Graphique RAG avec Milvus

L'application généralisée de grands modèles de langage souligne l'importance d'améliorer la précision et la pertinence de leurs réponses. La génération améliorée par récupération (RAG) améliore les modèles avec des bases de connaissances externes, fournissant plus d'informations contextuelles et atténuant les problèmes tels que l'hallucination et les connaissances insuffisantes. Toutefois, le fait de s'appuyer uniquement sur des paradigmes RAG simples a ses limites, en particulier lorsqu'il s'agit de relations complexes entre entités et de questions à sauts multiples, pour lesquelles le modèle a souvent du mal à fournir des réponses exactes.

L'introduction de graphes de connaissances (KG) dans le système RAG offre une nouvelle solution. Les KG présentent les entités et leurs relations de manière structurée, en fournissant des informations de recherche plus précises et en aidant le RAG à mieux gérer les tâches complexes de réponse aux questions. KG-RAG en est encore à ses débuts, et il n'y a pas de consensus sur la manière d'extraire efficacement des entités et des relations à partir de KG ou sur la manière d'intégrer la recherche de similarité vectorielle avec des structures de graphe.

Dans ce carnet, nous présentons une approche simple mais puissante pour améliorer considérablement les performances de ce scénario. Il s'agit d'un paradigme RAG simple avec récupération multi-voies puis reranking, mais il met en œuvre le Graph RAG de manière logique et atteint des performances de pointe dans le traitement des questions multi-sauts. Voyons comment il est mis en œuvre.

Conditions préalables

Avant d'exécuter ce bloc-notes, assurez-vous que les dépendances suivantes sont installées :

$ pip install --upgrade --quiet pymilvus numpy scipy langchain langchain-core langchain-openai tqdm

Si vous utilisez Google Colab, pour activer les dépendances qui viennent d'être installées, vous devrez peut-être redémarrer le runtime (cliquez sur le menu "Runtime" en haut de l'écran, et sélectionnez "Restart session" dans le menu déroulant).

Nous utiliserons les modèles d'OpenAI. Vous devez préparer la clé api OPENAI_API_KEY comme variable d'environnement.

import os

os.environ["OPENAI_API_KEY"] = "sk-***********"

Importez les bibliothèques et dépendances nécessaires.

import numpy as np

from collections import defaultdict
from scipy.sparse import csr_matrix
from pymilvus import MilvusClient
from langchain_core.messages import AIMessage, HumanMessage
from langchain_core.prompts import ChatPromptTemplate, HumanMessagePromptTemplate
from langchain_core.output_parsers import StrOutputParser, JsonOutputParser
from langchain_openai import ChatOpenAI, OpenAIEmbeddings
from tqdm import tqdm

Initialiser l'instance du client Milvus, le LLM et le modèle d'intégration.

milvus_client = MilvusClient(uri="./milvus.db")

llm = ChatOpenAI(
    model="gpt-4o",
    temperature=0,
)
embedding_model = OpenAIEmbeddings(model="text-embedding-3-small")

Chargement des données hors ligne

Préparation des données

Nous utiliserons un ensemble de données nano qui présente la relation entre la famille de Bernoulli et Euler à titre d'exemple. Le nano jeu de données contient 4 passages et un ensemble de triplets correspondants, où chaque triplet contient un sujet, un prédicat et un objet. En pratique, vous pouvez utiliser n'importe quelle approche pour extraire les triplets de votre propre corpus personnalisé.

nano_dataset = [
    {
        "passage": "Jakob Bernoulli (1654–1705): Jakob was one of the earliest members of the Bernoulli family to gain prominence in mathematics. He made significant contributions to calculus, particularly in the development of the theory of probability. He is known for the Bernoulli numbers and the Bernoulli theorem, a precursor to the law of large numbers. He was the older brother of Johann Bernoulli, another influential mathematician, and the two had a complex relationship that involved both collaboration and rivalry.",
        "triplets": [
            ["Jakob Bernoulli", "made significant contributions to", "calculus"],
            [
                "Jakob Bernoulli",
                "made significant contributions to",
                "the theory of probability",
            ],
            ["Jakob Bernoulli", "is known for", "the Bernoulli numbers"],
            ["Jakob Bernoulli", "is known for", "the Bernoulli theorem"],
            ["The Bernoulli theorem", "is a precursor to", "the law of large numbers"],
            ["Jakob Bernoulli", "was the older brother of", "Johann Bernoulli"],
        ],
    },
    {
        "passage": "Johann Bernoulli (1667–1748): Johann, Jakob’s younger brother, was also a major figure in the development of calculus. He worked on infinitesimal calculus and was instrumental in spreading the ideas of Leibniz across Europe. Johann also contributed to the calculus of variations and was known for his work on the brachistochrone problem, which is the curve of fastest descent between two points.",
        "triplets": [
            [
                "Johann Bernoulli",
                "was a major figure of",
                "the development of calculus",
            ],
            ["Johann Bernoulli", "was", "Jakob's younger brother"],
            ["Johann Bernoulli", "worked on", "infinitesimal calculus"],
            ["Johann Bernoulli", "was instrumental in spreading", "Leibniz's ideas"],
            ["Johann Bernoulli", "contributed to", "the calculus of variations"],
            ["Johann Bernoulli", "was known for", "the brachistochrone problem"],
        ],
    },
    {
        "passage": "Daniel Bernoulli (1700–1782): The son of Johann Bernoulli, Daniel made major contributions to fluid dynamics, probability, and statistics. He is most famous for Bernoulli’s principle, which describes the behavior of fluid flow and is fundamental to the understanding of aerodynamics.",
        "triplets": [
            ["Daniel Bernoulli", "was the son of", "Johann Bernoulli"],
            ["Daniel Bernoulli", "made major contributions to", "fluid dynamics"],
            ["Daniel Bernoulli", "made major contributions to", "probability"],
            ["Daniel Bernoulli", "made major contributions to", "statistics"],
            ["Daniel Bernoulli", "is most famous for", "Bernoulli’s principle"],
            [
                "Bernoulli’s principle",
                "is fundamental to",
                "the understanding of aerodynamics",
            ],
        ],
    },
    {
        "passage": "Leonhard Euler (1707–1783) was one of the greatest mathematicians of all time, and his relationship with the Bernoulli family was significant. Euler was born in Basel and was a student of Johann Bernoulli, who recognized his exceptional talent and mentored him in mathematics. Johann Bernoulli’s influence on Euler was profound, and Euler later expanded upon many of the ideas and methods he learned from the Bernoullis.",
        "triplets": [
            [
                "Leonhard Euler",
                "had a significant relationship with",
                "the Bernoulli family",
            ],
            ["leonhard Euler", "was born in", "Basel"],
            ["Leonhard Euler", "was a student of", "Johann Bernoulli"],
            ["Johann Bernoulli's influence", "was profound on", "Euler"],
        ],
    },
]

Nous construisons les entités et les relations comme suit :

• L'entité est le sujet ou l'objet du triplet, nous les extrayons donc directement des triplets.
• Ici, nous construisons le concept de relation en concaténant directement le sujet, le prédicat et l'objet avec un espace entre les trois.

Nous préparons également un dict pour faire correspondre l'identifiant de l'entité à l'identifiant de la relation, et un autre dict pour faire correspondre l'identifiant de la relation à l'identifiant du passage, en vue d'une utilisation ultérieure.

entityid_2_relationids = defaultdict(list)
relationid_2_passageids = defaultdict(list)

entities = []
relations = []
passages = []
for passage_id, dataset_info in enumerate(nano_dataset):
    passage, triplets = dataset_info["passage"], dataset_info["triplets"]
    passages.append(passage)
    for triplet in triplets:
        if triplet[0] not in entities:
            entities.append(triplet[0])
        if triplet[2] not in entities:
            entities.append(triplet[2])
        relation = " ".join(triplet)
        if relation not in relations:
            relations.append(relation)
            entityid_2_relationids[entities.index(triplet[0])].append(
                len(relations) - 1
            )
            entityid_2_relationids[entities.index(triplet[2])].append(
                len(relations) - 1
            )
        relationid_2_passageids[relations.index(relation)].append(passage_id)

Insertion des données

Créer des collections Milvus pour l'entité, la relation et le passage. Les collections d'entités et de relations sont utilisées comme collections principales pour la construction de graphes dans notre méthode, tandis que la collection de passages est utilisée comme comparaison de recherche RAG naïve ou à des fins auxiliaires.

embedding_dim = len(embedding_model.embed_query("foo"))


def create_milvus_collection(collection_name: str):
    if milvus_client.has_collection(collection_name=collection_name):
        milvus_client.drop_collection(collection_name=collection_name)
    milvus_client.create_collection(
        collection_name=collection_name,
        dimension=embedding_dim,
        consistency_level="Strong",
    )


entity_col_name = "entity_collection"
relation_col_name = "relation_collection"
passage_col_name = "passage_collection"
create_milvus_collection(entity_col_name)
create_milvus_collection(relation_col_name)
create_milvus_collection(passage_col_name)

Insérer les données avec leurs métadonnées dans les collections Milvus, y compris les collections d'entités, de relations et de passages. Les métadonnées comprennent l'identifiant du passage et l'identifiant de l'entité ou de la relation adjacente.

def milvus_insert(
    collection_name: str,
    text_list: list[str],
):
    batch_size = 512
    for row_id in tqdm(range(0, len(text_list), batch_size), desc="Inserting"):
        batch_texts = text_list[row_id : row_id + batch_size]
        batch_embeddings = embedding_model.embed_documents(batch_texts)

        batch_ids = [row_id + j for j in range(len(batch_texts))]
        batch_data = [
            {
                "id": id_,
                "text": text,
                "vector": vector,
            }
            for id_, text, vector in zip(batch_ids, batch_texts, batch_embeddings)
        ]
        milvus_client.insert(
            collection_name=collection_name,
            data=batch_data,
        )


milvus_insert(
    collection_name=relation_col_name,
    text_list=relations,
)

milvus_insert(
    collection_name=entity_col_name,
    text_list=entities,
)

milvus_insert(
    collection_name=passage_col_name,
    text_list=passages,
)

Inserting: 100%|███████████████████████████████████| 1/1 [00:00<00:00,  1.02it/s]
Inserting: 100%|███████████████████████████████████| 1/1 [00:00<00:00,  1.39it/s]
Inserting: 100%|███████████████████████████████████| 1/1 [00:00<00:00,  2.28it/s]

Interrogation en ligne

Récupération des similitudes

Nous récupérons les topK entités et relations similaires basées sur la requête d'entrée de Milvus.

Lors de l'extraction des entités, nous devons d'abord extraire les entités de la requête à partir du texte de la requête à l'aide d'une méthode spécifique telle que la reconnaissance des entités nommées (NER). Par souci de simplicité, nous préparons ici les résultats de la NER. Si vous souhaitez modifier la requête en fonction de votre question personnalisée, vous devez modifier la liste NER correspondante. En pratique, vous pouvez utiliser n'importe quel autre modèle ou approche pour extraire les entités de la requête.

query = "What contribution did the son of Euler's teacher make?"

query_ner_list = ["Euler"]
# query_ner_list = ner(query) # In practice, replace it with your custom NER approach

query_ner_embeddings = [
    embedding_model.embed_query(query_ner) for query_ner in query_ner_list
]

top_k = 3

entity_search_res = milvus_client.search(
    collection_name=entity_col_name,
    data=query_ner_embeddings,
    limit=top_k,
    output_fields=["id"],
)

query_embedding = embedding_model.embed_query(query)

relation_search_res = milvus_client.search(
    collection_name=relation_col_name,
    data=[query_embedding],
    limit=top_k,
    output_fields=["id"],
)[0]

Développer le sous-graphe

Nous utilisons les entités et les relations extraites pour développer le sous-graphe et obtenir les relations candidates, puis nous les fusionnons de deux manières. Voici un organigramme du processus d'expansion du sous-graphe :

Nous construisons une matrice d'adjacence et utilisons la multiplication matricielle pour calculer les informations de cartographie d'adjacence en quelques degrés. De cette manière, nous pouvons rapidement obtenir des informations sur n'importe quel degré d'expansion.

# Construct the adjacency matrix of entities and relations where the value of the adjacency matrix is 1 if an entity is related to a relation, otherwise 0.
entity_relation_adj = np.zeros((len(entities), len(relations)))
for entity_id, entity in enumerate(entities):
    entity_relation_adj[entity_id, entityid_2_relationids[entity_id]] = 1

# Convert the adjacency matrix to a sparse matrix for efficient computation.
entity_relation_adj = csr_matrix(entity_relation_adj)

# Use the entity-relation adjacency matrix to construct 1 degree entity-entity and relation-relation adjacency matrices.
entity_adj_1_degree = entity_relation_adj @ entity_relation_adj.T
relation_adj_1_degree = entity_relation_adj.T @ entity_relation_adj

# Specify the target degree of the subgraph to be expanded.
# 1 or 2 is enough for most cases.
target_degree = 1

# Compute the target degree adjacency matrices using matrix multiplication.
entity_adj_target_degree = entity_adj_1_degree
for _ in range(target_degree - 1):
    entity_adj_target_degree = entity_adj_target_degree * entity_adj_1_degree
relation_adj_target_degree = relation_adj_1_degree
for _ in range(target_degree - 1):
    relation_adj_target_degree = relation_adj_target_degree * relation_adj_1_degree

entity_relation_adj_target_degree = entity_adj_target_degree @ entity_relation_adj

En prenant la valeur de la matrice d'expansion du degré cible, nous pouvons facilement étendre le degré correspondant à partir de l'entité et des relations récupérées pour obtenir toutes les relations du sous-graphe.

expanded_relations_from_relation = set()
expanded_relations_from_entity = set()
# You can set the similarity threshold here to guarantee the quality of the retrieved ones.
# entity_sim_filter_thresh = ...
# relation_sim_filter_thresh = ...

filtered_hit_relation_ids = [
    relation_res["entity"]["id"]
    for relation_res in relation_search_res
    # if relation_res['distance'] > relation_sim_filter_thresh
]
for hit_relation_id in filtered_hit_relation_ids:
    expanded_relations_from_relation.update(
        relation_adj_target_degree[hit_relation_id].nonzero()[1].tolist()
    )

filtered_hit_entity_ids = [
    one_entity_res["entity"]["id"]
    for one_entity_search_res in entity_search_res
    for one_entity_res in one_entity_search_res
    # if one_entity_res['distance'] > entity_sim_filter_thresh
]

for filtered_hit_entity_id in filtered_hit_entity_ids:
    expanded_relations_from_entity.update(
        entity_relation_adj_target_degree[filtered_hit_entity_id].nonzero()[1].tolist()
    )

# Merge the expanded relations from the relation and entity retrieval ways.
relation_candidate_ids = list(
    expanded_relations_from_relation | expanded_relations_from_entity
)

relation_candidate_texts = [
    relations[relation_id] for relation_id in relation_candidate_ids
]

Nous avons obtenu les relations candidates en développant le sous-graphe, qui seront reclassées par LLM dans l'étape suivante.

LLM reranking

Dans cette étape, nous déployons le puissant mécanisme d'auto-attention de LLM pour filtrer et affiner l'ensemble des relations candidates. Nous utilisons une invite unique, incorporant la requête et l'ensemble de relations candidates dans l'invite, et demandons au LLM de sélectionner les relations potentielles qui pourraient aider à répondre à la requête. Etant donné que certaines requêtes peuvent être complexes, nous adoptons l'approche de la chaîne de pensée, permettant au LLM d'articuler son processus de réflexion dans sa réponse. Nous stipulons que la réponse de LLM est au format json pour faciliter l'analyse.

query_prompt_one_shot_input = """I will provide you with a list of relationship descriptions. Your task is to select 3 relationships that may be useful to answer the given question. Please return a JSON object containing your thought process and a list of the selected relationships in order of their relevance.

Question:
When was the mother of the leader of the Third Crusade born?

Relationship descriptions:
[1] Eleanor was born in 1122.
[2] Eleanor married King Louis VII of France.
[3] Eleanor was the Duchess of Aquitaine.
[4] Eleanor participated in the Second Crusade.
[5] Eleanor had eight children.
[6] Eleanor was married to Henry II of England.
[7] Eleanor was the mother of Richard the Lionheart.
[8] Richard the Lionheart was the King of England.
[9] Henry II was the father of Richard the Lionheart.
[10] Henry II was the King of England.
[11] Richard the Lionheart led the Third Crusade.

"""
query_prompt_one_shot_output = """{"thought_process": "To answer the question about the birth of the mother of the leader of the Third Crusade, I first need to identify who led the Third Crusade and then determine who his mother was. After identifying his mother, I can look for the relationship that mentions her birth.", "useful_relationships": ["[11] Richard the Lionheart led the Third Crusade", "[7] Eleanor was the mother of Richard the Lionheart", "[1] Eleanor was born in 1122"]}"""

query_prompt_template = """Question:
{question}

Relationship descriptions:
{relation_des_str}

"""


def rerank_relations(
    query: str, relation_candidate_texts: list[str], relation_candidate_ids: list[str]
) -> list[int]:
    relation_des_str = "\n".join(
        map(
            lambda item: f"[{item[0]}] {item[1]}",
            zip(relation_candidate_ids, relation_candidate_texts),
        )
    ).strip()
    rerank_prompts = ChatPromptTemplate.from_messages(
        [
            HumanMessage(query_prompt_one_shot_input),
            AIMessage(query_prompt_one_shot_output),
            HumanMessagePromptTemplate.from_template(query_prompt_template),
        ]
    )
    rerank_chain = (
        rerank_prompts
        | llm.bind(response_format={"type": "json_object"})
        | JsonOutputParser()
    )
    rerank_res = rerank_chain.invoke(
        {"question": query, "relation_des_str": relation_des_str}
    )
    rerank_relation_ids = []
    rerank_relation_lines = rerank_res["useful_relationships"]
    id_2_lines = {}
    for line in rerank_relation_lines:
        id_ = int(line[line.find("[") + 1 : line.find("]")])
        id_2_lines[id_] = line.strip()
        rerank_relation_ids.append(id_)
    return rerank_relation_ids


rerank_relation_ids = rerank_relations(
    query,
    relation_candidate_texts=relation_candidate_texts,
    relation_candidate_ids=relation_candidate_ids,
)

Obtenir les résultats finaux

Nous pouvons obtenir les passages récupérés finaux des relations reclassées.

final_top_k = 2

final_passages = []
final_passage_ids = []
for relation_id in rerank_relation_ids:
    for passage_id in relationid_2_passageids[relation_id]:
        if passage_id not in final_passage_ids:
            final_passage_ids.append(passage_id)
            final_passages.append(passages[passage_id])
passages_from_our_method = final_passages[:final_top_k]

Nous pouvons comparer les résultats avec la méthode naïve RAG, qui récupère les topK passages basés sur l'intégration de la requête directement à partir de la collection de passages.

naive_passage_res = milvus_client.search(
    collection_name=passage_col_name,
    data=[query_embedding],
    limit=final_top_k,
    output_fields=["text"],
)[0]
passages_from_naive_rag = [res["entity"]["text"] for res in naive_passage_res]

print(
    f"Passages retrieved from naive RAG: \n{passages_from_naive_rag}\n\n"
    f"Passages retrieved from our method: \n{passages_from_our_method}\n\n"
)


prompt = ChatPromptTemplate.from_messages(
    [
        (
            "human",
            """Use the following pieces of retrieved context to answer the question. If there is not enough information in the retrieved context to answer the question, just say that you don't know.
Question: {question}
Context: {context}
Answer:""",
        )
    ]
)

rag_chain = prompt | llm | StrOutputParser()

answer_from_naive_rag = rag_chain.invoke(
    {"question": query, "context": "\n".join(passages_from_naive_rag)}
)
answer_from_our_method = rag_chain.invoke(
    {"question": query, "context": "\n".join(passages_from_our_method)}
)

print(
    f"Answer from naive RAG: {answer_from_naive_rag}\n\nAnswer from our method: {answer_from_our_method}"
)

Passages retrieved from naive RAG: 
['Leonhard Euler (1707–1783) was one of the greatest mathematicians of all time, and his relationship with the Bernoulli family was significant. Euler was born in Basel and was a student of Johann Bernoulli, who recognized his exceptional talent and mentored him in mathematics. Johann Bernoulli’s influence on Euler was profound, and Euler later expanded upon many of the ideas and methods he learned from the Bernoullis.', 'Johann Bernoulli (1667–1748): Johann, Jakob’s younger brother, was also a major figure in the development of calculus. He worked on infinitesimal calculus and was instrumental in spreading the ideas of Leibniz across Europe. Johann also contributed to the calculus of variations and was known for his work on the brachistochrone problem, which is the curve of fastest descent between two points.']

Passages retrieved from our method: 
['Leonhard Euler (1707–1783) was one of the greatest mathematicians of all time, and his relationship with the Bernoulli family was significant. Euler was born in Basel and was a student of Johann Bernoulli, who recognized his exceptional talent and mentored him in mathematics. Johann Bernoulli’s influence on Euler was profound, and Euler later expanded upon many of the ideas and methods he learned from the Bernoullis.', 'Daniel Bernoulli (1700–1782): The son of Johann Bernoulli, Daniel made major contributions to fluid dynamics, probability, and statistics. He is most famous for Bernoulli’s principle, which describes the behavior of fluid flow and is fundamental to the understanding of aerodynamics.']


Answer from naive RAG: I don't know. The retrieved context does not provide information about the contributions made by the son of Euler's teacher.

Answer from our method: The son of Euler's teacher, Daniel Bernoulli, made major contributions to fluid dynamics, probability, and statistics. He is most famous for Bernoulli’s principle, which describes the behavior of fluid flow and is fundamental to the understanding of aerodynamics.

Comme nous pouvons le voir, les passages récupérés par la méthode RAG naïve ont manqué un passage de vérité de base, ce qui a conduit à une mauvaise réponse. Les passages récupérés par notre méthode sont corrects et permettent d'obtenir une réponse précise à la question.