将数据库系统实践转向 AI：使用生成式 AI 创建高效的开发和维护实践

现代数据库实践增强了性能、可扩展性和灵活性，同时确保了数据的完整性、一致性和安全性。一些关键实践包括利用分布式数据库实现可扩展性和可靠性，使用云数据库实现按需可扩展性和维护，以及实施 NoSQL 数据库来处理非结构化数据。此外，数据湖存储大量原始数据用于高级分析，内存数据库通过在主内存中存储数据来加快数据检索速度。人工智能 （AI） 的出现正在通过自动执行复杂任务、提高效率和确保系统稳健性来迅速改变数据库开发和维护。

本文探讨了 AI 如何通过自动化、最佳实践和 AI 技术集成来彻底改变开发和维护。本文还介绍了实时 AI 应用程序的数据基础，提供了对数据库选择和架构模式的见解，以确保低延迟、弹性和高性能系统。

生成式 AI 如何实现数据库开发和维护任务

使用生成式 AI （GenAI） 进行数据库开发可以通过自动执行架构设计、查询生成和数据清理等关键任务来显着提高生产力和准确性。它可以生成优化的数据库结构，协助编写和优化复杂的查询，并以最少的人工干预确保高质量的数据。此外，AI 可以监控性能并提出调整建议，从而提高数据库开发和维护效率。

生成式人工智能和数据库开发

让我们回顾一下 GenAI 如何协助一些关键的数据库开发任务：

• 需求分析。记录了每个数据库更改请求需要添加和修改的组件。利用该文档，GenAI 可以帮助识别变更需求之间的冲突，这将有助于有效地规划在开发、QA 和生产环境中实施变更请求。

• 数据库设计。GenAI 可以根据规范化、非规范化或一个大表设计的最佳实践来帮助开发数据库设计蓝图。设计阶段至关重要，基于最佳实践建立稳健的设计可以防止将来进行昂贵的重新设计。

• 架构创建和管理。GenAI 可以根据初始需求生成优化的数据库模式，确保根据规范化级别以及分区和索引要求遵循最佳实践，从而缩短设计时间。

• 包、过程和函数的创建。GenAI 可以根据处理的数据量、幂等性和数据缓存要求来帮助优化包、过程和函数。

• 查询编写和优化。GenAI 可以通过分析基于数据访问成本和可用元数据的数据结构，协助编写和优化复杂的 SQL 查询，减少错误，提高执行速度。

• 数据清洗和转换。GenAI 可以识别和纠正异常，确保高质量的数据，同时最少地减少数据库开发人员的人工干预。

生成式 AI 和数据库维护

确保效率和安全性的数据库维护对于数据库管理员 （DBA） 的角色至关重要。以下是 GenAI 可以协助关键数据库维护任务的一些方法：

• 备份和恢复。AI 可以自动执行备份计划、监控备份流程并预测潜在故障。GenAI 可以为恢复场景生成脚本，并模拟恢复过程以测试其有效性。

• 性能调优。 AI 可以分析查询性能数据，提出优化建议，并根据访问路径和成本优化生成索引策略。它还可以根据历史数据预测查询性能问题，并建议配置更改。

• 安全管理。AI 可以识别安全漏洞，建议权限和加密的最佳实践，生成审计报告，监控异常活动，并为潜在的安全漏洞创建警报。

• 数据库监控和故障排除。AI 可以提供实时监控、异常检测和预测分析。它还可以生成详细的诊断报告并推荐纠正措施。

• 补丁管理和升级。AI 可以推荐最佳补丁计划，生成补丁影响分析报告，并在沙盒环境中自动进行补丁测试，然后再将其应用于生产环境。

用于数据库开发的企业 RAG

检索增强生成 （RAG） 有助于架构设计、查询优化、数据建模、索引策略、性能调优、安全实践以及备份和恢复计划。RAG 通过检索最佳实践并生成定制的、上下文感知的建议和自动化解决方案来提高效率和有效性。实施 RAG 涉及：

• 构建知识库

• 建立检索机制

• 集成生成模型

• 建立反馈循环

为了确保数据库系统的高效、可扩展和可维护，RAG 通过推荐适当的模式规范化、平衡索引、高效的事务管理和外部化配置来帮助避免错误。

RAG 管道

当用户查询或提示输入到 RAG 系统时，它首先解释查询以了解正在搜索的信息。根据查询，系统在庞大的数据库或文档存储中搜索相关信息。这通常是使用向量嵌入来实现的，其中查询和文档都转换为高维空间中的向量，并使用相似性度量来检索最相关的文档。

检索到的信息与原始查询一起被馈送到语言模型中。此模型同时使用输入查询和检索到的文档提供的上下文来生成更明智、准确和相关的响应或输出。

图 1.简单的 RAG 管道

RAG 的矢量数据库

向量数据库专为高维向量运算量身定制，非常适合 AI 应用中的相似性搜索。但是，非矢量数据库管理跨结构化、半结构化和非结构化数据格式的事务数据和复杂查询。下表概述了向量数据库和非向量数据库之间的主要区别：

表 1. 向量数据库与非向量数据库

在选择向量数据库路线时，选择合适的向量数据库涉及评估：数据兼容性、性能、可扩展性、集成能力、运营考虑因素、成本、安全性、功能、社区支持和供应商稳定性。

通过仔细评估这些方面，可以选择满足应用程序要求并支持其增长和性能目标的向量数据库。

RAG 的矢量数据库

业界通常使用几种向量数据库进行 RAG，每种数据库都具有独特的功能，以支持高效的向量存储、检索以及与 AI 工作流的集成：

• Qdrant 和 Chroma 是强大的矢量数据库，旨在处理高维矢量数据，这对于现代 AI 和机器学习任务至关重要。

• Milvus 是一个开源且高度可扩展的数据库，支持多种向量索引类型，用于视频/图片检索和大规模推荐系统。

• Faiss是一个高效的相似性搜索库，由于其高效率和对各种索引方法的支持，被广泛用于大规模相似性搜索和 AI 推理。

这些数据库是根据特定用例、性能要求和生态系统兼容性来选择的。

向量嵌入

可以为各种内容类型创建向量嵌入，例如数据架构蓝图、数据库文档、有关向量数据库选择的播客以及用于 RAG 的数据库最佳实践视频。通过将这些不同形式的信息转换为高维向量表示，可以构建一个统一的、可搜索的知识库。这使得对不同媒体格式的相关信息进行高效且上下文感知的检索成为可能，增强了提供精确推荐、生成优化解决方案并支持数据库开发和维护中的综合决策过程的能力。

图 2. 向量嵌入

向量搜索和检索

RAG 中的向量搜索和检索涉及使用机器学习模型将各种数据类型（例如文本、图像、音频）转换为高维向量嵌入。这些嵌入使用分层可导航小世界 （HNSW） 或 ANN 等技术进行索引，以实现高效的相似性搜索。

进行查询时，它还会转换为向量嵌入，并使用距离指标（如余弦相似度或欧几里得距离）与索引向量进行比较，以检索最相关的数据。然后，这些检索到的信息用于增强生成过程，提供上下文并提高生成输出的相关性和准确性。向量搜索和检索对于语义搜索和推荐系统等应用程序非常有效，在语义搜索中，查询与相似内容匹配，以及推荐系统，在搜索系统中，将用户偏好与相似项目进行比较以建议相关选项。它们还用于内容生成，其中检索最合适的信息以增强生成输出的准确性和上下文。

用于 AI 驱动的数据库开发的 LLMOps

用于 AI 驱动的数据库开发的大型语言模型操作 （LLMOps） 利用基础和微调模型、有效的提示管理和模型可观察性来优化性能并确保可靠性。这些做法提高了 AI 应用程序的准确性和效率，使其非常适合多样化、特定领域和强大的数据库开发和维护任务。

基础模型和微调模型

利用大型、预训练的 GenAI 模型为开发专用应用程序提供了坚实的基础，因为它们在不同的数据集上进行训练。领域适应涉及对这些基础模型在特定领域数据上进行额外训练，以提高它们在金融和医疗保健等领域的相关性和准确性。

小型语言模型旨在提高计算效率，与大型语言模型 （LLM） 相比，具有更少的参数和更小的架构。小型语言模型旨在平衡性能与资源使用，使其成为计算能力或内存有限的应用程序的理想选择。在特定数据集上微调这些较小的模型可以提高它们在特定任务中的性能，同时保持计算效率并保持最新状态。对微调的小型语言模型进行定制部署，确保它们在现有基础设施中有效运行，并满足特定的业务需求。

及时管理

有效的提示管理对于优化 LLM 的绩效至关重要。这包括使用各种提示类型，如零次、单次、少次和多次，并学习根据提供的示例自定义响应。提示应清晰、简洁、相关且具体，以提高输出质量。

递归提示和显式约束等高级技术有助于确保一致性和准确性。思维链 （COT） 提示、情感指令和定向刺激提示 （DSP） 等方法可引导模型做出更细致入微和上下文感知的响应。

提示模板使方法标准化，确保跨任务获得可靠且连贯的结果。模板创建涉及设计针对不同分析任务定制的提示，而版本控制则使用 Codeberg 等工具系统地管理更新。对提示模板的持续测试和改进进一步提高了所生成输出的质量和相关性。

模型可观测性

模型可观测性通过实时监控、异常检测、性能优化和主动维护，确保模型以最佳方式运行。通过增强调试、确保透明度和实现持续改进，模型可观测性提高了 AI 系统的可靠性、效率和问责制，降低了运营风险并增加了对 AI 驱动应用程序的信任。它包含同步和异步方法，以确保模型按预期运行并提供可靠的输出。

生成式 AI 支持的同步可观测性和 AI 支持的异步数据可观测性

在数据库开发和维护中使用 AI 实现同步和异步数据可观察性，可以增强实时和历史监控能力。同步可观测性提供有关数据库指标的实时洞察和警报，从而能够立即检测和响应异常情况。异步可观测性利用 AI 来分析历史数据、识别长期趋势并预测潜在问题，从而促进主动维护和深度诊断。这些方法共同确保了数据库操作的强大性能、可靠性和效率。

图 3. 用于模型可观测性和数据库开发的 LLMOps

结论

将 AI 集成到数据库开发和维护中，可以自动执行任务并提高生产力，从而提高效率、准确性和可扩展性。特别：

• 企业 RAG 在矢量数据库和 LLMOps 的支持下，通过最佳实践进一步优化数据库管理。

• 数据可观测性确保了全面的监控，实现了主动和实时的响应能力。

• 建立强大的数据基础对于实时 AI 应用至关重要，可以确保系统有效满足实时需求。

• 将生成式 AI 集成到数据架构和数据库选择、分析层构建、数据编目、数据结构和数据网格开发中，将提高自动化和优化率，从而实现更高效、更准确的数据分析。

在数据库开发和维护中利用人工智能的好处将使组织能够不断提高性能和数据库的可靠性，从而提高行业价值和地位。

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