RAG中的rerank技术

[检索增强生成]（RAG）是解决大语言模型（LLM）实际使用中的一套完整的技术，它可以有效解决LLM的三个主要问题：[数据时效性]、幻觉和数据安全问题（在我之前的文章《大模型主流应用RAG的介绍——从架构到技术细节》中有详细介绍）。但是随着RAG越来越火热，使用者越来越多，我们也会发现用的好的人/团队其实还是不多的。这也是RAG常被人吐槽的一点：入门简单，用好却非常难！

对于RAG的效果，我们之前已经做了很多方面的优化了，包括：

优化内容提取的方法：从源头解决内容提取的有效性，包括文本内容、表格内容（保留制表符）和图片内容（OCR识别）等；
优化[chunking]：从最开始的512固定长度切分，到后面的句切分，再到后面的NLTK和[SpaCy]；
再之后是优化[embedding模型]：Embedding模型的选择其实很魔性，我们在优化过程中也会不断否定之前的一些判断。比如我们最开始用m3e，后面用bge，再后面还用了通义千问的embedding模型。总体来说，收费的通义千问还是好一些，但是不明显，有些方面却不如bge。最近一朋友也向我推荐了Jina embedding模型，不过他们的中文模型需要12月份才出来；
我们还优化了其他一些过程：比如[prompt模板]、关键词摘要、元数据存储等。

这些优化确实给我们带来了非常好的效果，但不够！我们在一些客户的实践过程中，还是发现相关性效果不佳，甚至造成了其中一个客户选择了其他方案（使用RAG+GPT-4的方案）。

我们还是坚持用国产大模型（如Baichuan2-13B、ChatGLM3-6B和QWen-14B等），毕竟主要服务的还是国内客户，加上现在接触的多数客户其实都有私有化部署的需求。所以我们进行了一段时间的探索，发现我们还有一项很有效的优化没有去做——[ReRank]。

所以，虽然Rerank优化我们还在做，但是今天我们可以先聊聊ReRank这个话题。

为什么需要Rerank

我们发现，在10月中旬之前，国内外的互联网上很难发现Rerank相关的话题。有少量人提到了，但是基本上都没有提到解决方案。我和小明在讨论Rerank的时候其实是先从提问题开始的。

[Elasticsearch]中的[相似度检索算法]

前面说了，我们自己的RAG产品之前是存在一些相关性问题的，其他方面能优化的我们觉得也基本上优化的差不多了，除了我们采用的国产大模型在通用能力上和ChatGPT-3.5/4是存在差距的。我们发现的最大的问题就是使用[elasticsearch]的retrieval召回的内容相关度有问题，多数情况下score最高的chunk相关度没问题，但是top2-5的相关度就很随机了，这是最影响最终结果的。

图1：elasticsearch8.4的knn使用方式

我们看了elasticsearch的[相似度算法]，es用的是[KNN]算法（开始我们以为是暴力搜索），但仔细看了一下，在es8的相似度检索中，用的其实是基于HNSW（分层的最小世界导航算法），HNSW是有能力在几毫秒内从数百万个数据点中找到最近邻的。

图2：elasticsearch实际使用的是HNSW算法

HNSW带来的随机性问题

我们想象这么一个场景：你昨天刚在其他地方看到过一本新书，你想在图书馆找到类似的书。K-最近邻（KNN）算法的逻辑是浏览书架上的每一本书，并将它们从最相似到最不相似的顺序排列，以确定最相似的书（最有可能是你昨天看过的那本）。这也就是我们常说的暴力搜索，你有耐心做这么麻烦的工作吗？相反，如果我们对图书馆中的图书进行预排序和索引，要找到与你昨天看过的新书相似的书，你所需要做的就是去正确的楼层，正确的区域，正确的通道找到相似的书。

此外，你通常不需要对前10本相似的书进行精确排名，比如100%、99%或95%的匹配度，而是通通先拿回来。这就是近似近邻（ANN）的思想。你应该注意到了，这里已经出现了一些随机性——不做匹配分数的排名。但是这些准确度上的损失是为了让检索效率更快，为了显著降低计算成本，它牺牲了找到[绝对最近邻]的保证，这算是在计算效率和准确性之间取得平衡。

[ANN算法]目前主要有三种：

基于图的算法创建数据的图表示，最主要的就是分层可导航小世界图算法(HNSW)。
基于哈希的算法：流行的算法包括:位置敏感哈希（LSH）、[多索引哈希（MIH）]；
基于树的算法：流行的是kd树、[球树]和随机投影树（RP树）。对于低维空间（≤10），基于树的算法是非常有效的。

HNSW借鉴了跳表（Skip List）的思路。[跳表]是一种数据结构，用于维护一组已排序的元素，并允许进行高效的搜索、插入和删除操作。它是由[William Pugh]在1989年发明的。图(3)显示了数字[3、6、7、9、12、17、19、21、25、26]的[排序链表]。假设我们想找到目标19。当值小于目标时，我们向右移动，如果是传统的方式，需要6步才能找到它。

图3：链表中查找数据

但是我们在每个节点增加向后的[指向指针]，比如列表中每三个其他节点都有一个指向后面三个节点的指针，如图(4)所示，那么只需要3步就可以到达19

图4：跳表每三个节点就设置一个多指向指针节点，可以让搜索速度明显加快，如果我们再增加这个指针节点数量呢？

这就是[small world]的底层思路，说回到小世界（small world）网络，它是一种特殊的网络，在这种网络中，你可以快速地联系到网络中的其他人或点。这有点像“[凯文·培根]的六度”(Six Degrees of Kevin Bacon)游戏，在这个游戏中，你可以通过一系列其他演员，在不到六个步骤的时间里，将任何演员与凯文·培根联系起来。想象一下，你有一群朋友排成一个圆圈，如图5所示。每个朋友都与坐在他们旁边的人直接相连。我们称它为“原始圆”。

现在，这就是奇迹发生的地方。你可以随机选择将其中一些连接改变给圆圈中的其他人，就像图5中的红色连接线一样。这就像这些连接的“抢椅子”游戏。有人跳到另一把椅子上的几率用概率p表示。如果p很小，移动的人就不多，网络看起来就很像原来的圆圈。但如果p很大，很多人就会跳来跳去，网络就会变得有点混乱。当您选择正确的p值时，红色连接是最优的。网络变成了一个[小世界网络]。你可以很快地从一个朋友转到另一个朋友(这就是“小世界”的特点)。

图5：small world网络结构

现在我们要扩展到高维空间，图中的每个节点都是一个高维向量。在高维空间中，搜索速度会变慢。这是不可避免的“维度的诅咒”。HNSW是一种[高级数据结构]，用于优化高维空间中的相似性搜索。让我们看看HNSW如何构建图的[层次结构]。HNSW从图(6)中的第0层这样的基础图开始。它通常使用[随机初始化数据点]来构建。

图6：HNSW的结构示例

这里大家要注意再次出现了”随机“，所以，为了检索的快速，HNSW算法会存在一些随机性，反映在实际召回结果中，最大的影响就是返回结果中top_K并不是我们最想要的，至少这K个文件的排名并不是我们认为的从高分到低分排序的。

Rerank可以在小范围内逐一计算分值

因为在搜索的时候存在随机性，这应该就是我们在RAG中第一次召回的结果往往不太满意的原因。但是这也没办法，如果你的索引有数百万甚至千万的级别，那你只能牺牲一些精确度，换回时间。这时候我们可以做的就是增加top_k的大小，比如从原来的10个，增加到30个。然后再使用更精确的算法来做rerank，使用一一计算打分的方式，做好排序。比如30次的[遍历相似度]计算的时间，我们还是可以接受的。

关于HNSW的内容，大家可以查看像光速一样搜索——HNSW算法介绍。

主要的Reank方式评测

评测方法

为了衡量我们的检索系统的有效性，我们主要依赖于两个被广泛接受的指标:命中率和平均倒数排名(MRR)。让我们深入研究这些指标，了解它们的重要性以及它们是如何运作的。我们来解释一下这两个指标：

命中率:Hit rate计算在前k个检索文档中找到正确答案的查询比例。简单来说，它是关于我们的系统在前几次猜测中正确的频率。
平均倒数排名(MRR):对于每个查询，MRR通过查看排名最高的相关文档的排名来评估系统的准确性。具体来说，它是所有查询中这些秩的倒数的平均值。因此，如果第一个相关文档是顶部结果，则倒数排名为1;如果是第二个，倒数是1/2，以此类推。

评测结果

具体的评测过程大家可以看提升RAG——选择最佳Embedding和重新排名模型，也是llamaindex最近刚刚发布的一篇著名rerank评测文章，我这里就不具体展开了，直接用他们的结果。评测采用的是embedding模型 + [rerank模型]的方式进行的。

以下是使用的模型:

Embedding模型:

[Rerank模型]:

值得一提的是，这些结果为这个特定数据集和任务的性能提供了坚实的见解。但是，实际结果可能会根据数据特征、数据集大小和其他变量(如[chunk_size]、similarity_top_k等)而有所不同。

下表展示了基于命中率和MRR指标的评估结果:

图7：测试结果

我对[LlamaIndex]的评测结果做一个简单总结：

目前rerank模型里面，最好的应该是cohere，不过它是收费的。开源的是智源发布的bge-reranker-base和bge-reranker-large。bge-reranker-large的能力基本上接近cohere，而且在一些方面还更好；
几乎所有的Embeddings都在重排之后显示出更高的命中率和MRR，所以rerank的效果是非常显著的；
embedding模型和rerank模型的组合也会有影响，可能需要开发者在实际过程中去调测最佳组合。