RAG加分神器:embedding与rerank

基于 Retrieval Augmented Generation (RAG) 技术的效果取决于两个关键因素:

1. 文本嵌入及语义提取的性能:
   • 这个环节负责将输入文本转换为有意义的语义表示向量。
   • 嵌入算法的准确性和鲁棒性直接影响后续的搜索和排序效果。
2. 重排序模块的性能:
   • 这个环节负责根据语义相似度对检索到的相关文本进行排序。
   • 排序算法的效果直接决定了包含正确答案的文本是否能够排在前列。

总的来说, RAG 模型的整体性能高低取决于上述两个关键环节的表现。只有当语义提取和重排序两者均达到较高水平,RAG 模型才能发挥出应有的优势,为用户提供准确可靠的信息检索和生成服务。各自使用的环节如下：

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1、文本embedding的提取：理论上讲，任何transformer架构的encoder部分都可用于生成token的embedding，然后采用合适的pooling方式把整个setence中所有token的embedding融合成一个embedding。截止目前，哪个现成的LLM的encoder更适合提取整段句子的embedding了？

　　　要想效果好，以下是必要条件：

• 模型不能太小，否则对训练预料的“”消化、承载“”能力不够，无法精准理解语义；模型也不能太大，否则过于耗费计算资源，同时还需要大量训练预料，否则会欠拟合（模型参数大小和所需token数详见scaling law）！
• 训练预料要足够，涵盖各行业、各领域；也要涵盖各种不同的类型、风格的文本(中英文、说明文、议论文、陈述文、小说、散文、诗歌)等
• 最好能提供微调的接口，利于用户使用自己特定领域的数据

　　截止目前，业界公认效果比较好的就是moka-ai/m3e了！以下是官方的介绍：

• Moka，此模型由 MokaAI 训练，开源和评测，训练脚本使用 uniem ，评测 BenchMark 使用 MTEB-zh
• Massive，此模型通过千万级 (2200w+) 的中文句对数据集进行训练
• Mixed，此模型支持中英双语的同质文本相似度计算，异质文本检索等功能，未来还会支持代码检索

　　最核心的还是训练数据了，如下：

• 中文训练集，M3E 在大规模句对数据集上的训练，包含中文百科，金融，医疗，法律，新闻，学术等多个领域共计 2200W 句对样本，数据集详见 M3E 数据集
• 英文训练集，M3E 使用 MEDI 145W 英文三元组数据集进行训练，数据集详见 MEDI 数据集，此数据集由 instructor team 提供
• 指令数据集，M3E 使用了 300W + 的指令微调数据集，这使得 M3E 对文本编码的时候可以遵从指令，这部分的工作主要被启发于 instructor-embedding （这点很牛逼，同样的sentence，可以根据不同的instruct生成不同的embedding，充分理解语义，比普通的bert模型强多了）

　　基础模型，还是基于bert架构：

• 基础模型，M3E 使用 hfl 实验室的 Roberta 系列模型进行训练，目前提供 small 、base和large 三个版本；只要是embedding，就离不开bert架构！

　　最终的效果就是：ALL IN ONE，不仅支持同质句子相似度判断，还支持异质文本检索，只需要一个模型就可以覆盖全部的应用场景，各个指标对比如下：

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　　看着还是很牛逼的！ M3E的配置文件 1_Pooling/config.json，有pooling的方式和embedding的dimension：这里可以看出M3E默认采用的是每个token取均值的pooling方式！

{
  "word_embedding_dimension": 768,
  "pooling_mode_cls_token": false,
  "pooling_mode_mean_tokens": true,
  "pooling_mode_max_tokens": false,
  "pooling_mode_mean_sqrt_len_tokens": false
}

　　2、rerank： 经过第一步使用cosin余弦相似度从密集向量数据库 + keyword search（稀疏向量召回）初步召回top K相似度的文本，按理来说就可以让LLM根据用户的query + 召回的context生成最终答案了，还要这个rerank干啥了？实际操作时，还是会发现一些问题：包含正确答案的文本在context中的排名可能并不靠前。比如query = “清华大学在哪座城市？” 。正确答案肯定是“北京”啦！但实际召回的context中包含北京的文本不一定排在前面，可能在中间甚至后面，给最后一个LLM输入的context会很大，直接导致LLM需要处理很长的文本，推理效率低不说，还容易出错，核心问题还是在于：初步召回的context还是有进一步压缩提炼的空间！造成这种现象的原因是啥了？

　　利用cosin求两个向量的相似度，本质是看两个向量的距离。比如“北京”、“上海”、“深圳”这些都是中国的一线大城市，这3个词的embedding的cosin会很近，所以使用cosin召回的时候也可能把“上海”、“深圳”这些不是正确答案的sentence召回，所以要用tf-idf这类稀疏向量补充召回部分向量，整个过程称为 hybrid search。经过hybird search后，召回的context变多，给最后一步的LLM生成最终答案带来了麻烦，所以需要进一步从context中继续提炼，优中选优！比如初步召回20条，需要通过rerank选择更接近的3~5条，这个过程就是rerank！整个流程图示如下：

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　确定要做rerank后，怎么做才能达到既定的目的？要想明白这个问题，还要回到最初的动机：cosin计算的是两个向量的距离，只考虑语义相似，不考虑字面符号是否一致；而稀疏检索tf-idf只考虑字面的符号， 不考虑语义，怎么整合这两种retrieve的优势，摒弃其劣势了？这就需要用到传统NLP常见的手段了：classifier！

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　如上图右边所示：两个sentence先进入同一个bert，lm_head用一个二分类来判断这两个sentence是否匹配！右边这种classifier判断是否匹配比左边这种cosin判断是否相似更准确，原因又是啥了？两个sentence首尾拼接进入bert后：

• 先要计算attention计算token之间的相似度，再进入FFN生成非线性特征，更利于lm_head的分类
• 两个sentence的特征能两两组合交互生成新的维度特征，捕捉复杂的细节关系
• cosin相似度的计算是基于整个sentence的embedding，但这种embeeding涉及到pooling，这个过程会有一定的信息丢失，造成精度下降

　 上面两个角度是从特征维度考虑的，从模型维度看，还有以下优点：

• cosin是没有参数可调节的，但classifier可以通过调节参数，让模型的目标函数主动适配特定的任务和数据分布。具体到这里，可以让模型生成的答案主动适配query；可以简单理解为answer对query的1v1 有针对性的VIP服务！

　　当然，既然classifier的准确性提高了，为啥不从一开始就用这种classifier来召回生成context了？还用cosin计算相似度干嘛了？这里就是计算量的问题了！cosin的计算量远比classifier小，并且可以事先离线计算embedding存入向量数据库，所以适合第一步从大量数据中初步召回数十条；classifier精准度高，但计算量大，适合从初步召回的数十条context中进一步精选出几条包含或最接正确答案的context；

　　原理搞清楚了，接下来看代码：

　　getitem方法要对query、pos、neg三个不同的答案按照一定的逻辑配对，后续的loss才知道是0还是1；

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　看看吧：loss用的是常规的cross entropy；classifier也是常规的SequenceClassifierOutput，没啥特别的！

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总结：

1、RAG整个流程有3个地方涉及到LLM：文本embedding、rerank和根据context生成最终的答案 2、moka官方的建议：

• 使用场景主要是中文，少量英文的情况，建议使用 m3e 系列的模型
• 多语言使用场景，并且不介意数据隐私的话，我建议使用 openai text-embedding-ada-002
• 代码检索场景，推荐使用 openai text-embedding-ada-002
• 文本检索场景，请使用具备文本检索能力的模型，只在 Sentence 2 Sentence 上训练的文本嵌入模型，没有办法完成文本检索任务

3、 FlagEmbedding也有 Embedding Model: Visualized-BGE, BGE-M3, LLM Embedder, BGE Embedding，感兴趣的小伙伴也可以尝试一下！

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4、RAG整个流程中关键节点和涉及到的现成包列举如下：不同节点可以根据用户需求和实际情况选择，节点之间的选择可以排列组合！

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参考：

1、https://huggingface.co/moka-ai/m3e-base https://github.com/wangyingdong/m3e-base

2、https://github.com/coffeebean6/retrieval_augmented_generation

3、https://blog.csdn.net/lovechris00/article/details/138378828

4、https://github.com/wangyuxinwhy/uniem/blob/main/examples/finetune.ipynb

5、https://www.bilibili.com/video/BV1h142197Fm/?spm_id_from=333.788.recommend_more_video.0&vd_source=241a5bcb1c13e6828e519dd1f78f35b2 https://techdiylife.github.io/blog/blog.html?category1=c02&blogid=0047 如何选择embedding模型

6、https://huggingface.co/spaces/mteb/leaderboard Massive Text Embedding Benchmark (MTEB) Leaderboard

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7、https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?__biz=Mzg3NDIyMzI0Mw==&action=getalbum&album_id=3377833073308024836 RAG实战

8、https://www.pinecone.io/learn/series/rag/rerankers/ https://www.bilibili.com/video/BV1r1421R77Y/?spm_id_from=333.788.recommend_more_video.2&vd_source=241a5bcb1c13e6828e519dd1f78f35b2 为什么要用rerank

9、https://qanything.ai/docs/architecture embedding和rerank测评 https://github.com/netease-youdao/BCEmbedding/blob/master/Docs/EvaluationSummary/embedding_eval_summary.md https://github.com/netease-youdao/BCEmbedding/blob/master/Docs/EvaluationSummary/reranker_eval_summary.md

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