CRAG——可纠错的 RAG 模式

背景

RAG 是当前 AI 信息检索领域的主流方式。随着大模型上下文窗口(context window)不断增加,RAG 在信息检索领域也面临着长文本(long-context)的挑战。

RAG

一个标准的 RAG 分为 Indexing(索引)和 Retriever-Generation(检索-生成)部分。

Indexing

  1. Loader: 加载知识库
  2. Splitter: 对知识库的文档(Document)进行拆分成文本片段
  3. Store: 将文本片段经过 Embedding 后存入向量数据库(VectorStore)

Retrieve-Generation

  1. Retrieve: 基于用户输入 query,从向量数据库查询匹配片段(splits)
  2. Generation: 将用户 prompt,结合 Retrieve 数据,请求 LLM 返回最终结果

RAG 的缺陷

  1. Retrieve 阶段文档召回的精度至关重要,需要建立一套召回文档的检索评估(retrieve evaluation)系统
  2. 对文本进行切片处理,然后再进行检索,在多轮对话过程中,很容易导致丢失上下文间的相互依赖关系
  3. RAG 只能解决局部信息检索能力,无法处理多个模块间的关联场景

针对 RAG 缺陷,学术和工业界都有不少优化策略,其中来自中科大的论文,Corrective Retrieval Augmented Generation 的针对 Retrieve 阶段召回文档的精度优化提出了新策略。

CRAG

CRAG (Corrective Retrieval Augmented Generation,可纠正 RAG) 系统可针对 Retrieve 召回文档进行评估(evaluation),如果评估结果为 IncorrectAmbiguous, 就判定召回文档没有相关性,此时调用「搜索引擎」检索公开文档,并与评估结果为 Correct 的文档合并为检索上下文,作为 Prompt 一部分发送到 LLM 返回结果。

了解了 CRAG 系统思想,接下来我们用 Langgraph 来设计一套简易的工程架构来实现。

场景

  1. 给定若干文档来源,对文档进行分块,写入向量数据库。
  2. 对用户提问去向量数据库进行检索,并对检索文档进行评估打分,1:有相关性,0:无相关性
  3. 如果评估结果至少一次出现「无相关性」,调用「搜索引擎工具」查询外部公开文档
  4. 将两类文档统一作为 RAG 上下文,作为 Prompt 发送大模型,输出答案

实现方案

1. 定义图数据结构

typescript 复制代码
export type GraphState = {
  /**
   * The LLM to use for the graph
   */
  llm: AzureChatOpenAI;
  /**
   * 用户查询
   */
  query: string;
  /**
   * 结果输出
   */
  result: string | null;
  /**
   * web 查询结果
   */
  needSearch: boolean;
  /**
   * 检索匹配文档
   */
  documents: Document[];
  /**
   * 阶段
   */
  steps: string[];
};

2. 定义节点

typescript 复制代码
// 1. retrieval 检索节点
export async function retriever(
  state: GraphState
): Promise<Partial<GraphState>> {
  const { query } = state;
  const vectorstore = await FaissStore.load(directory, embeddingModel);
  const retriever = vectorstore.asRetriever(8);

  // rag 上下文检索
  const contextRetrieverChain = RunnableSequence.from([
    // 传递参数
    (input) => input.query,
    // 检索返回文档
    retriever,
  ]);

  const result = await contextRetrieverChain.invoke({
    query,
  });

  return {
    documents: result,
    steps: ["retriever"],
  };
}

// 2. 对检索结果进行评估,打分
export async function gradeDocuments(
  state: GraphState
): Promise<Partial<GraphState>> {
  const { llm, query, documents, steps } = state;

  const gradePrompt = ChatPromptTemplate.fromMessages([
    [
      "system",
      `You are a teacher grading a quiz. You will be given: 
1/ a QUESTION 
2/ a set of comma separated FACTS provided by the student

You are grading RELEVANCE RECALL:
A score of 1 means that ANY of the FACTS are relevant to the QUESTION. 
A score of 0 means that NONE of the FACTS are relevant to the QUESTION. 
1 is the highest (best) score. 0 is the lowest score you can give. 

Explain your reasoning in a step-by-step manner. Ensure your reasoning and conclusion are correct. 

Avoid simply stating the correct answer at the outset. \n\n {format_instructions}`,
    ],
    ["user", `FACTS: \n\n {document} \n\n QUESTION: {query}`],
  ]);

  const gradeSchema = z.object({
    score: z
      .string()
      .describe(`Binary score for Documents relevant to question`),
  });
  const parser = StructuredOutputParser.fromZodSchema(gradeSchema);

  const gradeChain = gradePrompt.pipe(llm).pipe(parser);

  // 挑选匹配文档,非匹配文档调用查询工具
  const filterDocuments = [];
  let needSearch = false;

  for (const doc of documents) {
    const result = await gradeChain.invoke({
      query,
      document: doc.pageContent,
      format_instructions: parser.getFormatInstructions(),
    });
    const { score } = result;
    if (score === "1") {
      filterDocuments.push(doc);
    } else {
      needSearch = true;
      continue;
    }
  }

  return {
    steps: steps.concat("gradeDocuments"),
    documents: filterDocuments,
    needSearch,
  };
}

// 3. 调用工具,搜索公开信息
const tavilySearchTool = new TavilySearchResults();

export async function webSearch(
  state: GraphState
): Promise<Partial<GraphState>> {
  const { query, documents, steps } = state;

  const result = await tavilySearchTool.invoke(query);

  let searchResult = [];
  try {
    const searchJSON = JSON.parse(result);
    searchResult = searchJSON.map((d: any) => ({
      pageContent: d.content,
      metadata: { url: d.url },
    }));
  } catch (err) {
    console.error(`parse err: `, err);
    searchResult = [];
  }

  return {
    steps: steps.concat("webSearch"),
    documents: documents.concat(searchResult),
  };
}

const prompt = ChatPromptTemplate.fromMessages([
  [
    "system",
    `
    You are an assistant for question-answering tasks. 
    Use the following documents to answer the question.
    If you don't know the answer, just say that you don't know.
  `,
  ],
  [
    "user",
    `
    Documents: {documents} 
    Question: {query}
    Answer:
    `,
  ],
]);

// 4. 完成 RAG,输出结果
export async function generation(
  state: GraphState
): Promise<Partial<GraphState>> {
  const { llm, query, documents } = state;

  // 构建 Rag 链条
  const ragChain = RunnableSequence.from([
    // 将 context 和 query 传递给 prompt
    prompt,
    // 构建完毕的 prompt 传递给 llm
    llm,
    // 解析生成文本
    new StringOutputParser(),
  ]);

  const result = await ragChain.invoke({
    query,
    documents: documents.map((d) => d.pageContent).join(`\n\n`),
  });

  return {
    result,
    steps: state.steps.concat(["generation"]),
  };
}

3. 定义图,节点,连线

typescript 复制代码
const validateSearch = (state: GraphState): "webSearch" | "generation" => {
  return state.needSearch === true ? "webSearch" : "generation";
};

function createGraph() {
  const graph = new StateGraph<GraphState>({
    channels: graphChannels,
  });

  graph.addNode("retriever", retriever);
  graph.addNode("gradeDocuments", gradeDocuments);
  graph.addNode("webSearch", webSearch);
  graph.addNode("generation", generation);

  graph.addEdge(START, "retriever");
  graph.addEdge("retriever", "gradeDocuments");
  graph.addEdge("webSearch", "generation");
  graph.addConditionalEdges("gradeDocuments", validateSearch);
  graph.addEdge("generation", END);

  const app = graph.compile();
  return app;
}

async function main(query: string) {
  const app = createGraph();

  await app.stream({
    llm,
    query,
  });
}

// 测试一:标准场景
main("What are the types of agent memory?");

// 测试二:异常 case
// main("Who won the 2024 NBA championShip?");

总结

  1. CRAG 针对 retriever 返回不准确,为 RAG 设计了一套纠正(corrective)策略,提升了返回的可靠性
  2. CRAG 设计的核心是 evaluator,需要设计一套更普遍适用、精准可衡量的评价指标
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