从零实现一个简单的 RAG 系统

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最近，检索增强生成（Retrieval-Augmented Generation，简称 RAG）在人工智能和大模型领域中崭露头角，成为一种极具潜力的新范式。

RAG 将信息检索与文本生成相结合，通过引入外部知识源来提升大模型的表现。这种方法已在问答系统、对话系统以及内容生成等多种应用中展现出令人期待的成果。

在这篇文章中，作者将带你深入了解 RAG 的工作原理，并使用 Python 和 Ollama 从零构建一个简单的 RAG 系统。通过这个项目，你将掌握 RAG 系统的核心组成部分，并学会如何利用基础的编程概念实现它。可以说实用满满。

什么是RAG

我们先从一个没有使用 RAG的简单聊天机器人说起：

这个聊天机器人可以根据训练数据回答常见问题，但它无法访问最新的信息或特定领域的知识。

举个现实例子：你问 ChatGPT——“我妈妈叫什么名字？”

它当然回答不了，因为它无法访问外部信息，比如你的家庭成员资料。

要解决这个问题，我们需要给模型补充外部知识。比如在这个例子里，我们可以提供一份“家庭成员名单”作为外部知识来源。

RAG 系统的两个核心组成部分：

检索模型（Retrieval Model）：从外部知识源（例如数据库、搜索引擎或知识库）中找出与问题最相关的信息。
生成模型（Language Model）：在检索到的信息基础上，生成最终的自然语言回答。

RAG 的实现方式有多种，比如Graph RAG、Hybrid RAG、Hierarchical RAG等，我们会在文章结尾简单介绍。

构建一个极简的RAG系统

下面我们来搭建一个简单的 RAG 系统，它能从预定义的数据集中检索信息，并基于检索结果生成回答。这个系统包括三个主要部分：

Embedding 模型：一种预训练语言模型，用来把输入文本转换成向量，即能表示语义的数值形式。这些向量可以用来在数据集中查找相似内容。
向量数据库：用来存储知识及其对应的向量。常见的向量数据库包括 Qdrant、Pinecone、pgvector 等，但这里我们将从零实现一个简单的内存版数据库。
聊天机器人：根据检索结果生成回答的语言模型，可以是 Llama、Gemma 或 GPT 等。

索引阶段

构建 RAG 系统的第一步是索引。在这个阶段，我们需要把数据集（或文档）拆分成更小的片段（chunks），并为每个片段计算一个向量表示，方便后续快速检索。

不同应用场景下，片段大小会有所不同：

文档检索系统中，一个片段可以是一段文字或一句话；
对话系统中，一个片段可以是一轮对话。

索引完成后，每个片段和它对应的向量都会被存入向量数据库中。下图展示了索引阶段后，数据库中数据的大致结构示例：

文本片段	向量表示
意大利和法国生产了全球超过40%的葡萄酒	\[0.1, 0.04, -0.34, 0.21, ...\]
印度的泰姬陵完全由大理石建成	\[-0.12, 0.03, 0.9, -0.1, ...\]
全球90%的淡水储备在南极洲	\[-0.02, 0.6, -0.54, 0.03, ...\]
...	...

这些向量表示之后可以用来根据用户的查询检索相关信息。

你可以把它想象成 SQL 语句里的WHERE条件，但不同的是，这里不是精确匹配文本，而是根据向量之间的语义相似度来查找最相关的片段。

为了比较两个向量的相似度，我们可以使用余弦相似度（cosine similarity）、欧几里得距离（Euclidean distance）或其他距离度量方法。

在这个示例中，我们将使用余弦相似度。下面是向量 A 和向量 B 之间的余弦相似度公式：

如果你对上面的公式还不太熟悉，也不用担心——我们会在下一节中亲手实现它。

检索阶段

如下图所示，当用户Input Query时，系统会先将这个查询转换成一个Query Vector，然后将其与向量数据库中的所有向量进行比较，以找到最相关的文本片段（chunks）。

Vector Database返回的结果会包含与查询最相关的前 N 个片段，接下来Chatbot会基于这些片段生成最终的回答。

开始写代码吧

在这个示例中，我们将用 Python 实现一个简单版本的 RAG 系统。

为了运行模型，我们会使用ollama—— 一款命令行工具，可以直接运行来自 Hugging Face 的模型。

使用 ollama，你不需要连接服务器或云服务，就能在自己的电脑上本地运行模型。

我们将使用以下两个模型：

Embedding 模型：hf.co/CompendiumLabs/bge-base-en-v1.5-gguf

语言模型（Language Model）：hf.co/bartowski/Llama-3.2-1B-Instruct-GGUF

至于数据集，我们会用一份关于 cat 的简单事实列表。在索引阶段，每一条事实都会被当作一个独立的文本片段。

下载 ollama 和模型

首先，从官方网站 ollama.com安装ollama。

安装完成后，打开终端，运行以下命令来下载所需的模型：

ollamapullhf.co/CompendiumLabs/bge-base-en-v1.5-ggufollamapullhf.co/bartowski/Llama-3.2-1B-Instruct-GGUF

如果你看到下面这个输出结果，那说明你的安装成功了：

pullingmanifest...verifyingsha256digestwritingmanifestsuccess

在继续之前，为了在 Python 中使用ollama，我们还需要安装ollama的 Python 包：

pipinstallollama

加载数据集

接下来，创建一个 Python 脚本，并将数据集加载到内存中。这个数据集包含了一系列关于 cat 的事实，每条事实将在索引阶段作为一个片段使用。

你可以从这里下载示例数据集。下面是一个加载数据集的示例代码：

dataset=[]withopen('cat-facts.txt','r')asfile:dataset=file.readlines()print(f'Loaded{len(dataset)}entries')

实现向量数据库

现在，我们来实现向量数据库。

我们将使用ollama的 embedding 模型，将每个片段转换为向量表示，然后将片段及其对应的向量存入到一个列表中。

下面是一个计算给定文本向量表示的示例函数：

importollamaEMBEDDING_MODEL='hf.co/CompendiumLabs/bge-base-en-v1.5-gguf'LANGUAGE_MODEL='hf.co/bartowski/Llama-3.2-1B-Instruct-GGUF'#EachelementintheVECTOR_DBwillbeatuple(chunk,embedding)#Theembeddingisalistoffloats,forexample:[0.1,0.04,-0.34,0.21,...]VECTOR_DB=[]defadd_chunk_to_database(chunk):embedding=ollama.embed(model=EMBEDDING_MODEL,input=chunk)['embeddings'][0]VECTOR_DB.append((chunk,embedding))

在这个示例中，为了简单起见，我们将数据集中的每一行都视为一个片段。

fori,chunkinenumerate(dataset):add_chunk_to_database(chunk)print(f'Addedchunk{i+1}/{len(dataset)}tothedatabase')

实现检索函数

接下来，我们来实现检索函数。该函数接收一个查询，并根据余弦相似度返回与查询最相关的前 N 个片段。

可以理解为：两个向量的余弦相似度越高，它们在向量空间中就越接近，也就意味着它们在语义上越相似。

下面是一个计算两个向量余弦相似度的示例函数：

defcosine_similarity(a,b):dot_product=sum([x*yforx,yinzip(a,b)])norm_a=sum([x**2forxina])**0.5norm_b=sum([x**2forxinb])**0.5returndot_product/(norm_a*norm_b)

现在，我们来实现检索函数：

defretrieve(query,top_n=3):query_embedding=ollama.embed(model=EMBEDDING_MODEL,input=query)['embeddings'][0]#temporarylisttostore(chunk,similarity)pairssimilarities=[]forchunk,embeddinginVECTOR_DB:similarity=cosine_similarity(query_embedding,embedding)similarities.append((chunk,similarity))#sortbysimilarityindescendingorder,becausehighersimilaritymeansmorerelevantchunkssimilarities.sort(key=lambdax:x[1],reverse=True)#finally,returnthetopNmostrelevantchunksreturnsimilarities[:top_n]

生成阶段

在这一阶段，聊天机器人将根据上一步检索到的知识生成回答。具体做法是：将相关片段加入到提示语（prompt）中，然后将提示语作为聊天机器人的输入。

例如，可以这样构建一个提示语：

input_query=input('Askmeaquestion:')retrieved_knowledge=retrieve(input_query)print('Retrievedknowledge:')forchunk,similarityinretrieved_knowledge:print(f'-(similarity:{similarity:.2f}){chunk}')instruction_prompt=f'''Youareahelpfulchatbot.Useonlythefollowingpiecesofcontexttoanswerthequestion.Don'tmakeupanynewinformation:{'\n'.join([f'-{chunk}'forchunk,similarityinretrieved_knowledge])}'''

然后，我们使用ollama来生成回答。在这个示例中，我们将把instruction_prompt作为系统消息使用：

stream=ollama.chat(model=LANGUAGE_MODEL,messages=[{'role':'system','content':instruction_prompt},{'role':'user','content':input_query},],stream=True,)#printtheresponsefromthechatbotinreal-timeprint('Chatbotresponse:')forchunkinstream:print(chunk['message']['content'],end='',flush=True)

整合全部步骤

完整代码可以在此文件（https://huggingface.co/ngxson/demo_simple_rag_py/blob/main/demo.py）中找到。

运行代码的方法：将其保存为demo.py文件，然后执行以下命令：

pythondemo.py

现在，你可以向聊天机器人提问，它会根据从数据集中检索到的知识生成回答。

Askmeaquestion:tellmeaboutcatspeedRetrievedchunks:...Chatbotresponse:Accordingtothegivencontext,catscantravelatapproximately31mph(49km)overashortdistance.Thisistheirtopspeed.

改进空间

到目前为止，我们已经用一个小数据集实现了一个简单的 RAG 系统，但它仍然存在不少局限：

无法处理多主题问题：当问题同时涉及多个主题时，系统往往给不出理想答案。这是因为当前的系统只根据“查询与片段的相似度”检索信息，而没有考虑查询的上下文。一个改进思路是——让聊天机器人根据用户输入生成自己的查询语句，再用这个生成的查询去检索知识；或者使用多个查询来获取更全面的信息。

检索结果排序不够精准：当前返回的是余弦相似度最高的前 N 个片段，但这不一定是最优结果，尤其当每个片段信息量很大时。改进方式是使用重排序模型，在初步检索结果的基础上再次根据相关性进行排序。

数据库可扩展性不足：我们现在的数据库是基于内存的，当数据量变大时就难以扩展。可以改用更高效的向量数据库，比如Qdrant、Pinecone、pgvector等。

分片策略过于简单：目前我们是以“句子”为一个片段。对于更复杂的任务，可能需要使用更精细的分块技术来拆分数据集，甚至在入库前对每个片段进行预处理（如去噪、摘要、关键词提取等）。

语言模型规模有限：示例中使用的语言模型只有 10 亿参数（1B），对于更复杂的任务，可能需要使用更大的模型来生成更高质量的回答。

其他类型的 RAG

在实际应用中，RAG 的实现方式多种多样。以下是几种常见类型：

Graph RAG（图结构 RAG）：将知识源表示为图结构，节点代表实体，边表示实体之间的关系。模型可以在图中“漫游”以检索相关信息。目前这一方向的研究非常活跃，可以参考相关的 Graph RAG 论文合集。

Hybrid RAG（混合 RAG）：结合知识图谱（Knowledge Graph, KG）与向量数据库技术，以提升问答系统的表现。

Modular RAG（模块化 RAG）：这种 RAG 超越了传统的“检索—生成”两步流程，引入了路由、调度和融合机制，从而形成一个灵活可重组的框架。它支持多种 RAG 模式（线性、条件、分支、循环等），能更好地应对复杂、知识密集型任务。

总结

RAG 的出现，让大模型能够更好地利用外部知识，显著提升了其准确性和实用性。

通过从零实现一个简单的 RAG 系统，我们理解了embedding（向量表示）、retrieval（检索）和generation（生成）的核心概念。

尽管这个实现还很基础，但它展现了支撑实际生产环境中高级 RAG 系统的底层原理。

未来，RAG 的改进空间仍然广阔：从优化向量数据库的性能，到探索 Graph RAG、Hybrid RAG 等新架构，这一领域仍在快速演进中。RAG 将继续作为连接语言模型和外部知识的关键技术，帮助 AI 在保持生成能力的同时，变得更聪明、更可靠。

RAG 图书推荐

《RAG极简入门：原理与实战》

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作者绘制了超多流程图，帮助你理解复杂的概念。

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