Retrieval-Augmented Generation（RAG）是一种强大的技术，能够提高大型语言模型（LLM）的性能，使其能够从外部知识源中检索信息以生成更准确、具有上下文的回答。

本文将详细介绍 RAG 在 LangChain 中的应用，以及如何构建一个简单的 RAG 管道。

LangChain 是什么

LangChain 是一个强大的自然语言处理工具，提供了丰富的功能来简化文本处理和信息检索任务。它的强大之处在于可以无缝集成不同的组件，从而构建复杂的文本处理管道。

RAG 是什么

RAG 的核心思想是将语言模型（LLM）与检索模块结合起来，使其能够利用外部知识源的信息。这有助于生成更加准确和上下文相关的回答，从而减少幻觉（hallucination）的风险。

RAG 工作原理分为两个主要阶段：

索引阶段

该阶段是信息检索系统中的一个关键步骤，旨在将原始数据（例如文档、文本等）进行处理和组织，以便后续能够更快速、有效地检索和获取相关信息。

以下是索引阶段的主要组成部分：

1. 索引： 数据被处理成一个索引结构，其中特定的信息块被赋予唯一的标识符或值。索引结构充当后续检索操作的入口，加速信息查找的过程。

2. 文档加载器： 负责从各种来源（如私有S3存储桶、信息网站、社交平台等）获取原始数据。文档加载器的任务是将原始数据导入系统，以便进行后续的处理和索引。

3. 文档转换器： 对原始文档进行处理，将其转换成更容易处理的形式。这可能包括将大型文档分解为小块，准备文档以便后续的信息检索。

4. 文本嵌入模型： 一旦文档被转换，系统会使用文本嵌入模型为文本创建嵌入。嵌入捕捉文本的潜在语义含义，使得后续的检索可以更准确地匹配用户查询。

5. 向量存储： 为了存储处理后的数据和相应的嵌入，系统提供与多种向量存储的连接。

检索和生成阶段

该阶段是信息检索系统中的两个关键步骤，涉及根据用户的查询检索相关信息并生成自然语言响应。以下是的主要组成部分：

1. 检索： 在用户提出问题时，系统使用检索器从存储中获取与用户需求相关的信息。这类似于搜索引擎，系统寻找匹配用户问题的数据片段。

2. 生成： 获取所需信息后，ChatModel 或大语言模型（LLM）介入，通过将用户的问题与获取的数据结合，生成自然而直接相关的响应。

RAG 的工作流程

RAG 的工作流程主要分为三个步骤：检索、增强和生成。

• 检索： 使用用户查询从外部知识源中检索相关上下文。将用户查询嵌入到向量空间中，与向量数据库中的附加上下文进行相似性搜索，返回前 N 个最接近的数据对象。

• 增强： 使用用户查询和检索到的附加上下文填充提示模板。

• 生成： 将经过检索增强的提示传递给LLM。

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配置与准备

在开始使用 LangChain 之前，首先需要安装必要的依赖。以下是配置OpenAI 环境和安装所需依赖项的代码：

!pip install openai --quiet
!pip install langchain --quiet
!pip install docx2txt --quiet
!pip install weaviate-client --quiet

然后，配置 OpenAI 环境的代码如下：

import os# 设置OpenAI API密钥
os.environ["OPENAI_API_KEY"] = "YOUR_OPENAI_API_KEY"

文档处理与分段

接下来，加载并处理示例文档。这包括使用文档加载器加载文档，然后将其分成较小的段落。

from langchain.document_loaders import Docx2txtLoader
from langchain.text_splitter import CharacterTextSplitter# 加载文档
document_path = "文件路径"
loader = Docx2txtLoader(document_path)
documents = loader.load()# 分割文档
text_splitter = CharacterTextSplitter(chunk_size=300, chunk_overlap=0)
texts = text_splitter.split_documents(documents)

文本嵌入与向量存储

现在，使用 LangChain 进行文本嵌入和向量存储，以便后续的检索操作。

from langchain.embeddings.openai import OpenAIEmbeddings
from langchain.vectorstores import Weaviate# 初始化 OpenAI 嵌入模型
embeddings = OpenAIEmbeddings()# 创建Weaviate向量数据库
vectorstore = Weaviate.from_documents(client=weaviate.Client(embedded_options=EmbeddedOptions()),documents=texts,embedding=embeddings,by_text=False
)

检索链的创建

接下来，将演示如何在 LangChain 中创建检索链。使用一个示例文档，并将其分段以便进行更有效的检索。

基于文档填充的检索链

from langchain.chains import RetrievalQA# 创建 RetrievalQA 检索链
retriever = vectorstore.as_retriever()
qa = RetrievalQA.from_chain_type(llm=ChatOpenAI(model_name="gpt-3.5-turbo", temperature=0), chain_type="stuff", retriever=retriever)# 运行查询
query = "这文档里都有什么内容?"result = qa_map_reduce.run(query)
print(result)

Map-Reduce 文档链

from langchain.chains import RetrievalQA# 构建 Map-Reduce文档链
retriever = vectorstore.as_retriever()
qa_map_reduce = RetrievalQA.from_chain_type(llm=OpenAI(), chain_type="map_reduce", retriever=retriever)# 运行查询
query = "这文档里都有什么内容?"result = qa_map_reduce.run(query)
print(result)

优化文档链

from langchain.chains import RetrievalQA# 构建优化文档链
retriever = vectorstore.as_retriever()
qa_refine = RetrievalQA.from_chain_type(llm=OpenAI(), chain_type="refine", retriever=retriever)# 运行查询
query = "这文档里都有什么内容?"result = qa_refine.run(query)
print(result)

RAG 实现示例

1. 基础设置和文档处理：通过 LangChain 处理文本数据，将其嵌入为向量，并通过 Weaviate 向量数据库，为文本搜索或相似性匹配提供支持。

import requests
from weaviate import Weaviate, Client, EmbeddedOptions
from weaviate.language_embedding.vectorization import OpenAIEmbeddings
from weaviate.util import CharacterTextSplitter, TextLoader
import dotenv# 加载环境变量
dotenv.load_dotenv()# 下载数据
url = "https://raw.githubusercontent.com/langchain-ai/langchain/master/docs/docs/modules/state_of_the_union.txt"
res = requests.get(url)
with open("state_of_the_union.txt", "w") as f:f.write(res.text)# 使用 TextLoader 加载文本
loader = TextLoader('./state_of_the_union.txt')
documents = loader.load()# 使用 CharacterTextSplitter 拆分文本成小块
text_splitter = CharacterTextSplitter(chunk_size=500, chunk_overlap=50)
chunks = text_splitter.split_documents(documents)# 初始化 Weaviate 客户端
client = Client(embedded_options=EmbeddedOptions())# 在 Weaviate 中创建向量存储
vectorstore = Weaviate.from_documents(client=client,documents=chunks,embedding=OpenAIEmbeddings(),by_text=False
)

2. 构建 RAG Pipline：使用 RAG 模型进行问答对话，通过检索上下文信息来支持生成更精准的回答。

from langchain.prompts import ChatPromptTemplate
from langchain.chat_models import ChatOpenAI
from langchain.schema.runnable import RunnablePassthrough
from langchain.schema.output_parser import StrOutputParser# 定义检索器
retriever = vectorstore.as_retriever()# 准备中文prompt模板
template = """你是一个用于问答任务的助手。
使用以下检索到的上下文片段来回答问题。
如果你不知道答案，只需说你不知道。
最多使用三句话，保持回答简洁。
问题: {question}
上下文: {context}
回答:
"""
prompt = ChatPromptTemplate.from_template(template)# 定义LLM
llm = ChatOpenAI(model_name="gpt-3.5-turbo", temperature=0)# 构建RAG链
rag_chain = ({"context": retriever,  "question": RunnablePassthrough()} | prompt | llm| StrOutputParser() 
)# 运行RAG链
query = "总结内容并列出关键词."
result = rag_chain.invoke(query)
print(result)

以上就是一个简单的 RAG Pipline 的构建和运行过程。通过这种方式，LangChain 提供了一种方便而强大的方法来实现检索增强生成任务，使得语言模型能够更好地利用外部知识源来提高其性能。

总结

LangChain 提供了丰富的组件和功能，使得 RAG 的实现变得简单而灵活。通过检索增强生成，使我们能够充分利用大语言模型和外部知识源，生成更加准确和具有上下文的回答，从而提高自然语言处理任务的性能。

引用

1. https://github.com/langchain-ai/langchain
2. https://python.plainenglish.io/rag-using-langchain-c371fcd02d13
3. https://towardsdatascience.com/retrieval-augmented-generation-rag-from-theory-to-langchain-implementation-4e9bd5f6a4f2