深度解析 RAG（Retrieval-Augmented Generation）技术原理

引言

随着人工智能技术的飞速发展，信息处理和知识利用的效率与精度成为了科研与产业界关注的焦点。在这一背景下，RAG（Retrieval-Augmented Generation检索增强生成）技术应运而生。RAG 结合了检索（Retrieval）与生成（Generation）两大模块，为解决复杂信息处理和知识密集型任务提供了新的思路。本文将深入解析 RAG 的技术原理及关键要点，以帮助读者全面理解这一前沿技术。

RAG 技术的诞生背景

在大数据时代的浪潮中，信息如潮水般涌来，企业和个人面临着如何高效处理、理解和利用这些信息的巨大挑战。传统的人工智能生成模型，如基于规则的专家系统以及简单的统计语言模型，在面对复杂多变、知识更新迅速的现实任务时，逐渐暴露出诸多局限性。一方面，规则系统高度依赖人工设定的规则，缺乏灵活性与适应性，难以应对未预料到的输入情况，且规则的维护与更新成本极高；另一方面，统计语言模型虽然能依据历史数据生成具有一定连贯性的文本，但往往局限于自身训练时所吸收的固定知识范围，对于新出现的事件、概念或特定领域的深层次专业知识，很难做出准确且有价值的回应。在这样的背景下，研究者们迫切需要一种能够结合人类智慧与机器智能优势，既具备广泛知识覆盖又能在特定任务中精准响应的技术方案。RAG 应运而生，它巧妙地将信息检索系统与先进的生成模型相融合，通过这种协同工作模式突破传统技术瓶颈，满足日益增长的信息处理需求。

RAG 的工作原理

检索阶段（Retrieval）

  1. 当接收用户输入的问题或任务请求时，RAG 系统利用检索模型对问题进行分析。检索模型基于向量相似性原理，将问题转化为高维向量表示，同时对预先构建的知识库中的内容也进行向量化处理。例如，在处理自然语言问题时，可以采用预训练的词嵌入模型（如 Word2Vec、GloVe）或上下文感知型预训练语言模型（如 BERT）来生成文本的向量表示。

  2. 系统将问题向量与知识库中所有文档向量进行高效比对，计算它们之间的相似度，找出与问题最相关的若干条文档片段作为候选检索结果。在这个过程中，为提高检索效率，通常会采用倒排索引、近似最近邻搜索等优化的数据结构和检索算法。倒排索引能够快速定位包含特定关键词的文档集合，而近似最近邻搜索在保证一定检索质量的前提下，大幅缩短在高维向量空间中搜索相似向量的时间，这对于处理大规模数据集至关重要。

  3. 检索结果的排序也是关键环节。除了基于向量相似度进行初步排序外，还可以结合额外的语义分析、文档权威性评估、时间戳等因素进一步优化排序结果，确保最相关、最有价值的知识被优先选取。

生成阶段（Generation）

  1. 获取到一组与问题相关的检索结果后，这些结果与原始问题一同输入生成模型。生成模型一般是一个经过精心训练的深度学习模型，目前主流的生成模型架构包括基于 Transformer 的语言模型，如 GPT 系列及其变体。

  2. 生成模型充分利用检索到的知识，将其与问题的语义信息进行深度融合，通过内部的多层神经网络结构对文本进行建模与生成。在这个过程中，模型会根据输入序列的上下文关系、词汇的语义关联以及语法结构等多方面因素，逐步构建出连贯、准确且符合用户意图的回答或输出内容。例如，当用户询问某个历史事件的详细经过时，生成模型会依据检索到的历史文献片段，按照时间顺序、事件发展脉络等逻辑关系，组织出一段完整且清晰的叙述文本。

  3. 生成模型还可以通过调节超参数（如温度参数控制输出的概率分布平滑度）、采用不同的解码策略（如贪心解码、束搜索解码等）来优化生成结果的质量。

RAG 的关键技术组件

检索模型

  1. 向量化技术：向量化是检索模型的核心基础。目前，基于预训练语言模型的语义向量化技术正日益受到重视。这些预训练模型通过在大规模文本语料上进行无监督训练，学习到了丰富的语言知识和语义信息，能够生成更具区分度和语义一致性的文本向量。例如，BERT 模型通过 Transformer 架构的多层编码器结构，对文本的各个层次语义特征进行提取和编码，使得生成的向量能够更好地捕捉文本的上下文语义，从而在相似性计算上更为精准。

  2. 索引与存储结构：为了高效存储和查询大规模文档向量，需要设计合理的索引和存储结构。倒排索引仍然是信息检索领域中最广泛使用的索引结构之一，它通过建立关键词到文档的映射关系，能够快速定位包含特定关键词的文档集合，为后续的向量相似性计算缩小了搜索范围。此外，针对高维向量数据的特性，一些专门的向量数据库（如 Faiss、Milvus 等）应运而生。这些数据库采用了多种优化的存储策略和检索算法，如分区存储、量化压缩、多级索引等技术，能够在保证检索效率的同时，支持海量向量数据的高效管理和检索。

生成模型

  1. 预训练与微调策略：生成模型通常基于预训练语言模型构建，并针对特定任务和领域数据进行微调。预训练阶段，模型在大规模通用文本语料上学习语言的通用模式和规律，包括词汇语法知识、常识性知识等；微调阶段，则是在预训练模型的基础上，利用任务相关的数据（如特定领域的问答对、文本生成样例等）对模型进行进一步训练，使其能够适应特定任务的语义要求和生成目标。

  2. 注意力机制与记忆增强：注意力机制是 Transformer 架构中的关键组件，它使得生成模型能够在处理长序列文本时，动态地聚焦于与当前生成位置最相关的上下文信息，从而有效解决长距离依赖问题，提高生成文本的连贯性和准确性。此外，为了增强模型的记忆能力，一些研究工作引入了记忆增强机制，如外部记忆存储模块，允许模型在生成过程中临时存储和检索关键信息，进一步提升其对复杂任务的处理能力。

检索与生成的融合机制

  1. 信息传递与交互设计：如何将检索到的知识有效地传递给生成模型，并在生成过程中实现两者的信息交互，是 RAG 技术的核心挑战之一。一种常见的方法是将检索到的文档片段拼接在问题文本之后，作为生成模型的输入序列的一部分。另一种方法是通过设计专门的融合层或适配器模块，对检索结果和问题进行特征融合和转换，使其能够以更合理的表征形式输入到生成模型中。例如，可以利用注意力池化技术对检索结果进行特征聚合，生成一个固定长度的向量表示，然后将其与问题向量进行拼接或逐元素相加操作，作为生成模型的初始输入隐藏状态，从而实现信息的有效融合。

  2. 联合训练与优化方法：为了使检索模型和生成模型在 RAG 系统中能够协同工作、相互促进，联合训练方法被广泛应用。在联合训练框架下，检索模型和生成模型被视为一个整体，共享部分参数或通过特定的损失函数进行联合优化。例如，可以设计一个综合的损失函数，同时包含检索结果的相关性损失和生成结果的准确性损失，通过反向传播算法对整个系统进行端到端的训练。

Spring AI 实现 RAG 示例

创建 Spring Boot 工程

首先创建一个 Spring Boot 工程，并添加 Spring AI 相关的依赖，如spring-ai-core等。

添加配置文件

在application.yml文件中，添加向量数据库、模型等相关的配置：

spring:
  ai:
    model:
      name: ${MODEL_NAME}
      key: ${MODEL_KEY}
    vector-store:
      type: milvus
      milvus:
        address: ${MILVUS_ADDRESS}
        port: ${MILVUS_PORT}
        collection-name: ${COLLECTION_NAME}
        user: ${MILVUS_USER}
        password: ${MILVUS_PASSWORD}

创建文档嵌入和 RAG 逻辑处理类

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.ai.document.Document;
import org.springframework.ai.document.DocumentReader;
import org.springframework.ai.reader.pdf.PagePdfDocumentReader;
import org.springframework.ai.transformer.splitter.TokenTextSplitter;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Qualifier;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.core.io.Resource;
import org.springframework.http.MediaType;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestParam;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import reactor.core.publisher.Flux;

import java.io.IOException;
import java.util.List;

@RestController
@RequestMapping("/rag")
public class RAGController {

    private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(RAGController.class);

    @Value("classpath:/prompts/system-qa.st")
    private Resource systemResource;

    @Value("classpath:/data/spring_ai_alibaba_quickstart.pdf")
    private Resource springAiResource;

    @Autowired
    @Qualifier("vectorStore")
    private VectorStore vectorStore;

    @Autowired
    private ChatModel chatModel;

    @Autowired
    private RerankModel rerankModel;

    /**
     * 处理PDF文档的解析、分割和嵌入存储。
     * 使用 PagePdfDocumentReader 解析PDF文档并生成 Document 列表。
     * 使用 TokenTextSplitter 将文档分割成更小的部分。
     * 将分割后的文档添加到向量存储中，以便后续检索和生成。
     */
    @GetMapping("/insertDocuments")
    public void insertDocuments() throws IOException {
        // 1. parse document
        DocumentReader reader = new PagePdfDocumentReader(springAiResource);
        List<Document> documents = reader.get();
        log.info("{} documents loaded", documents.size());

        // 2. split trunks
        List<Document> splitDocuments = new TokenTextSplitter().apply(documents);
        log.info("{} documents split", splitDocuments.size());

        // 3. create embedding and store to vector store
        log.info("create embedding and save to vector store");
        vectorStore.add(splitDocuments);
    }

    /**
     * 根据用户输入的消息生成JSON格式的聊天响应。
     * 创建一个 SearchRequest 对象，设置返回最相关的前2个结果。
     * 从 systemResource 中读取提示模板。
     * 使用 ChatClient 构建聊天客户端，调用 RetrievalRerankAdvisor 进行检索和重排序，并生成最终的聊天响应内容。
     */
    @GetMapping(value = "/ragJsonText", produces = MediaType.APPLICATION_STREAM_JSON_VALUE)
    public String ragJsonText(@RequestParam(value = "message", defaultValue = "如何使用spring ai alibaba?") String message) throws IOException {
        SearchRequest searchRequest = SearchRequest.builder().topK(2).build();
        String promptTemplate = systemResource.getContentAsString(StandardCharsets.UTF_8);

        return ChatClient.builder(chatModel)
                .defaultAdvisors(new RetrievalRerankAdvisor(vectorStore, rerankModel, searchRequest, promptTemplate, 0.1))
                .build()
                .prompt()
                .user(message)
                .call()
                .content();
    }

    /**
     * 根据用户输入的消息生成流式聊天响应。
     * 类似于 ragJsonText 方法，但使用 stream() 方法以流的形式返回聊天响应。
     * 返回类型为 Flux<ChatResponse>，适合需要实时更新的场景。
     */
    @GetMapping(value = "/ragStream", produces = MediaType.TEXT_EVENT_STREAM_VALUE)
    public Flux<ChatResponse> ragStream(@RequestParam(value = "message", defaultValue = "如何使用spring ai alibaba?") String message) throws IOException {
        SearchRequest searchRequest = SearchRequest.builder().topK(2).build();
        String promptTemplate = systemResource.getContentAsString(StandardCharsets.UTF_8);

        return ChatClient.builder(chatModel)
                .defaultAdvisors(new RetrievalRerankAdvisor(vectorStore, rerankModel, searchRequest, promptTemplate, 0.1))
                .build()
                .prompt()
                .user(message)
                .stream()
                .chatResponse();
    }
}


RAG 执行过程源代码解读

在 Spring AI 中，RetrievalRerankAdvisor类的before和doRerank方法是 RAG 执行过程的关键。

protected List<Document> doRerank(AdvisedRequest request, List<Document> documents) {
    if (CollectionUtils.isEmpty(documents)) {
        return documents;
    }
    var rerankRequest = new RerankRequest(request.userText(), documents);
    RerankResponse response = rerankModel.call(rerankRequest);
    logger.debug("reranked documents: {}", response);
    if (response == null || response.getResults() == null) {
        return documents;
    }
    return response.getResults()
            .stream()
            .filter(doc -> doc != null && doc.getScore() >= minScore)
            .sorted(Comparator.comparingDouble(DocumentWithScore::getScore).reversed())
            .map(DocumentWithScore::getOutput)
            .collect(toList());
}

private AdvisedRequest before(AdvisedRequest request) {
    var context = new HashMap<>(request.adviseContext());
    String advisedUserText = request.userText() + System.lineSeparator() + this.userTextAdvise;
    var searchRequestToUse = SearchRequest.from(this.searchRequest)
            .query(request.userText())
            .filterExpression(doGetFilterExpression(context))
            .build();
    logger.debug("searchRequestToUse: {}", searchRequestToUse);
    List<Document> documents = this.vectorStore.similaritySearch(searchRequestToUse);
    logger.debug("retrieved documents: {}", documents);
    documents = doRerank(request, documents);
    context.put(RETRIEVED_DOCUMENTS, documents);
    String documentContext = documents.stream()
            .map(Document::getText)
            .collect(Collectors.joining(System.lineSeparator()));
    Map<String, Object> advisedUserParams = new HashMap<>(request.userParams());
    advisedUserParams.put("question_answer_context", documentContext);
    return AdvisedRequest.from(request)
            .userText(advisedUserText)
            .userParams(advisedUserParams)
            .adviseContext(context)
            .build();
}

使用示例

在本地知识库检索的 RAG 示例中，将 PDF 文档解析、分割和嵌入存储后，即可调用上述控制器中的接口进行 RAG 查询。例如访问http://localhost:8080/rag/ragJsonText?message=如何使用spring ai alibaba，就可以得到基于文档内容的检索增强生成的回答。通过这些代码和配置，可以实现文档的嵌入存储以及基于检索增强生成的聊天响应功能，适用于构建智能问答系统或知识管理系统等应用场景。

RAG 的优势与挑战

优势

  1. 知识覆盖广泛且动态更新：借助强大的检索能力，RAG 能够从海量的知识库中获取最新的、多样化的信息，打破了传统生成模型所依赖的固定训练数据集的知识局限性。这意味着 RAG 系统可以实时或近实时地融入新出现的知识、事件和研究成果，保持对知识更新的敏感性，为用户提供更加个性化的、与时俱进的信息服务。

  2. 生成结果准确性与可靠性提升：由于生成过程紧密结合了检索到的可靠知识，生成模型在回答问题或创作内容时更有依据，能够有效减少胡编乱造、不符合事实或逻辑错误的情况。与仅依靠模型自身内部参数生成内容的方式相比，RAG 生成的结果往往更具可信度和权威性。

挑战

  1. 数据质量与相关性评估难题：检索到的知识质量参差不齐，如何准确评估其与问题的相关性和可靠性是一个关键挑战。在实际应用中，知识库中的文档可能存在噪声、错误信息、过时内容等问题，检索模型如果不具备强大的甄别能力，可能会将这些低质量的知识片段传递给生成模型，从而导致生成结果出现偏差或错误。

  2. 计算资源与效率问题：RAG 系统通常需要处理大规模的数据集，包括知识库的构建与存储、检索模型的高效查询以及生成模型的复杂计算等环节，这对计算资源提出了很高的要求。尤其是在面对实时性要求较高的应用场景时，如何在保证生成质量的前提下，优化系统的计算效率，降低延迟，成为亟待解决的技术难题。

综上所述，RAG 技术通过巧妙地结合检索与生成两大模块，在知识覆盖范围、生成结果准确性等方面展现出了显著优势，但也面临着数据质量评估、计算资源优化等挑战。尽管如此，随着技术的不断进步和创新，RAG 有望在众多领域发挥越来越重要的作用，为信息处理和知识利用带来新的突破。