PingCAP 王琦智：下一代 RAG，tidb.ai 使用知识图谱增强 RAG 能力

2024-07-23
上海
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导读

随着 ChatGPT 的流行，LLMs（大语言模型）再次进入人们的视野。然而，在处理特定领域查询时，大模型生成的内容往往存在信息滞后和准确性不足的问题。如何让 RAG 和向量搜索技术在实际应用中更好地满足企业需求？如何在向量之上构建全链路 RAG 服务，提升开发者效率，降低成本？本文整理自 TiDB 生态系统架构师及高级开发者 Advocate 王琦智在墨天轮数据库沙龙的分享：《下一代 RAG，tidb.ai 使用知识图谱增强 RAG 能力》，以下为演讲实录。

Graph RAG（Graph Retrieval-Augmented Generation）是一种结合知识图谱和信息检索技术的方法。为了更好地理解它，我们可以用一个形象的例子来说明：在商场门口有一个抽奖箱，你把手伸进去抽出一张小纸条，上面写着一二三等奖的奖项及相应的绕口令。你需要念出绕口令才能拿到奖品。这个过程很像 Graph RAG 的工作原理：你在一个“黑盒子”里接收到一段信息，然后使用这些信息进行相应的操作。

但我们发现，在某些情况下，抽到的奖项越高反而可能带来一些问题。例如，若口才不佳，抽到高奖项可能会让人难以应对，从而无法获得任何实际的奖励。这种现象在某些游戏场景中尤为明显。然而，在 RAG 场景中，我们希望能获得更好的回答。那么，如何解决这一问题呢？一种解决方案是，当抽取奖项时，同时抽取与之关联的其他奖项。例如，当抽到二等奖时，同时抽出相应的一等奖和三等奖。这种方法可以借助知识图谱来增强 RAG 能力。

今天，我们就来探讨如何使用知识图谱来提高 RAG 表现。

首先，让我们介绍一下 tidb.ai 它是什么。其实很简单，就是一个了解 TiDB 知识的 AI 问答机器人。在使用 tidb.ai 的过程中，可能会有一些常见的问题。例如，TiDB 中的 TiKV 和 TiFlash 有什么区别？实际上，这是指两种存储引擎，TiKV 是行存储，而 TiFlash 是列存储。但是，对于一个 TiDB 新手来说，可能会不知道这些区别，因此会产生疑问。这正是我们使用知识图谱生成的一些档案所解决的问题。

在我们使用 tidb.ai 之前，存在一些问题。首先，我们缺乏技术支持的人力。以前我们有一个轮班的小组来回答社区成员提出的问题，但人力一直不足，所以导致技术支持的间隔时间较长。如果问题提得不够清楚，没有一次性把所有问题提完，就需要几轮沟通，从而延长了技术回答的时间。其次，我们的文档丰富，但会导致用户不知道从哪里开始。 通过 tidb.ai，我们可以帮助用户查阅文档、编写代码、回答问题，从而解放技术支持工程师的人力，实现零延迟的回答，并且不需要等待多轮对话。

图 1 使用 tidb.ai 后解决的问题

首先，简单介绍一下我们在一年之前是如何实现的简单的 RAG。最初的实验方案是基于 Plain RAG（云原生 RAG）。下面是具体的实现步骤，如图所示，分别为：

图 2 具体实现步骤

文档切分与向量化：

◦ 从左边开始，我们首先有一些文档，将其切分成文本块（text chunk）。

◦ 这些文本块会被输入到 OpenAI 或其他模型中进行向量化处理，生成相应的向量。

◦ 这些向量与对应的文本块会被存储在 TiDB 中。

建立向量索引：

◦ 向量与文本块存储在同一行中，这样我们可以为这些向量建立索引（vector index），使服务能够使用这些向量进行快速检索。

用户问题向量化与检索：

◦ 当用户提出问题（例如“什么是 TiDB？”），我们使用相同的模型将问题向量化。

◦ 然后，我们通过一个 SQL 查询在向量索引中检索，使用一个称为 X 的函数来比较两个向量之间的余弦距离。

◦ 通过这个函数，我们可以找到与用户问题最接近的三个向量（Top Three Nearest Neighbors）。

生成回答：

◦ 找到最接近的向量后，我们可以获取相应的文本块。

◦ 最后，使用 OpenAI 模型生成答案，并将其返回给用户。

RAG（Retrieval-Augmented Generation）是一种开创性的技术 ，解决了多个问题。首先，它降低了大模型的幻觉现象 。大模型有时会生成不准确或无根据的回答，而 RAG 通过检索相关文档，提供额外的支持，减少了这种现象。其次， RAG 能够给予大模型额外的知识支持 ，通过检索相关信息，增强模型的回答质量和准确性。最后， RAG 突破了上下文窗口限制 。大模型的上下文窗口通常有限，例如 1024 个 token，虽然现在扩展到 2048、4096，甚至 8K、16K，但传递所有上下文依然成本高昂且不经济。

图 3 RAG 解决的问题

在有了 RAG 之后，我们为什么还需要 Rerank 或其他增强操作呢？Rerank 是对检索到的文档进行重新排序的过程，其重要性在于提高检索的准确性。余弦相似性在比较文本时，往往忽略了语言间的关系。例如，问题“你吃饭了吗？”最相似的文本可能是“你吃饭了吗？”本身，而不是“我吃了”或“我没吃”。这种文本之间的相似性无法捕捉到实际回答的意图。

Rerank 通过重新排序，帮助我们找到最相关的回答。就像推荐系统中，在召回之后进行重新排序一样，Rerank 能进一步提升检索结果的相关性和准确性。通过这种方式，我们可以更好地理解文档与问题之间的交互关系，提高回答的准确性和用户体验。Rerank 加 RAG 就能解决所有问题吗？其实不然，它也无法一次性解决所有问题。

举个例子，比如在索引阶段（indexing），即构建 Vector index 的过程中，会遇到上下文窗口的限制。文字可能会在不该被截断的地方被截断，造成问题。举个例子，有一句话是“王叔叔夸我作业做得好，于是抱起了我妈妈，然后 token 没了”，结果 GPU 运行超载，大模型 GPU 直接开始冒烟，显然需要处理这些问题。这个例子仅仅展示了 indexing 阶段上下文窗口限制所导致的问题 ，除此之外，Rerank+RAG 还会造成 Chunks 之间没有关联，忽略文档结构关系等问题 。

图 4 Rerank+RAG 的问题

基于以上的问题，我们提出了一个使用知识图谱来增强 RAG（Retrieval-Augmented Generation）模型的解决方案。这个方案能够有效解决 RAG 的问题，提升模型的回答质量和准确性。

1、理论基础

如图是微软发布的一篇关于知识图谱的论文。大家可以参考这篇论文了解更多细节。我们在初始阶段基于这篇论文的实现思路进行开发，后续进行了改良和优化。

图 5 解决方案的理论基础

2、简易架构

用户提出问题后，我们首先找到几个最近邻的节点。不论使用哪种方法，找到一个或多个 Top n 节点后，对这些节点进行扩展。图中，我们扩展了一个度，蓝色箭头表示扩展路径，绿色节点是扩展后触达的节点。最后，我们将这些节点及其关系全部提取出来，生成最终的回答。这个架构简单但有效，通过这种方式，我们能够显著提高模型的回答准确性和相关性。

图 6 简易架构

在前面我们提到知识图谱，大家可能对它有了一个初步的认识。实际上，建立好的知识图谱看起来就像一个星云，有些人觉得它更像是我们的神经元。我们的知识被存储在一个个小球和它们之间的连线上，看起来非常壮观。刚刚展示的图也显示了知识图谱中包含的大量节点及其复杂的关联。

图 7 建立好的知识图谱类似一个星云图

3、构建方式

有人可能会问，这么多的节点是否是手工构建的？显然不是。我们是一家小型数据库公司，没有那么多人力去完成这个任务。接下来就分别与大家讨论下构建的四个步骤

丰富的文档及社区问答

社区中英文 Markdown 文档为 1276 篇，中文 Markdown 文档为 1098 篇，而且这都不是 AI 翻译的，我们这个文档是有一个专门的团队去进行维护，每一个文档都跟随着版本发布而作出对应的调整与更新。

图 8 成熟的 TiDB 社区

使用 LLM 进行知识图谱构建

我们提出了一个利用 LLM 抽取知识图谱的可行方案，解决了我们人力不足的问题。具体来说，我们使用了 DSPy 库进行知识图谱的自动化构建。如果你对代码实现感兴趣，可以查看我们提供的 demo，扫描二维码即可访问。

在具体实现上，我们采用了 DSPy 库来定义和抽取知识图谱中的节点和边。我们生成的图谱是一种汇总图谱（Summary graph），而不是实例图谱（instance graph）。这两种图谱有以下区别：

• 实例图谱（Instance Graph）：这种图谱更干净，准确率更高，泛用性更好，但其维护成本也更高。

• 汇总图谱（Summary Graph）：这种图谱维护成本低，不需要频繁的人工维护。由于我们的人力有限，只能实现汇总图谱的程度。

图 9 Instance Graph vs Summary graph

存入 TiDB Serverless 集群

尽管汇总图谱的精度和泛用性不如实例图谱，但其维护成本更低，并且在性能上明显优于不使用知识图谱的 RAG 版本。因此，我们选择了汇总图谱。由于知识图谱的数据量非常大，我们需要一个合适的数据库进行存储。这个数据库不仅需要支持大规模数据存储，还要支持向量操作和高效检索。TiDB Serverless 不仅支持大规模数据存储和向量检索，还能应对高并发的查询需求 ，基于此我们选择了 TiDB Serverless 来解决这些问题。

检索时使用 Vector Search 和知识图谱

检索时首先会使用 Vector Search 在集群中搜索最近邻的 Top N 节点，随后使用这些节点扩散 K 度，取回其相关节点及边，最后使用这些节点及边生成回答。

为什么在数据服务架构中，选择将向量嵌入到 TiDB 中，而不是“外挂”一个向量数据库。首先，“外挂”向量数据库的方案需要应用程序进行双重操作，即写两次和查两次数据，这会带来数据同步问题。不仅需要确保数据的事务级别同步，即使是最终一致性有时也很难保证。有工程经验的开发者都知道，最终一致性有时很难实现。

将向量嵌入到 TiDB 中，可以简化操作，只需对 TiDB 进行一次读写操作，避免了外挂数据库带来的复杂性。我们选择在 TiDB 中嵌入向量，主要基于以下几个原因。首先，这样的方案可以简化架构，应用程序只需进行一次读写操作，不需要管理两个不同的数据库，从而简化了应用架构。其次，我们希望创建一个兼容 MySQL 生态的向量数据库插件，TiDB Serverless 率先实现了这一功能。尽管 MySQL 9.0 也实现了类似功能，但我们在此之前已经实现了这一点。

图 10 Vector type within TiDB 简化了架构

通过将向量嵌入 TiDB，我们不仅简化了架构，减少了操作复杂性，还能利用 TiDB 的分布式架构和高可用性，满足大规模数据存储和高并发查询的需求。

我接下来要讲的是全能型数据库如何帮助开发者减轻负担。在架构方面，我们先回顾一下过去 20 年的技术架构演变。每当关系型数据库（RDB）无法解决问题时，我们总是倾向于创造新的解决方案。最开始，我们有两种数据结构：文档型数据库和关系型数据库。如果需要同时使用两种数据库，就需要将数据从关系型数据库同步到文档型数据库。随后，我们发现 OLAP（联机分析处理）也很有用，因为列存储能加快数据分析速度，所以我们又增加了一份数据同步。然后，我们发现倒排索引适合全文检索，于是再同步一次。现在，我们还想增加一个向量索引。这些变化使得业务开发者感到困扰，因为数据架构的复杂性往往超过了业务本身的复杂性。

许多复杂的数据架构并不是由应用本身引起的，而是由于数据库架构的复杂性。对于一个服务，如果需要集成不同种类的查询，就需要加入不同种类的数据库。例如，一个服务可能需要 MySQL、MongoDB、ClickHouse 和 Redis，开发者必须仔细维护它们之间的关系。这种复杂度不应该由业务开发者承担，而是应该由数据存储来解决。换句话说，现在的数据存储对于业务架构的侵入性越来越强。存储本应用于解耦，但现在反而增加了耦合度，导致本末倒置。即使不增加额外的数据库，有些架构由于数据量的原因，也需要进行分库分表，这同样增加了数据架构的复杂性。

TiDB 作为一个全能型数据库，开发者使用其可以避免上述复杂性，因为 TiDB 能够集成多种数据库功能 ，不需要进行数据同步或维护多个数据库。这不仅简化了数据架构，还提升了开发效率，降低了维护成本，使得开发者可以更加专注于业务本身 。在预算方面，这也能帮助降低成本。