Kontextuelle Abfrage mit Milvus

image Contextual Retrieval ist eine fortschrittliche Retrieval-Methode, die von Anthropic vorgeschlagen wurde, um das Problem der semantischen Isolierung von Chunks zu lösen, das bei aktuellen Retrieval-Augmented Generation (RAG) Lösungen auftritt. Im derzeitigen praktischen RAG-Paradigma werden Dokumente in mehrere Chunks unterteilt, und eine Vektordatenbank wird für die Suche nach der Anfrage verwendet, wobei die relevantesten Chunks abgerufen werden. Ein LLM antwortet dann auf die Anfrage unter Verwendung dieser abgerufenen Chunks. Dieses Chunking-Verfahren kann jedoch zum Verlust von Kontextinformationen führen, so dass es für den Retriever schwierig ist, die Relevanz zu bestimmen.

Contextual Retrieval verbessert herkömmliche Retrievalsysteme, indem es jedem Dokumentchunk vor der Einbettung oder Indizierung relevanten Kontext hinzufügt, was die Genauigkeit erhöht und Retrievalfehler reduziert. In Kombination mit Techniken wie Hybrid Retrieval und Reranking verbessert es Retrieval-Augmented Generation (RAG) Systeme, insbesondere für große Wissensdatenbanken. Darüber hinaus bietet es eine kosteneffiziente Lösung, wenn es mit promptem Caching gepaart wird, wodurch die Latenzzeit und die Betriebskosten erheblich reduziert werden, wobei kontextualisierte Chunks etwa 1,02 US-Dollar pro Million Dokument-Token kosten. Dies macht es zu einem skalierbaren und effizienten Ansatz für die Handhabung großer Wissensdatenbanken. Die Lösung von Anthropic weist zwei aufschlussreiche Aspekte auf:

• Document Enhancement: Das Umschreiben von Abfragen ist eine wichtige Technik im modernen Information Retrieval, bei der häufig Zusatzinformationen verwendet werden, um die Abfrage informativer zu gestalten. In ähnlicher Weise kann die Vorverarbeitung von Dokumenten mit einem LLM (z. B. Bereinigung der Datenquelle, Ergänzung verlorener Informationen, Zusammenfassung usw.) vor der Indizierung die Chancen, relevante Dokumente zu finden, erheblich verbessern, um eine bessere Leistung bei RAG zu erzielen. Mit anderen Worten, dieser Vorverarbeitungsschritt trägt dazu bei, die Dokumente hinsichtlich ihrer Relevanz näher an die Suchanfragen heranzuführen.
• Low-Cost Processing by Caching Long Context: Ein häufiges Problem bei der Verwendung von LLMs zur Verarbeitung von Dokumenten sind die Kosten. Der KVCache ist eine beliebte Lösung, die die Wiederverwendung von Zwischenergebnissen für denselben vorangegangenen Kontext ermöglicht. Während die meisten Anbieter von gehosteten LLMs diese Funktion für den Benutzer transparent machen, gibt Anthropic dem Benutzer die Kontrolle über den Caching-Prozess. Wenn ein Cache-Treffer auftritt, können die meisten Berechnungen gespeichert werden (dies ist üblich, wenn der lange Kontext derselbe bleibt, aber die Anweisung für jede Abfrage sich ändert). Für weitere Details klicken Sie hier.

In diesem Notizbuch demonstrieren wir, wie kontextuelles Retrieval unter Verwendung von Milvus mit einem LLM durchgeführt werden kann, wobei dicht-sparse Hybridretrieval und ein Reranker kombiniert werden, um ein zunehmend leistungsfähigeres Retrievalsystem zu schaffen. Die Daten und der Versuchsaufbau basieren auf dem kontextuellen Retrieval.

Vorbereitung

Abhängigkeiten installieren

$ pip install "pymilvus[model]"
$ pip install tqdm
$ pip install anthropic

Sie benötigen API-Schlüssel von Cohere, Voyage und Anthropic, um den Code auszuführen.

Daten herunterladen

Mit dem folgenden Befehl können Sie die Beispieldaten herunterladen, die in der ursprünglichen Anthropic-Demo verwendet wurden.

$ wget https://raw.githubusercontent.com/anthropics/anthropic-cookbook/refs/heads/main/skills/contextual-embeddings/data/codebase_chunks.json
$ wget https://raw.githubusercontent.com/anthropics/anthropic-cookbook/refs/heads/main/skills/contextual-embeddings/data/evaluation_set.jsonl

Retriever definieren

Diese Klasse ist so konzipiert, dass sie flexibel ist und es Ihnen ermöglicht, zwischen verschiedenen Abrufmodi zu wählen, je nach Ihren Bedürfnissen. Durch die Angabe von Optionen in der Initialisierungsmethode können Sie bestimmen, ob Sie kontextbezogene Suche, hybride Suche (Kombination von Dense- und Sparse-Retrieval-Methoden) oder einen Reranker für verbesserte Ergebnisse verwenden möchten.

from pymilvus.model.dense import VoyageEmbeddingFunction
from pymilvus.model.hybrid import BGEM3EmbeddingFunction
from pymilvus.model.reranker import CohereRerankFunction

from typing import List, Dict, Any
from typing import Callable
from pymilvus import (
    MilvusClient,
    DataType,
    AnnSearchRequest,
    RRFRanker,
)
from tqdm import tqdm
import json
import anthropic


class MilvusContextualRetriever:
    def __init__(
        self,
        uri="milvus.db",
        collection_name="contexual_bgem3",
        dense_embedding_function=None,
        use_sparse=False,
        sparse_embedding_function=None,
        use_contextualize_embedding=False,
        anthropic_client=None,
        use_reranker=False,
        rerank_function=None,
    ):
        self.collection_name = collection_name

        # For Milvus-lite, uri is a local path like "./milvus.db"
        # For Milvus standalone service, uri is like "http://localhost:19530"
        # For Zilliz Clond, please set `uri` and `token`, which correspond to the [Public Endpoint and API key](https://docs.zilliz.com/docs/on-zilliz-cloud-console#cluster-details) in Zilliz Cloud.
        self.client = MilvusClient(uri)

        self.embedding_function = dense_embedding_function

        self.use_sparse = use_sparse
        self.sparse_embedding_function = None

        self.use_contextualize_embedding = use_contextualize_embedding
        self.anthropic_client = anthropic_client

        self.use_reranker = use_reranker
        self.rerank_function = rerank_function

        if use_sparse is True and sparse_embedding_function:
            self.sparse_embedding_function = sparse_embedding_function
        elif sparse_embedding_function is False:
            raise ValueError(
                "Sparse embedding function cannot be None if use_sparse is False"
            )
        else:
            pass

    def build_collection(self):
        schema = self.client.create_schema(
            auto_id=True,
            enable_dynamic_field=True,
        )
        schema.add_field(field_name="pk", datatype=DataType.INT64, is_primary=True)
        schema.add_field(
            field_name="dense_vector",
            datatype=DataType.FLOAT_VECTOR,
            dim=self.embedding_function.dim,
        )
        if self.use_sparse is True:
            schema.add_field(
                field_name="sparse_vector", datatype=DataType.SPARSE_FLOAT_VECTOR
            )

        index_params = self.client.prepare_index_params()
        index_params.add_index(
            field_name="dense_vector", index_type="FLAT", metric_type="IP"
        )
        if self.use_sparse is True:
            index_params.add_index(
                field_name="sparse_vector",
                index_type="SPARSE_INVERTED_INDEX",
                metric_type="IP",
            )

        self.client.create_collection(
            collection_name=self.collection_name,
            schema=schema,
            index_params=index_params,
            enable_dynamic_field=True,
        )

    def insert_data(self, chunk, metadata):
        dense_vec = self.embedding_function([chunk])[0]
        if self.use_sparse is True:
            sparse_result = self.sparse_embedding_function.encode_documents([chunk])
            if type(sparse_result) == dict:
                sparse_vec = sparse_result["sparse"][[0]]
            else:
                sparse_vec = sparse_result[[0]]
            self.client.insert(
                collection_name=self.collection_name,
                data={
                    "dense_vector": dense_vec,
                    "sparse_vector": sparse_vec,
                    **metadata,
                },
            )
        else:
            self.client.insert(
                collection_name=self.collection_name,
                data={"dense_vector": dense_vec, **metadata},
            )

    def insert_contextualized_data(self, doc, chunk, metadata):
        contextualized_text, usage = self.situate_context(doc, chunk)
        metadata["context"] = contextualized_text
        text_to_embed = f"{chunk}\n\n{contextualized_text}"
        dense_vec = self.embedding_function([text_to_embed])[0]
        if self.use_sparse is True:
            sparse_vec = self.sparse_embedding_function.encode_documents(
                [text_to_embed]
            )["sparse"][[0]]
            self.client.insert(
                collection_name=self.collection_name,
                data={
                    "dense_vector": dense_vec,
                    "sparse_vector": sparse_vec,
                    **metadata,
                },
            )
        else:
            self.client.insert(
                collection_name=self.collection_name,
                data={"dense_vector": dense_vec, **metadata},
            )

    def situate_context(self, doc: str, chunk: str):
        DOCUMENT_CONTEXT_PROMPT = """
        <document>
        {doc_content}
        </document>
        """

        CHUNK_CONTEXT_PROMPT = """
        Here is the chunk we want to situate within the whole document
        <chunk>
        {chunk_content}
        </chunk>

        Please give a short succinct context to situate this chunk within the overall document for the purposes of improving search retrieval of the chunk.
        Answer only with the succinct context and nothing else.
        """

        response = self.anthropic_client.beta.prompt_caching.messages.create(
            model="claude-3-haiku-20240307",
            max_tokens=1000,
            temperature=0.0,
            messages=[
                {
                    "role": "user",
                    "content": [
                        {
                            "type": "text",
                            "text": DOCUMENT_CONTEXT_PROMPT.format(doc_content=doc),
                            "cache_control": {
                                "type": "ephemeral"
                            },  # we will make use of prompt caching for the full documents
                        },
                        {
                            "type": "text",
                            "text": CHUNK_CONTEXT_PROMPT.format(chunk_content=chunk),
                        },
                    ],
                },
            ],
            extra_headers={"anthropic-beta": "prompt-caching-2024-07-31"},
        )
        return response.content[0].text, response.usage

    def search(self, query: str, k: int = 20) -> List[Dict[str, Any]]:
        dense_vec = self.embedding_function([query])[0]
        if self.use_sparse is True:
            sparse_vec = self.sparse_embedding_function.encode_queries([query])[
                "sparse"
            ][[0]]

        req_list = []
        if self.use_reranker:
            k = k * 10
        if self.use_sparse is True:
            req_list = []
            dense_search_param = {
                "data": [dense_vec],
                "anns_field": "dense_vector",
                "param": {"metric_type": "IP"},
                "limit": k * 2,
            }
            dense_req = AnnSearchRequest(**dense_search_param)
            req_list.append(dense_req)

            sparse_search_param = {
                "data": [sparse_vec],
                "anns_field": "sparse_vector",
                "param": {"metric_type": "IP"},
                "limit": k * 2,
            }
            sparse_req = AnnSearchRequest(**sparse_search_param)

            req_list.append(sparse_req)

            docs = self.client.hybrid_search(
                self.collection_name,
                req_list,
                RRFRanker(),
                k,
                output_fields=[
                    "content",
                    "original_uuid",
                    "doc_id",
                    "chunk_id",
                    "original_index",
                    "context",
                ],
            )
        else:
            docs = self.client.search(
                self.collection_name,
                data=[dense_vec],
                anns_field="dense_vector",
                limit=k,
                output_fields=[
                    "content",
                    "original_uuid",
                    "doc_id",
                    "chunk_id",
                    "original_index",
                    "context",
                ],
            )
        if self.use_reranker and self.use_contextualize_embedding:
            reranked_texts = []
            reranked_docs = []
            for i in range(k):
                if self.use_contextualize_embedding:
                    reranked_texts.append(
                        f"{docs[0][i]['entity']['content']}\n\n{docs[0][i]['entity']['context']}"
                    )
                else:
                    reranked_texts.append(f"{docs[0][i]['entity']['content']}")
            results = self.rerank_function(query, reranked_texts)
            for result in results:
                reranked_docs.append(docs[0][result.index])
            docs[0] = reranked_docs
        return docs


def evaluate_retrieval(
    queries: List[Dict[str, Any]], retrieval_function: Callable, db, k: int = 20
) -> Dict[str, float]:
    total_score = 0
    total_queries = len(queries)
    for query_item in tqdm(queries, desc="Evaluating retrieval"):
        query = query_item["query"]
        golden_chunk_uuids = query_item["golden_chunk_uuids"]

        # Find all golden chunk contents
        golden_contents = []
        for doc_uuid, chunk_index in golden_chunk_uuids:
            golden_doc = next(
                (
                    doc
                    for doc in query_item["golden_documents"]
                    if doc["uuid"] == doc_uuid
                ),
                None,
            )
            if not golden_doc:
                print(f"Warning: Golden document not found for UUID {doc_uuid}")
                continue

            golden_chunk = next(
                (
                    chunk
                    for chunk in golden_doc["chunks"]
                    if chunk["index"] == chunk_index
                ),
                None,
            )
            if not golden_chunk:
                print(
                    f"Warning: Golden chunk not found for index {chunk_index} in document {doc_uuid}"
                )
                continue

            golden_contents.append(golden_chunk["content"].strip())

        if not golden_contents:
            print(f"Warning: No golden contents found for query: {query}")
            continue

        retrieved_docs = retrieval_function(query, db, k=k)

        # Count how many golden chunks are in the top k retrieved documents
        chunks_found = 0
        for golden_content in golden_contents:
            for doc in retrieved_docs[0][:k]:
                retrieved_content = doc["entity"]["content"].strip()
                if retrieved_content == golden_content:
                    chunks_found += 1
                    break

        query_score = chunks_found / len(golden_contents)
        total_score += query_score

    average_score = total_score / total_queries
    pass_at_n = average_score * 100
    return {
        "pass_at_n": pass_at_n,
        "average_score": average_score,
        "total_queries": total_queries,
    }


def retrieve_base(query: str, db, k: int = 20) -> List[Dict[str, Any]]:
    return db.search(query, k=k)


def load_jsonl(file_path: str) -> List[Dict[str, Any]]:
    """Load JSONL file and return a list of dictionaries."""
    with open(file_path, "r") as file:
        return [json.loads(line) for line in file]


def evaluate_db(db, original_jsonl_path: str, k):
    # Load the original JSONL data for queries and ground truth
    original_data = load_jsonl(original_jsonl_path)

    # Evaluate retrieval
    results = evaluate_retrieval(original_data, retrieve_base, db, k)
    print(f"Pass@{k}: {results['pass_at_n']:.2f}%")
    print(f"Total Score: {results['average_score']}")
    print(f"Total queries: {results['total_queries']}")

Nun müssen Sie diese Modelle für die folgenden Experimente initialisieren. Sie können mit Hilfe der PyMilvus-Modellbibliothek leicht zu anderen Modellen wechseln.

dense_ef = VoyageEmbeddingFunction(api_key="your-voyage-api-key", model_name="voyage-2")
sparse_ef = BGEM3EmbeddingFunction()
cohere_rf = CohereRerankFunction(api_key="your-cohere-api-key")

Fetching 30 files:   0%|          | 0/30 [00:00<?, ?it/s]

path = "codebase_chunks.json"
with open(path, "r") as f:
    dataset = json.load(f)

Experiment I: Standard-Retrieval

Beim Standard-Retrieval werden nur dichte Einbettungen verwendet, um verwandte Dokumente abzurufen. In diesem Experiment werden wir Pass@5 verwenden, um die Ergebnisse aus dem ursprünglichen Repo zu reproduzieren.

standard_retriever = MilvusContextualRetriever(
    uri="standard.db", collection_name="standard", dense_embedding_function=dense_ef
)

standard_retriever.build_collection()
for doc in dataset:
    doc_content = doc["content"]
    for chunk in doc["chunks"]:
        metadata = {
            "doc_id": doc["doc_id"],
            "original_uuid": doc["original_uuid"],
            "chunk_id": chunk["chunk_id"],
            "original_index": chunk["original_index"],
            "content": chunk["content"],
        }
        chunk_content = chunk["content"]
        standard_retriever.insert_data(chunk_content, metadata)

evaluate_db(standard_retriever, "evaluation_set.jsonl", 5)

Evaluating retrieval: 100%|██████████| 248/248 [01:29<00:00,  2.77it/s]

Pass@5: 80.92%
Total Score: 0.8091877880184332
Total queries: 248

Experiment II: Hybrides Retrieval

Nachdem wir mit der Voyage-Einbettung vielversprechende Ergebnisse erzielt haben, werden wir nun eine hybride Suche mit dem BGE-M3-Modell durchführen, das leistungsstarke Sparse-Einbettungen erzeugt. Die Ergebnisse von Dense Retrieval und Sparse Retrieval werden mit der Reciprocal Rank Fusion (RRF) Methode kombiniert, um ein hybrides Ergebnis zu erhalten.

hybrid_retriever = MilvusContextualRetriever(
    uri="hybrid.db",
    collection_name="hybrid",
    dense_embedding_function=dense_ef,
    use_sparse=True,
    sparse_embedding_function=sparse_ef,
)

hybrid_retriever.build_collection()
for doc in dataset:
    doc_content = doc["content"]
    for chunk in doc["chunks"]:
        metadata = {
            "doc_id": doc["doc_id"],
            "original_uuid": doc["original_uuid"],
            "chunk_id": chunk["chunk_id"],
            "original_index": chunk["original_index"],
            "content": chunk["content"],
        }
        chunk_content = chunk["content"]
        hybrid_retriever.insert_data(chunk_content, metadata)

evaluate_db(hybrid_retriever, "evaluation_set.jsonl", 5)

Evaluating retrieval: 100%|██████████| 248/248 [02:09<00:00,  1.92it/s]

Pass@5: 84.69%
Total Score: 0.8469182027649771
Total queries: 248

Experiment III: Kontextbezogenes Retrieval

Das hybride Retrieval zeigt eine Verbesserung, aber die Ergebnisse können durch die Anwendung einer kontextbezogenen Retrieval-Methode weiter verbessert werden. Um dies zu erreichen, werden wir das Sprachmodell von Anthropic verwenden, um den Kontext des gesamten Dokuments für jeden Chunk voranzustellen.

anthropic_client = anthropic.Anthropic(
    api_key="your-anthropic-api-key",
)

contextual_retriever = MilvusContextualRetriever(
    uri="contextual.db",
    collection_name="contextual",
    dense_embedding_function=dense_ef,
    use_sparse=True,
    sparse_embedding_function=sparse_ef,
    use_contextualize_embedding=True,
    anthropic_client=anthropic_client,
)

contextual_retriever.build_collection()
for doc in dataset:
    doc_content = doc["content"]
    for chunk in doc["chunks"]:
        metadata = {
            "doc_id": doc["doc_id"],
            "original_uuid": doc["original_uuid"],
            "chunk_id": chunk["chunk_id"],
            "original_index": chunk["original_index"],
            "content": chunk["content"],
        }
        chunk_content = chunk["content"]
        contextual_retriever.insert_contextualized_data(
            doc_content, chunk_content, metadata
        )

evaluate_db(contextual_retriever, "evaluation_set.jsonl", 5)

 Evaluating retrieval: 100%|██████████| 248/248 [01:55<00:00,  2.15it/s]
Pass@5: 87.14%
Total Score: 0.8713517665130568
Total queries: 248 

Experiment IV: Kontextbezogenes Retrieval mit Reranker

Die Ergebnisse können durch Hinzufügen eines Cohere-Rerankers weiter verbessert werden. Ohne einen neuen Retriever mit Reranker separat zu initialisieren, können wir einfach den bestehenden Retriever so konfigurieren, dass er den Reranker für eine verbesserte Leistung verwendet.

contextual_retriever.use_reranker = True
contextual_retriever.rerank_function = cohere_rf

evaluate_db(contextual_retriever, "evaluation_set.jsonl", 5)

Evaluating retrieval: 100%|██████████| 248/248 [02:02<00:00,  2.00it/s]
Pass@5: 90.91%
Total Score: 0.9090821812596005
Total queries: 248

Wir haben mehrere Methoden zur Verbesserung der Retrieval-Leistung demonstriert. Mit einem stärker auf das Szenario zugeschnittenen Ad-hoc-Design zeigt das kontextuelle Retrieval ein erhebliches Potenzial für die Vorverarbeitung von Dokumenten zu geringen Kosten, was zu einem besseren RAG-System führt.