(QM)
	Domain QA	Qasper/COVID-QA/CMB/MMCU_Medical
	Multi-Choice QA	QuALITY/ARC/CommonsenseQA
	Graph QA	GraphQA
对话	Dialog Gentration	Wizard of Wikipedia(WoW)
	Personal Dialog	KBP/DuleMon
	Task-oriented Dialog	CamRest
	Recommmendation	Amazon(Toys, Sport, Beauty)
信息抽取	Event Argument Extraction	WikeEvent/RAMS
信息抽取	Relation Extraction	T-REx, ZsRE
推理	Commonsense Reasoning	HellaSwag
	CoT Reasoning	CoT Reasoning
	Complex Reasoning	CSQA
其它	Language Understanding	MMLU
	Language Modeling	WikiText-103/StrategyQA
	Fact Checking/Verification	FEVER/PubHealth
	Text Gentration	Biography
	Text Summarization	WikiASP/XSum
	Text Classification	VioLens/TREC
	Sentiment	SST-2
	Code Search	CodeSearchNet
	Robustness Evaluation	NoMIRACL
	Math	GSM8K
	Machine Translation	JRC-Acquis

RAG的评估项及度量指标

RAG 模型的当代评估实践强调三个主要质量分数和四个基本能力，它们共同指导 RAG 模型的两个主要目标的评估：检索和生成。其中

质量分数：上下文相关性，答案忠实性，答案相关性

基本能力：噪声鲁棒性，否定拒绝，信息集成，反事实稳健性

适用于 RAG 评估方面的指标摘要，分别对应质量分数和基本能力对应的度量标准，如下表所示：

RAG的评估框架及Benchmark

业界提出了一系列基准测试和工具来促进 RAG 的评估。这些工具提供的定量指标不仅可以衡量 RAG 模型的性能，还可以增强对模型在各个评估方面的能力的理解。RGB、RECALL 和 CRUD 等著名基准，专注于评估 RAG 模型的基本能力。同时，最先进的自动化工具如 RAGAS、ARES和 TruLens雇用大语言模型来判定质量分数。这些工具和基准共同构成了用于系统评估 RAG 模型的强大框架，如表所示：

评估框架	评估目标	评估方面	定量指标
RGB†	检索质量生成质量	噪声鲁棒性否定性拒绝信息集成反事实鲁棒性	Accuracy EM Accuracy Accuracy
RECALL†	生成质量	反事实鲁棒性	R-Rate （再出现率）
RAGAS‡	检索质量生成质量	上下文相关性答案忠诚性答案相关性	* 余弦相似度
ARES‡	检索质量生成质量	上下文相关性答案忠诚性答案相关性	Accuracy Accuracy Accuracy
TruLens‡	检索质量生成质量	上下文相关性答案忠诚性答案相关性	*
CRUD†	检索质量生成质量	创意生成知识密集型 QA 纠错总结	BLEU ROUGE-L BertScore RAGQuestEval