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引言

本节将介绍使用$\text{langchain}$基于$\text{RAG}$的文档问答以及具体实现方法。

RAG基本介绍

大模型虽然可以对主题进行推理，但它们的知识仅限于过去时间的公开数据。若想要构建对实时特定信息进行推理的人工智能应用，我们需要：

• 预先准备实时的特定信息；
• 将上述信息插入到模型的提示词当中。

这个过程被称为检索增强生成$(\text{Retrieval-Augmented Generation,RAG})$。

$\text{RAG}$流程表示如下：

主要分为如下几个步骤：

• 用户输入：即当前step用户提出的prompt信息。
• 知识文本切割：大模型的上下文$\text{token}$输入量是有限的，若导入的文本信息过多，需要将这些信息进行分块操作，将信息划分成若干个chunk传递到大模型中；
• 嵌入模型：需要将输入的文本信息转化成语义向量，需要处理成语义向量的部分主要有两个：
  • 知识文本提供的信息所产生的chunk，这部分信息实际上是在用户输入prompt之前，就已经将知识文本切分以及向量化，最终存储在向量数据库中。
  • 当前step用户输出的prompt信息；
• 向量数据库：将各chunk对应的语义向量存储到向量数据库中，通过计算用户输入信息的Embedding与各chunk对应的Embedding进行相似度比对，例如计算向量之间的欧式距离，检索出与用户输入语义相似的chunk，并将其从向量数据库中召回。
• LLM模型：将用户输入以及召回的chunk信息作为LLM model的输入部分；与此同时，可以将存储在Memory Database中的历史对话记录同样作为LLM model的输入，并最终获取当前step大模型的输出结果。

准备工作

基于上述步骤，需要准备一个知识文本。其中langchain_community.document_loaders支持各式各样的格式的数据输入。例如：txt,markdown,pdf,csv等等，这里仅使用txt作为示例。对应内容表示如下：

# 公司制度.txt
员工每年有多少天年假？
员工每年享有15天带薪年假，具体天数根据工龄有所调整病假如何申请？
员工需要提供医生证明，并通过人力资源部门的审批流程申请病假法定节假日有哪些？
公司遵顼国家规定的法定节假日，包括春节、国庆节、中秋节等公司提供哪些保险福利？
公司为员工提供五险一金，包括养老保险、医疗保险、失业保险、工伤保险、生育保险和住房公积金是否有员工健康体检
公司每年为员工安排一次免费的健康体检有哪些员工活动或俱乐部？
公司定期组织团建活动，并有多个兴趣俱乐部，如篮球、书法、摄影等

代码实现过程

streamlit页面布局

这里使用streamlit实现页面的设计和布局，一个简单布局设置表示如下：

import streamlit as stst.set_page_config(page_title="文档问答",layout="wide"
)st.title("文档问答")upload_files = st.sidebar.file_uploader(label="上传txt文件",type=["txt"],accept_multiple_files=True
)if not upload_files:st.info("请上传txt文档..")st.stop()

对应页面效果表示如下：

我们需要点击Browse files上传预先准备好的文本知识txt文档。

在上传完txt文档后，创建一个清空聊天记录按钮、一个简单的开场白，以及一个用户与大模型交互的对话框。点击清空聊天记录按钮，会初始化消息记录：

if "messages" not in st.session_state or st.sidebar.button("清空聊天记录"):st.session_state["messages"] = [{"role": "assistant","content": "您好，我是你的文档助手"}]user_query = st.chat_input(placeholder="请开始提问.."
)

最终效果展示如下，此时并没有进行对话，关于清空聊天记录按钮在后续进行展示。

构建检索器

检索器retriever是整个RAG的核心部分之一，基于上传的txt文档，相关操作展示如下：

• 预设一个临时路径，用于存储文档信息：

import tempfiletemp_dir = tempfile.TemporaryDirectory(dir="D:\\")

• 使用TextLoader对上传文档进行加载，并最终存放到docs列表中：
  一次可以上传若干个文档，并非仅限于一个

import os
from langchain_community.document_loaders import TextLoaderdocs = []
for file in upload_files_input:temp_filepath = os.path.join(temp_dir.name, file.name)with open(temp_filepath, "wb") as f:f.write(file.getvalue())loader = TextLoader(temp_filepath,encoding="utf-8")docs.extend(loader.load())

• 文本分割：需要将文本知识分割成若干个chunk形式：

from langchain_text_splitters import RecursiveCharacterTextSplittertext_splitter = RecursiveCharacterTextSplitter(chunk_size=100,chunk_overlap=10)
split = text_splitter.split_documents(docs)
# print("split_output: ", split)

以上述txt文档为例，可以将对应的split结果打印出来，观察它的格式：

split_output:  [Document(metadata={'source': 'D:\\tmpg25q318z\\公司制度.txt'}, page_content='员工每年有多少天年假？\n员工每年享有15天带薪年假，具体天数根据工龄有所调整\n\n病假如何申请？\n员工需要提供医生证明，并通过人力资源部门的审批流程申请病假'), Document(metadata={'source': 'D:\\tmpg25q318z\\公司制度.txt'}, page_content='法定节假日有哪些？\n公司遵顼国家规定的法定节假日，包括春节、国庆节、中秋节等\n\n公司提供哪些保险福利？\n公司为员工提供五险一金，包括养老保险、医疗保险、失业保险、工伤保险、生育保险和住房公积金'), Document(metadata={'source': 'D:\\tmpg25q318z\\公司制度.txt'}, page_content='是否有员工健康体检\n公司每年为员工安排一次免费的健康体检\n\n有哪些员工活动或俱乐部？\n公司定期组织团建活动，并有多个兴趣俱乐部，如篮球、书法、摄影等')
]

将上述的txt文档使用RecursiveCharacterTextSplitter划分成了$3$个chunk。其中chunk_size表示划分chunk的文本长度；chunk_overlap则表示相邻chunk之间重合部分的长度；source路径中的tmpg25q318z是TemporaryDirectory创建的临时路径；

由于示例txt长度较小，因而使用较短的chunk_size与chunk_overlap，目的是为了能够分出若干个块。若输入的信息体量较大，可以根据实际情况自行调整chunk_size与chunk_overlap。

• 向量生成与向量数据库的构建：由于使用的是Tongyi()作为我们的LLM model，这里选择DashScopeEmbedding库作为文本转化为向量的方式；并使用DashVector作为向量数据库。需要注意的是，在使用DashVector时，需要配置相应的DASHVECTOR_API_KEY和DASHVECTOR_ENDPOINT：

# Embedding加载
from langchain_community.embeddings import DashScopeEmbeddings
# 向量数据库
from langchain_community.vectorstores import DashVectorembeddings = DashScopeEmbeddings(model="text-embedding-v1"
)
vectordb = DashVector.from_documents(split, embeddings
)

• 定义检索器：DashScopeEmbeddings和DashVector创建结束后，将生成的chunk转换成相应的Embedding形式，并存放在向量数据库vectordb中；最后定义一个检索器与vectordb进行对接，用于检索与用户输入语义相近的chunk信息：

retriever_out = vectordb.as_retriever()

至此，我们已经实现：将导入的txt文档切分、向量化、向量存储、向量检索操作。该部分的完整代码如下：

@st.cache_resource(ttl="1h")
def configure_retriever(upload_files_input):docs = []# TemporaryDirectory会自行创建临时路径temp_dir = tempfile.TemporaryDirectory(dir="D:\\")# 文档导入for file in upload_files_input:temp_filepath = os.path.join(temp_dir.name, file.name)with open(temp_filepath, "wb") as f:f.write(file.getvalue())loader = TextLoader(temp_filepath,encoding="utf-8")docs.extend(loader.load())# 文档分割# 参数根据文本长度、文本内容自行调整text_splitter = RecursiveCharacterTextSplitter(chunk_size=100,chunk_overlap=10)split = text_splitter.split_documents(docs)print("split_output: ", split)print("num split_output: ", len(split))# 向量展示embeddings = DashScopeEmbeddings(model="text-embedding-v1")vectordb = DashVector.from_documents(split, embeddings)# 生成检索器retriever_out = vectordb.as_retriever()return retriever_out# 配置检索器retriever
retriever = configure_retriever(upload_files_input=upload_files)

基于检索器构建文档检索工具

引入create_retriever_tool方法对检索器retriever进行封装，并创建一个用于文档检索的工具供agent使用。同样可以创建多个tool以供agent执行检索逻辑时选择，并使用tools列表进行存储：

from langchain.tools.retriever import create_retriever_tooltool = create_retriever_tool(retriever,name="text_retriever",description="基于检索用户提出的问题，并基于检索到的文档内容进行回复"
)tools = [tool]

提示模板

该部分同样是RAG执行的核心模块，我们需要一系列包含格式的提示词来引导agent与大模型进行交互。具体示例如下：

instructions = """
您是一个设计用于查询魂荡来回答问题的代理;
您可以使用检索工具，并基于检索内容来回答问题;
您可以通过不查询文档就知道答案，但您仍然需要通过查询文档来获取答案;
如果您从文档中找不到任何信息用于回答问题，则只需返回“抱歉，这个问题我还不知道”作为答案。
"""# 基础提示模板
base_prompt_template = """
{instructions}TOOLS:
------
You have access to the following tools:
{tools}To use a tool,please use the following format:Thought: Do I need to use a tool? Yes
Action: the action to take,should be one of [{tool_names}]
Action Input: {input}
Observations: the result of the actionWhen you have a response to say to the Human,or if you do not need to use a tool,you MUST use the format:Thought: Do I need to use a tool: No
Final Answer:[your response here]Begin!Previous conversation history:
{chat_history}New input:{input}
{agent_scratchpad}
"""
print("base_prompt_template: ", base_prompt_template)

其中，一些变量名称是被固定下来的，和ReAct相关，在后续博客中进行介绍。需要注意模板中的关键词：

• agent_scratchpad
• tools
• tool_names

不可随意修改，否则会出现相应错误：

ValueError: Prompt missing required variables: {'agent_scratchpad', 'tools', 'tool_names'}

同理，一些格式也是被固定下来的，在设计提示模板过程中，我们需要满足这样的格式：

Thought: Do I need to use a tool? Yes
Action: the action to take,should be one of [{tool_names}]
Action Input: {input}
Observations: the result of the action

未按照格式书写可能出现如下错误：

valueError: An output parsing error occurred. In order to pass this error back to the agent and have it try again, pass `handle_parsing_errors=True` to the AgentExecutor. This is the error: Could not parse LLM output: xxx

由于各种被固定模式的信息，因而在书写提示模板时，最好使用英语书写，否则可能会出现类似错误：
这也可能是因为书写不够熟练，后续继续跟进.

Invalid Format: Missing 'Action:' after 'Thought:'

创建提示词模板：将上述提示词指令使用PromptTemplate进行封装，并赋予agent一个初始的指令模板：

from langchain_core.prompts import PromptTemplate# 创建基础提示词模板
base_prompt = PromptTemplate.from_template(template=base_prompt_template
)# 创建部分填充的提示词模板
prompt = base_prompt.partial(instructions=instructions
)

回顾上述指令模板中的instructions:

instructions = """
您是一个设计用于查询魂荡来回答问题的代理;
您可以使用检索工具，并基于检索内容来回答问题;
您可以通过不查询文档就知道答案，但您仍然需要通过查询文档来获取答案;
如果您从文档中找不到任何信息用于回答问题，则只需返回“抱歉，这个问题我还不知道”作为答案。
"""

实际上，这种包含语义信息的指令相比于代码的确定性而言是抽象的、自由度较高的。该instructions引导agent将base_prompt_template中的缺失信息进行补充。假设user提出一个prompt:

公司制度中病假如何申请?

agent它的思考过程/逻辑执行过程如下：

观察并对比上述信息与base_prompt_template中描述的信息：

• Action中的tool_names被替换成了被定义的工具：text_retriever;
• Action_input中的input被替换成了user提出的prompt
• Final Answer也被替换成了agent最终归纳的结果。

Agent定义、streamlit其它组件、效果展示

关于agent的定义表示如下：

llm = Tongyi(model_name="tongyi-7b-chinese",temperature=0.5,max_tokens=200)agent = create_react_agent(llm,tools,prompt)agent_executor = AgentExecutor(agent=agent,tools=tools,memory=memory,verbose=True,handle_parsing_errors=True)

其中agent是被prompt,retriever_tools,LLM model共同引导的代理者；而agent_executor可看作是将agent封装在内的一个runnable_chain，从而通过该chain执行invoke操作，从而产生相应的response结果。

关于参数handle_parsing_errors，在上面的提示模板中的报错也提到了这个参数。源码中关于它的描述如下：

handle_parsing_errors: Union[bool, str, Callable[[OutputParserException], str]] = (False)"""How to handle errors raised by the agent's output parser.Defaults to `False`, which raises the error.If `true`, the error will be sent back to the LLM as an observation.If a string, the string itself will be sent to the LLM as an observation.If a callable function, the function will be called with the exceptionas an argument, and the result of that function will be passed to the agentas an observation."""

在agent执行过程中若出现了parsing_error，handle_parsing_errors设置为True则意味着：让agent重新思考，并整理出结果。这种设置方案也存在一定风险：就像上面我们的指令模板出现了类似格式上的问题，可能导致：agent会无限循环地思考下去，不会停止，也不会产生Final Answer。

而将handle_parsing_errors设置为string是指：设置一种人性化的错误信息，报错时返回string自身；设置成默认，即false则返回系统错误信息。

最终步骤的执行过程如下：

if user_query:st.session_state.messages.append({"role": "user","content": user_query})st.chat_message("user").write(user_query)with st.chat_message("assistant"):st_cb = StreamlitCallbackHandler(st.container())config = {"callbacks": [st_cb]}response = agent_executor.invoke({"input": user_query}, config=config)st.session_state.messages.append({"role": "assistant","content": response["output"]})st.write(response["output"])

这里需要注意的点是：response部分中的$\text{key}$：input与提示词模板中的Action Input: {input}保持一致。
剩余的其他组件中，存在一个StreamlitCallbackHandler，该模块在源码中的描述表示如下：

Callback Handler that writes to a Streamlit app.
This CallbackHandler is geared towards
use with a LangChain Agent; it displays the Agent's LLM and tool-usage "thoughts"
inside a series of Streamlit expanders.

该模块在与langchain Agent一起使用时，会记录agent使用LLM model和tools时的想法。具体在streamlit页面中的表现结果如下：

提出一个txt文件中不存在的反例。例如：请简单介绍一下林徽因，对应的返回结果如下：

结合instruction提到的要求，大模型能够精准地按照要求返回结果。只是由于AgentExcutor中设置handle_parsing_errors=True，导致其重复了4次后才返回到正确结果。

附：完整代码

import streamlit as st
import tempfile
import osfrom langchain.memory import ConversationBufferMemory
from langchain_community.chat_message_histories import StreamlitChatMessageHistory
from langchain_community.document_loaders import TextLoader# Embedding加载
from langchain_community.embeddings import DashScopeEmbeddings
# 向量数据库
from langchain_community.vectorstores import DashVectorfrom langchain_core.prompts import PromptTemplate
from langchain_text_splitters import RecursiveCharacterTextSplitter
# 加载检索工具
from langchain.tools.retriever import create_retriever_tool
from langchain.agents import create_react_agent, AgentExecutor# agent执行结果 需要 动态传输到 streamlit中
from langchain_community.callbacks.streamlit import StreamlitCallbackHandler
from langchain_community.llms import Tongyist.set_page_config(page_title="文档问答",layout="wide"
)
st.title("文档问答")
upload_files = st.sidebar.file_uploader(label="上传txt文件",type=["txt"],accept_multiple_files=True
)if not upload_files:st.info("请上传txt文档..")st.stop()@st.cache_resource(ttl="1h")
def configure_retriever(upload_files_input):docs = []temp_dir = tempfile.TemporaryDirectory(dir="D:\\")# 文档导入for file in upload_files_input:temp_filepath = os.path.join(temp_dir.name, file.name)with open(temp_filepath, "wb") as f:f.write(file.getvalue())loader = TextLoader(temp_filepath,encoding="utf-8")docs.extend(loader.load())# 文档分割text_splitter = RecursiveCharacterTextSplitter(chunk_size=100,chunk_overlap=10)split = text_splitter.split_documents(docs)print("split_output: ", split)print("num split_output: ", len(split))# 向量展示embeddings = DashScopeEmbeddings(model="text-embedding-v1")vectordb = DashVector.from_documents(split, embeddings)# 生成检索器retriever_out = vectordb.as_retriever()return retriever_out# 配置检索器retriever
retriever = configure_retriever(upload_files_input=upload_files)if "messages" not in st.session_state or st.sidebar.button("清空聊天记录"):st.session_state["messages"] = [{"role": "assistant","content": "您好，我是你的文档助手"}]# 加载历史聊天记录
for msg in st.session_state.messages:st.chat_message(msg["role"],).write(msg["content"])tool = create_retriever_tool(retriever,name="text_retriever",description="基于检索用户提出的问题，并基于检索到的文档内容进行回复"
)tools = [tool]
# 创建历史聊天记录
msgs = StreamlitChatMessageHistory()# 创建对话缓冲区内存
memory = ConversationBufferMemory(chat_memory=msgs,return_messages=True,memory_key="chat_history",output_key="output")instructions = """
您是一个设计用于查询魂荡来回答问题的代理;
您可以使用检索工具，并基于检索内容来回答问题;
您可以通过不查询文档就知道答案，但您仍然需要通过查询文档来获取答案;
如果您从文档中找不到任何信息用于回答问题，则只需返回“抱歉，这个问题我还不知道”作为答案。
"""# 基础提示模板
base_prompt_template = """
{instructions}TOOLS:
------
You have access to the following tools:
{tools}To use a tool,please use the following format:Thought: Do I need to use a tool? Yes
Action: the action to take,should be one of [{tool_names}]
Action Input: {input}
Observations: the result of the actionWhen you have a response to say to the Human,or if you do not need to use a tool,you MUST use the format:
Thought: Do I need to use a tool: No
Final Answer:[your response here]Begin!Previous conversation history:
{chat_history}New input:{input}
{agent_scratchpad}
"""
print("base_prompt_template: ", base_prompt_template)# 创建基础提示词模板
base_prompt = PromptTemplate.from_template(template=base_prompt_template
)# 创建部分填充的提示词模板
prompt = base_prompt.partial(instructions=instructions
)llm = Tongyi(model_name="tongyi-7b-chinese",temperature=0.5,max_tokens=200,
)agent = create_react_agent(llm,tools,prompt
)agent_executor = AgentExecutor(agent=agent,tools=tools,memory=memory,verbose=True,handle_parsing_errors=True
)user_query = st.chat_input(placeholder="请开始提问.."
)if user_query:st.session_state.messages.append({"role": "user","content": user_query})st.chat_message("user").write(user_query)with st.chat_message("assistant"):st_cb = StreamlitCallbackHandler(st.container())print("st_cb: ", st_cb)config = {"callbacks": [st_cb]}response = agent_executor.invoke({"input": user_query}, config=config)st.session_state.messages.append({"role": "assistant","content": response["output"]})st.write(response["output"])