Advanced RAG 01：讨论未经优化的 RAG 系统存在的问题与挑战-编程知识

编者按： 自 2023 年以来，RAG 已成为基于 LLM 的人工智能系统中应用最为广泛的架构之一。由于诸多产品的关键功能严重依赖RAG，优化其性能、提高检索效率和准确性迫在眉睫，成为当前 RAG 相关研究的核心问题。

我们今天为大家带来的这篇文章指出，Naive RAG 在编制索引、检索和内容生成这三个核心步骤中都存在诸多问题：a) 编制索引时，信息提取不完整、分块策略简单、索引结构未优化、嵌入模型表示能力较弱；b) 检索时，检索到的信息与用户向系统提出的请求相关性不高、召回率低、对不准确的用户请求无法处理、算法单一、存在上下文信息冗余；c) 内容生成时，上下文整合不佳、过度依赖检索信息、存在生成错误/不当内容的风险。

这篇文章指出了当前 Naive RAG 系统的种种缺陷，为下一步的优化措施和解决方案指明了方向，对提升 RAG 在实际应用中的效率和准确性具有重要意义。

作者 | Florian June

编译 | 岳扬

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检索增强生成（Retrieval Augmented Generation，RAG）是通过整合来自外部知识源的额外信息来改进大语言模型（Large Language Models，LLMs）应用能力的一种技术。这种技术能够帮助 LLMs 产生更精确和更能感知上下文的回复，同时也能减轻幻觉现象。

自 2023 年以来，RAG 已成为基于 LLM 的软件系统中最受欢迎的架构。许多产品的功能都严重依赖 RAG 。因此，优化 RAG 的性能，使检索过程更快、结果更准确，已成为一个关键问题。

这一系列文章将重点介绍 RAG 优化技术，帮助读者提升 RAG 生成结果的整体质量。

01 简单介绍 Naive（未经过优化的）RAG

如图 1 所示，未经优化的 RAG 工作流程如下：

图 1：未经优化的 RAG 经典工作流程。Image by author。

如图 1 所示，RAG 的经典工作流程主要包括以下三个步骤：

编制索引（Indexing） ：索引的编制过程是该流程中最先执行的、较为关键的步骤，这个步骤是在离线状态下执行的。首先，对原始数据进行清理和提取，将 PDF、HTML 和 Word 等各种文件格式转换为标准化的纯文本。为了适应语言模型的上下文限制，这些文本被分成更小、更易于管理的块，这一过程被称为分块（chunking）。随后，使用嵌入模型（embedding models）将这些块转换为向量表征（vector representations）。最后，创建一个索引，以键值对的形式存储这些文本块（text chunks）及其向量嵌入（vector embeddings），从而实现高效且可扩展的搜索能力。
检索（Retrieval） ：user query（译者注：指用户输入到 RAG 系统的问题）被用于从外部知识源（external knowledge sources）中检索相关的上下文。为了实现这一点，user query 需要经过编码模型（encoding model）处理，生成语义相关的嵌入。然后，在向量数据库**上进行相似度搜索（similarity search），以检索出前 k 个最接近的数据对象（data objects）。
内容生成（Generation） ：user query 和检索到的附加上下文填入一个 prompt 模板中。最后，将来自检索步骤的增强 prompt （译者注：包含用户请求内容和检索上下文的prompt）输入到 LLM 中。

02 使用 Naive RAG 存在的问题

图 2：Naive RAG 存在的问题（用红色虚线框标出）。Image by author。

如图 2 所示，Naive RAG 在上述三个步骤中都存在一些问题（用红色虚线框标出），有很大的优化空间。

2.1 编制索引（Indexing）

信息提取过程不完整，因为它不能有效处理 PDF 等非结构化文件中的图像和表格中的有用信息。
分块过程（chunking process）采取的是 “一刀切” 策略，而非根据不同文件类型的特点选择最佳策略。这导致每个文本片段都包含不完整的语义信息。此外，它也没有考虑到文本中已存在的重要细节，如文本中已有的标题。
索引结构未经充分优化，导致检索功能低效。
嵌入模型的语义表示能力较弱。

2.2 检索（Retrieval）

从外部知识源检索到的信息与 user query 的相关性不高，并且所检索到的信息的准确率也较低。
由于召回率（recall rate）低，无法检索到所有相关段落，从而影响了 LLMs 生成全面答案的能力。
用户向系统提出的请求可能不准确，或者嵌入模型的语义表示能力可能较弱，导致无法检索到有价值的信息。
检索算法是受限制的，因为它没有结合不同类型的检索方法或算法，如关键词、语义和向量检索（keyword, semantic, and vector retrieval）的组合。
当检索到的多个上下文包含相似信息时，会出现信息冗余，导致生成的答案中出现重复内容。

2.3 内容生成（Generation）

可能无法将检索到的上下文与当前的生成任务有效整合，从而导致输出结果不一致。
在生成过程中过度依赖 enhanced information（译者注：指的是从外部知识源检索到的、与当前生成任务相关联的额外信息）的风险很高。可能导致生成的内容只是重复输出检索到的内容，而没有提供有价值的信息。
LLM 可能会生成不正确的、不相关的、不当的或有偏见的回复。

需要注意的是，导致这些问题出现的原因可能是多方面的。例如，如果给用户的最终回复包含不相关的内容，这可能不完全是 LLM 的问题。其根本原因可能是从 PDF 中不能精确地提取文档内容，或者嵌入模型无法准确捕捉语义，等等。