Pistis-RAG: 面向可信检索增强生成(RAG)的可扩展级联框架

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1. 引言

在人工智能和自然语言处理领域,大型语言模型(LLMs)的发展日新月异。然而,即使是最先进的LLMs也面临着一些固有的局限性,如知识更新滞后、领域专业知识不足等问题。为了克服这些挑战,检索增强生成(Retrieval-Augmented Generation, RAG)技术应运而生。

本文将详细解读一篇名为《Pistis-RAG: A Scalable Cascading Framework Towards Trustworthy Retrieval-Augmented Generation》的论文。这篇论文提出了一个名为Pistis-RAG的新型框架,旨在提高RAG系统的效果和效率。

1.1 RAG简介

在深入探讨Pistis-RAG之前,我们先简要回顾一下RAG技术:

RAG技术通过在LLM生成答案之前,先从外部知识库中检索相关信息,从而增强模型的回答能力。这种方法不仅能够提供更新、更准确的信息,还能帮助LLM更好地处理专业领域的问题。

1.2 Pistis-RAG的创新点

Pistis-RAG框架在传统RAG基础上引入了几个关键创新:

内容中心视角:强调内容传递与业务目标和用户偏好的一致性。
多阶段级联检索:包括匹配、预排序、排序、重排序等阶段。
考虑LLM对提示顺序的敏感性:优化提示序列以提高相关性。
并行推理和专家路由:通过多路径推理提高系统的鲁棒性。

接下来,我们将逐一深入探讨Pistis-RAG框架的各个组成部分。

2. Pistis-RAG架构详解

Pistis-RAG框架采用了一种多阶段的级联架构,每个阶段都有其特定的功能和优化目标。让我们从整体架构开始,逐步深入每个关键组件。

2.1 整体架构

Pistis-RAG的整体架构可以用以下图示来表示:

这个级联架构的每个阶段都经过精心设计,以优化检索和生成过程。现在让我们详细探讨每个服务的功能和实现。

2.2 匹配服务(Matching Service)

匹配服务是整个流程的起点,负责理解用户意图并快速检索最相关的信息。

2.2.1 核心功能

利用多种信息检索(IR)技术快速定位相关文档
优化大规模在线检索的延迟
集成外部搜索引擎以访问海量信息

2.2.2 关键技术

匹配服务使用多种数据结构和算法来优化检索过程:

向量存储:用于基于嵌入的检索方法,如近似最近邻(ANN)搜索。

classVectorStorage:
def__init__(self,dimension):
self.index=faiss.IndexFlatL2(dimension)

defadd(self,vectors):
self.index.add(vectors)

defsearch(self,query_vector,k):
returnself.index.search(query_vector,k)

倒排索引:用于基于关键词的快速检索。

classInvertedIndex:
def__init__(self):
self.index=defaultdict(list)

defadd(self,doc_id,words):
forwordinwords:
self.index[word].append(doc_id)

defsearch(self,query):
returnset.intersection(*[set(self.index[word])forwordinquery])

内存键值缓存:用于维护用户会话、缓存常见问题答案等。

classMemoryCache:
def__init__(self):
self.cache={}

defset(self,key,value):
self.cache[key]=value

defget(self,key):
returnself.cache.get(key)

2.2.3 混合检索策略

为了进一步提高检索效果,Pistis-RAG采用了混合检索策略,结合多种检索方法的优势:

defhybrid_retrieval(query,vector_storage,inverted_index,memory_cache):
#1.首先检查缓存
cached_result=memory_cache.get(query)
ifcached_result:
returncached_result

#2.进行向量检索
query_vector=encode_query(query)
vector_results=vector_storage.search(query_vector,k=10)

#3.进行关键词检索
keyword_results=inverted_index.search(query.split())

#4.合并结果
combined_results=merge_results(vector_results,keyword_results)

#5.缓存结果
memory_cache.set(query,combined_results)

returncombined_results

通过这种混合策略,匹配服务能够在保证检索质量的同时,大幅提升检索速度。

2.3 排序服务(Ranking Service)

排序服务是Pistis-RAG框架中的关键组件,负责对检索到的文档进行精确排序,以确保最相关和最有价值的信息被优先考虑。

2.3.1 排序过程

排序服务包含三个主要阶段:预排序、排序和重排序。每个阶段都有其特定的目标和方法:

预排序(Pre-Ranking):

目的:快速筛选出潜在相关的文档
方法:使用轻量级模型或启发式方法

排序(Ranking):

目的:对文档进行更精细的相关性评估
方法:使用复杂的机器学习模型,如ListNet或LambdaMART

重排序(Re-Ranking):

目的:考虑额外因素(如文档可信度)进行最终调整
方法:应用特定领域的规则或模型

2.3.2 排序模型

Pistis-RAG使用了一种基于Transformer的listwise学习排序模型。该模型不仅考虑了单个文档的相关性,还学习了整个文档列表的最优排序。
模型的数学表示如下:

2.3.3 考虑LLM的提示顺序敏感性

Pistis-RAG的一个重要创新是考虑了LLM对提示顺序的敏感性。通过学习最优的提示顺序,可以显著提升生成质量。

classPromptOrderOptimizer:
def__init__(self,llm):
self.llm=llm

defoptimize_order(self,prompts):
best_order=prompts
best_score=self.evaluate_order(prompts)

for_inrange(100):#简单的随机搜索
new_order=random.sample(prompts,len(prompts))
score=self.evaluate_order(new_order)
ifscore>best_score:
best_order=new_order
best_score=score

returnbest_order

defevaluate_order(self,prompts):
response=self.llm.generate(prompts)
returnself.score_response(response)

通过这种方式,排序服务不仅考虑了文档的相关性,还优化了它们作为LLM提示的顺序,从而提高了最终生成内容的质量。

2.4 推理服务(Reasoning Service)

推理服务是Pistis-RAG框架中的核心组件,负责利用检索到的信息生成最终的回答。该服务采用了多路径推理和专家路由等创新技术,以提高生成内容的质量和可靠性。

2.4.1 多路径推理

多路径推理是一种通过并行生成多个推理路径来提高结果稳定性和质量的技术。其基本思想是:对于同一个问题,使用不同的检索结果或提示策略,生成多个候选答案,然后从中选择最佳结果或综合多个结果。
实现多路径推理的伪代码如下:

defmulti_path_reasoning(query,retrieved_docs,llm):
paths=[]
for_inrange(NUM_PATHS):
#随机选择一部分文档
selected_docs=random.sample(retrieved_docs,k=3)

#构建提示
prompt=construct_prompt(query,selected_docs)

#生成回答
response=llm.generate(prompt)

paths.append(response)

#选择最佳路径或合并多个路径
final_answer=select_or_merge_paths(paths)

returnfinal_answer

2.4.2 专家路由

专家路由是一种根据问题类型将查询分发给最合适的"专家"模型的技术。这种方法可以充分利用不同模型在特定领域的优势。

classExpertRouter:
def__init__(self):
self.experts={
'medical':MedicalExpert(),
'tech':TechExpert(),
'general':GeneralExpert()
}

defroute(self,query):
query_type=self.classify_query(query)
returnself.experts[query_type]

defclassify_query(self,query):
#使用简单的关键词匹配或更复杂的分类器
if'symptom'inqueryor'disease'inquery:
return'medical'
elif'computer'inqueryor'software'inquery:
return'tech'
else:
return'general'

2.4.3 链式思考(Chain-of-Thought)推理

Pistis-RAG还incorporates了链式思考(CoT)推理技术,这种方法让模型像人类一样,通过一系列的中间步骤来解决复杂问题。

defchain_of_thought_reasoning(query,context,llm):
prompt=f"""
Question:{query}
Context:{context}

Let'sapproachthisstepbystep:
1)First,let'sidentifythekeyinformationinthecontext.
2)Next,let'sconsiderhowthisinformationrelatestothequestion.
3)Then,let'sthinkaboutanyadditionalknowledgeorreasoningneeded.
4)Finally,let'sformulateouranswerbasedonthesesteps.

Detailedthoughtprocess:
"""

cot_response=llm.generate(prompt)

#ExtractthefinalanswerfromtheCoTresponse
final_answer=extract_final_answer(cot_response)

returnfinal_answer

通过结合多路径推理、专家路由和链式思考,Pistis-RAG的推理服务能够生成更加准确、可靠和有洞察力的回答。

2.5 聚合服务(Aggregating Service)

聚合服务是Pistis-RAG框架的最后一个关键组件,负责将推理服务生成的多个结果整合成一个连贯、全面的最终答案。这个服务不仅仅是简单地合并结果,还需要考虑结果的一致性、可信度和可读性。

2.5.1 结果合并策略

聚合服务采用了多种策略来合并多路径推理的结果:

投票机制:对于有明确选项的问题,可以采用简单多数投票。

defmajority_vote(answers):
returnmax(set(answers),key=answers.count)

置信度加权:根据每个答案的置信度进行加权平均。

defconfidence_weighted_aggregation(answers,confidences):
total_confidence=sum(confidences)
weighted_answers=[a*c/total_confidencefora,cinzip(answers,confidences)]
returnsum(weighted_answers)

语义相似度聚类:对语义相似的答案进行聚类,选择最大类别的代表性答案。

fromsklearn.clusterimportKMeans
fromsentence_transformersimportSentenceTransformer

defsemantic_clustering(answers):
#使用预训练的sentencetransformer模型将答案转换为向量
model=SentenceTransformer('paraphrase-MiniLM-L6-v2')
answer_embeddings=model.encode(answers)

#使用K-means聚类
kmeans=KMeans(n_clusters=min(3,len(answers)))
clusters=kmeans.fit_predict(answer_embeddings)

#选择最大类别的中心点作为最终答案
largest_cluster=max(set(clusters),key=list(clusters).count)
cluster_center=kmeans.cluster_centers_[largest_cluster]

#找到最接近聚类中心的答案
distances=[np.linalg.norm(embedding-cluster_center)forembeddinginanswer_embeddings]
best_answer_index=np.argmin(distances)

returnanswers[best_answer_index]

2.5.2 一致性检查

为了确保最终答案的一致性,聚合服务会进行一系列的一致性检查:

defconsistency_check(aggregated_answer,original_answers):
#1.事实一致性检查
fact_consistency=check_fact_consistency(aggregated_answer,original_answers)

#2.逻辑一致性检查
logic_consistency=check_logic_consistency(aggregated_answer)

#3.上下文一致性检查
context_consistency=check_context_consistency(aggregated_answer,original_query)

iffact_consistencyandlogic_consistencyandcontext_consistency:
returnTrue
else:
returnFalse

defcheck_fact_consistency(aggregated_answer,original_answers):
#实现事实一致性检查逻辑
pass

defcheck_logic_consistency(answer):
#实现逻辑一致性检查逻辑
pass

defcheck_context_consistency(answer,query):
#实现上下文一致性检查逻辑
pass

2.5.3 可信度增强

为了提高最终答案的可信度,聚合服务还会采取以下措施:

添加引用信息:

defadd_citations(answer,source_documents):
cited_answer=answer
fori,docinenumerate(source_documents):
ifdoc['content']inanswer:
cited_answer=cited_answer.replace(doc['content'],f"{doc['content']}[{i+1}]")

#在答案末尾添加参考文献列表
cited_answer+="\n\nReferences:\n"
fori,docinenumerate(source_documents):
cited_answer+=f"[{i+1}]{doc['title']},{doc['author']},{doc['year']}\n"

returncited_answer

置信度评分:

defconfidence_scoring(answer,original_answers):
#计算答案与原始答案的平均相似度作为置信度分数
model=SentenceTransformer('paraphrase-MiniLM-L6-v2')
answer_embedding=model.encode(answer)
original_embeddings=model.encode(original_answers)

similarities=[cosine_similarity([answer_embedding],[orig_emb])[0][0]fororig_embinoriginal_embeddings]
confidence_score=np.mean(similarities)

returnconfidence_score

不确定性表达:

defadd_uncertainty_expression(answer,confidence_score):
ifconfidence_score>0.8:
returnanswer
elifconfidence_score>0.6:
returnf"Ibelievethat{answer},butI'mnotentirelycertain."
else:
returnf"I'mnotveryconfident,buthere'smybestguess:{answer}"

通过这些策略和技术,聚合服务能够生成一个既准确又可信的最终答案,同时保持答案的可读性和连贯性。

3. 实验结果与分析

为了评估Pistis-RAG框架的效果,作者进行了一系列实验,主要使用了MMLU (Massive Multitask Language Understanding) 数据集。

3.1 实验设置

实验的主要组件和设置如下:

检索模型: BEG-M3
预排序模型: BEG-reranker-larger
生成模型: Llama-2-13B-chat
评估指标: Precision, Recall, F1-score

3.2 消融实验

为了理解各个组件对框架性能的影响,作者进行了消融实验。下面是实验结果的表格:

范式	组件	F1-Score
内容中心	完整的Pistis-RAG	54.65%
内容中心	无排序阶段	52.3%
内容中心	无推理和聚合阶段	52.8%
模型中心	基线 (仅匹配和预排序)	50.0%

我们可以通过下面的图表更直观地看到各个组件的贡献:

3.3 结果分析

完整的Pistis-RAG框架相比基线模型提升了9.3%的F1-Score,这是一个显著的improvement。
排序阶段的引入带来了2.3%的提升,说明考虑LLM的提示顺序敏感性确实能够提高生成质量。
推理和聚合阶段虽然提升幅度不如排序阶段大,但仍然贡献了0.5%的improvement,证明了多路径推理和结果聚合的有效性。
内容中心的范式相比模型中心的范式在各个阶段都表现更好,验证了论文的核心假设。

3.4 案例分析

为了更好地理解Pistis-RAG框架的优势,让我们看一个具体的例子:
问题: 什么是光合作用？
基线模型回答: 光合作用是植物利用阳光能量将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气的过程。
Pistis-RAG回答: 光合作用是一个复杂的生物化学过程,主要发生在植物、藻类和某些细菌中。这个过程可以分为以下几个关键步骤:

光反应: 植物叶绿体中的叶绿素吸收光能,将水分解为氢离子、电子和氧气。这个过程产生了ATP和NADPH,它们是后续反应的能量来源。
暗反应(Calvin循环): 利用光反应产生的ATP和NADPH,将大气中的二氧化碳固定成碳水化合物,主要是葡萄糖。
碳固定: 通过一系列酶促反应,将无机碳(CO2)转化为有机碳化合物。

光合作用的化学方程式可以简化表示为: 6CO2 + 6H2O + 光能 → C6H12O6 + 6O2
这个过程不仅为植物提供了生长所需的能量,还是地球上大多数生命形式赖以生存的基础,因为它产生了氧气并固定了大气中的二氧化碳。
[1] Campbell, N.A. & Reece, J.B. (2002). Biology. Benjamin Cummings. [2] Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Associates.
置信度: 高
分析:

信息的全面性: Pistis-RAG的回答更加全面,不仅解释了什么是光合作用,还详细描述了其过程和意义。
结构化表达: 使用了编号列表,使信息更容易理解和记忆。
专业性: 提供了专业术语(如"暗反应"、"Calvin循环")和化学方程式,体现了更高的专业水平。
可信度: 添加了引用信息和置信度评分,增加了答案的可信度。
上下文理解: 不仅回答了"什么是",还解释了"为什么重要",显示出对问题更深入的理解。

这个例子很好地展示了Pistis-RAG框架如何通过多阶段处理、多路径推理和结果聚合来生成更高质量的回答。

4. 结论与未来展望

4.1 主要贡献

提出了内容中心的视角,强调了内容传递与业务目标和用户偏好的一致性。
设计了多阶段级联检索框架,优化了检索和生成过程。
考虑了LLM对提示顺序的敏感性,提高了生成质量。
引入了多路径推理和专家路由,增强了系统的鲁棒性。

4.2 局限性

计算复杂度: 多阶段处理和多路径推理可能会增加系统的延迟和资源消耗。
领域适应性: 虽然框架在MMLU数据集上表现良好,但在特定领域的适应性还需要进一步验证。
隐私考虑: 检索增强可能涉及敏感信息的处理,需要更多的隐私保护机制。

4.3 未来研究方向

效率优化: 研究如何在保持性能的同时减少计算开销,可能通过模型压缩或分布式计算等技术。
领域迁移: 探索如何快速将Pistis-RAG框架适应到新的领域或任务。
可解释性: 增强系统的可解释性,使用户能够理解答案是如何生成的。
动态知识更新: 研究如何实时更新检索库,以适应快速变化的知识环境。
多模态扩展: 将框架扩展到处理图像、音频等多模态数据。

4.4 实际应用前景

Pistis-RAG框架在多个领域都有潜在的应用价值:

客户服务: 提供更准确、全面的客户支持。
教育: 作为智能导师,提供个性化的学习辅助。
医疗诊断: 辅助医生进行更准确的诊断和治疗方案制定。
法律咨询: 提供初步的法律建议和案例分析。
科研辅助: 帮助研究人员快速检索和综合相关文献。

5. 总结

Pistis-RAG框架代表了检索增强生成技术的一个重要进展。通过引入内容中心的视角、多阶段级联架构、考虑LLM的提示敏感性等创新,该框架在MMLU数据集上取得了显著的性能提升。然而,要将Pistis-RAG真正应用到实际生产环境中,还需要解决计算效率、领域适应性、隐私保护等一系列挑战。未来的研究可能会focus于这些方向,进一步提升框架的实用性和普适性。Pistis-RAG为我们提供了一个很好的起点和思路,相信在未来我们会看到更多基于这一框架的创新和应用。