分布式环境中知识图谱增强型RAG

尽管标准检索增强生成（RAG）系统在将大型语言模型（LLM）的回复与事实数据关联方面表现出色，但其检索机制常将文档视为孤立的信息单元。这会限制它们回答需要综合多源信息或理解实体间复杂关联的问题的能力。知识图谱（KG）提供了一种有效方法来弥补这些不足，通过提供实体及其关联的结构化表示。将知识图谱整合到分布式RAG系统中，能够构建更精密的应用程序，支持更高级的推断，并给出更全面的回复。

本节研究如何用知识图谱增强RAG系统，重点关注分布式环境中固有的架构考量及难题。我们将探讨将基于图的检索与传统向量搜索结合的模式，构建和维护大规模知识图谱的方法，以及在规模化运行时对系统设计的影响。

知识图谱在高级RAG中的作用

知识图谱以节点（实体）和边（关联）的网络形式编码信息。例如，知识图谱可能表示“公司A”（实体）“收购”（关联）“公司B”（实体），以及“公司B”（实体）“总部位于”（关联）“城市C”（实体）。这种明确、结构化的表示为RAG系统提供多项益处：

1. 提升上下文理解：知识图谱提供丰富的语义层。当查询提及“公司A”时，知识图谱可立即提供相关实体和事实，例如其行业、人员或近期收购。这种结构化上下文与检索到的文本片段一同输入LLM时，能大幅提高生成回复的相关性和准确性。

2. 多跳推断：许多复杂问题需要连接分散的信息片段。例如，“公司A收购的公司开发了哪些与汽车行业相关的技术？”回答此问题需要遍历多个关联：公司A $\rightarrow$ 被收购公司 $\rightarrow$ 技术 $\rightarrow$ 行业相关性。知识图谱天生适合此类多跳遍历，使得RAG系统能收集仅凭向量搜索难以有效连接的零散证据。

3. 实体消歧：自然语言常有歧义。像“Jaguar”这样的词可能指动物、汽车品牌或操作系统。知识图谱凭借其定义的实体和关联，能根据查询上下文或其他提及的实体帮助消除此类词语的歧义，从而实现更精准的检索。

4. 增强可解释性：在知识图谱中为找到相关信息而遍历的路径，可作为答案部分内容的明确解释。这通常比单纯依赖向量数据库不透明的相似度得分更具透明度。

5. 结构化与非结构化数据结合：知识图谱提供一个自然的框架，用于结合来自结构化数据库（如产品目录、财务记录）的信息和从非结构化文本中获得的见解。这种整体视角通常对于给出全面答案是必要的。

在分布式RAG系统中，这些益处得到放大。随着数据集的增加，知识图谱快速缩小相关子图范围或提供高价值结构化事实的能力，对于管理复杂性并提升LLM生成步骤的效率变得更为重要。

分布式环境中知识图谱增强型RAG的架构模式

将知识图谱整合到分布式RAG架构中需要周密设计。以下是几种常见模式：

1. 将知识图谱作为并行检索器

在此模式中，知识图谱作为传统向量数据库之外的额外并行信息源。 用户查询由两个或更多检索系统同时处理：

• 向量检索器：对文本语料库执行语义搜索。
• 知识图谱检索器：查询知识图谱。这可能涉及：
  • 实体链接：从查询中识别实体，并在知识图谱中找到其对应节点。
  • 关联遍历：从这些实体出发，查找相关信息。
  • 图模式匹配：使用SPARQL或Cypher等图查询语言查找符合特定模式的子图。

来自两个检索器的结果（例如，文本块、结构化事实或子图）随后被合并并作为增强上下文呈现给LLM。

一种并行检索架构，其中知识图谱和向量数据库都被查询，其结果在传递给LLM之前进行融合。

分布式考量：

• 知识图谱可伸缩性：知识图谱本身必须是分布式的。像Amazon Neptune、Neo4j（带因果集群）或TigerGraph这样的图数据库就是为此设计的。它们提供分片、复制和分布式查询处理。
• 查询联邦/编排：需要一个服务来管理向两个系统发送查询并合并结果。此服务必须处理延迟和数据格式的潜在差异。
• 资源分配：根据各自负载，知识图谱集群和向量搜索集群需要独立伸缩。

2. 将知识图谱用于预处理和丰富

知识图谱并非在每次用户请求时都进行运行时查询，而是可以在数据摄取和嵌入管道中用于丰富文档。

• 实体识别与链接：在文档处理过程中，命名实体识别（NER）工具会识别实体（人物、组织、地点、理念）。随后，这些实体会被链接到知识图谱中对应的节点。
• 元数据增强：来自知识图谱中与这些实体相关的信息（例如，别名、重要属性、直接关联）可以在文档块被嵌入和索引到向量数据库之前，作为元数据添加。

随后，这些丰富的元数据可被以下方式运用：

• 混合搜索：向量数据库可能支持基于这些结构化元数据的过滤或提升。
• LLM上下文：即使未直接用于检索过滤，丰富的元数据（如果包含在检索到的块中）也能立即为LLM提供结构化上下文。

分布式考量：

• 可伸缩的丰富管道：丰富过程（NER、实体链接、知识图谱查询）必须能随数据摄取速率伸缩。这通常涉及分布式流处理（例如，Spark Streaming、Flink）或批处理框架。
• 知识图谱访问模式：知识图谱在丰富阶段会承受高读取负载。对频繁访问的实体或图模式采用缓存策略可能会有益。

3. 将知识图谱用于后处理和答案验证

在LLM基于检索到的文本生成初步答案后，知识图谱可用于验证、细化或扩展此答案。

• 事实核查：从LLM的输出中提取实体和声称的关联，并与知识图谱进行核实。
• 关联匹配：确保答案中提及的实体与知识图谱中的特定节点关联匹配，以增加准确性。
• 扩展：如果LLM提供简洁的答案，可以查询知识图谱以获取相关有趣事实或上下文，从而丰富最终回复。例如，如果LLM提及某种特定药物，知识图谱可以提供其作用机制或常见副作用，如果这些信息尚未涵盖。

分布式考量：

• 低延迟知识图谱查询：验证需要快速，以避免给面向用户的响应时间增加明显延迟。这可能需要优化的知识图谱查询路径或专用于验证任务的高可用知识图谱副本。
• 一致性：用于验证的知识图谱应与用于初始RAG检索的数据源保持一致，以避免信息矛盾。

4. 迭代图遍历与检索（图RAG）

这是一种更具动态性的方法，知识图谱和文档检索过程交错进行，通常由作为推断代理的LLM进行编排。

1. 一个初始查询可能会从知识图谱中检索到一些起始实体或事实。
2. 基于这个初始知识图谱上下文，LLM（或控制代理）可能决定：
   • 在知识图谱中进一步遍历（例如，“研究此人的相关项目”）。
   • 基于知识图谱中发现的实体或关联，为向量数据库构建新查询（例如，“查找知识图谱中提及的阿尔法项目相关文档”）。
3. 此步骤的结果随后反馈给LLM，LLM可能会进一步迭代，遍历更多图或检索更多文档，直至获得足够信息回答原始查询。

这是一个迭代过程，LLM代理利用知识图谱遍历获得的见解来指导文档检索，反之亦然，逐步构建上下文。

分布式考量：

• 状态管理：编排器需要管理迭代推断过程的状态，这在分布式环境中可能很复杂。
• 组件交互延迟：迭代中的每一步都会增加延迟。优化单个组件调用（知识图谱查询、向量搜索）非常重要。
• 代理型LLM的资源管理：如果LLM代理发出大量调用，它可能成为瓶颈。可能需要采用批量请求底层系统或使用更小、专业LLM进行编排的策略。

规模化知识图谱的构建与维护

知识图谱增强型RAG系统的好坏取决于其底层知识图谱。

知识图谱构建方法：

• 人工编制：专家定义模式并填充实体/关联。质量高但耗时且成本高。
• 文本自动化提取：使用NLP技术（NER、关联提取）从文档语料库构建知识图谱。需要仔细验证，可能存在噪声。分布式NLP管道（例如在Spark上）对于大型语料库非常重要。
• 现有结构化数据整合：将来自关系数据库、CSV或API的数据转换为图格式。
• 联邦：结合多个现有知识图谱。

分布式图数据库： 对于大规模应用，分布式图数据库是必需品。

• 示例：Amazon Neptune、Neo4j（因果集群或用于分片/联邦的Fabric）、TigerGraph、Microsoft Azure Cosmos DB for Apache Gremlin。
• 分区/分片：图分区具有挑战性。策略包括边分区或顶点分区。选择取决于查询模式。
• 复制：用于高可用性和读取伸缩。
• 查询引擎：必须高效执行跨分布式数据的查询。

图嵌入： 知识图谱中的实体和关联也可以表示为嵌入（例如，使用TransE、DistMult、RotatE、ComplEx等模型，或GCN、GraphSAGE等图神经网络）。

• 统一检索：这些图嵌入可以在与文档嵌入相同或相似的向量空间中进行索引，从而支持结合结构化知识图谱信息与非结构化文本的查询。
• 链接预测/知识图谱补全：图嵌入有助于推断知识图谱中缺失的链接，辅助其维护和扩展。

同步与更新： 知识图谱，特别是那些基于动态数据源构建的知识图谱，需要保持更新。

• 批量更新：定期从源数据重建或更新知识图谱。
• 流处理：对于近实时更新，使用流处理平台捕获源数据中的变化（例如，通过数据库的变更数据捕获或Kafka等消息队列），并将其传播到知识图谱以及可能的文档丰富管道。这与第4章（“大规模数据摄取和处理管道”）和第2章（“大规模数据摄取的近实时索引”）中讨论的理念一致。

分布式知识图谱RAG中的难题

知识图谱虽然强大，但将其整合到分布式RAG系统中会带来特定难题：

• 数据一致性：确保知识图谱、文档语料库以及任何派生嵌入或元数据之间的一致性是一个重要的操作难题。过期的知识图谱信息可能导致不准确或误导性的增强。
• 查询构建与转换：
  • 将自然语言用户查询转换为有效的图查询（例如，SPARQL、Cypher、Gremlin）可能很复杂。LLM本身可以针对“文本到图查询”任务进行微调，但这又增加了一层模型构建。
  • 优化分布式执行的图查询需要对所用特定图数据库的专业知识。
• 图操作的可伸缩性：在非常庞大的分布式图上进行复杂图遍历或模式匹配可能资源密集，且可能无法满足交互式RAG的低延迟要求。
• 模式设计与演进：设计一个能平衡表达能力与查询性能的有效知识图谱模式是一门艺术。在实时分布式知识图谱中管理模式演进需要周密规划和工具支持。
• 信号结合：如何最佳结合知识图谱检索（结构化事实、实体关联）与密集向量检索（语义相似文本片段）的信号，仍是待研究的方面。简单拼接可能并非最佳；通常需要更精密的融合或重新排序机制，可能通过学习获得。
• 知识图谱的“冷启动”：构建一个全面的知识图谱是一项艰巨任务。系统最初可能需要使用部分知识图谱，或仅覆盖某些方面。
• 复杂度成本：增加一个知识图谱组件会引入另一个复杂的分布式系统进行管理、监控和维护，增加了整体操作负担。

实际考量与最佳实践

在分布式环境中实施知识图谱增强型RAG时：

• 明确定义范围：从为知识图谱明确定义的方面开始。不要试图一次性建模所有内容。侧重于能为目标使用场景提供最大助益的实体和关联。
• 选择合适的图技术：根据您的规模、查询模式、一致性要求和现有云基础设施选择分布式图数据库。评估它对所选图查询语言的支持及其运行成熟度。
• 迭代与评估：从一个更简单的整合模式（例如，知识图谱用于丰富或并行检索基本事实）开始，并迭代地提升它。持续评估知识图谱增强对答案质量、延迟和系统成本的影响。
• 投入知识图谱质量：“垃圾进，垃圾出”的原则在此非常适用。投入知识图谱构建、验证和细化的流程。
• 监控知识图谱性能：跟踪知识图谱查询延迟、错误率、数据新鲜度以及知识图谱查询命中率。这对于识别瓶颈并确保知识图谱组件正在增添价值非常重要。
• 混合方法常胜：纯粹基于知识图谱的检索或纯粹的向量搜索可能并非对所有查询都最佳。能动态选择或结合来自两种来源信息的混合系统，通常能在精度、召回率和上下文之间提供最佳平衡。

设想一个场景：用户提问：“根据近期研究，患者服用药物X并患有疾病Y时，潜在的药物交互作用有哪些？”

1. 初始查询处理：
   • 识别实体“药物X”和“疾病Y”。
2. 知识图谱检索（并行模式）：
   • 查询知识图谱以获取药物X的已知作用机制以及与疾病Y相关的生物途径。
   • 它还可能检索到常用于疾病Y的其他药物清单，或通过已知途径与药物X有交互作用的药物。
3. 向量数据库检索：
   • 查询向量数据库以获取讨论药物X、疾病Y和潜在交互作用的最新研究论文和临床试验报告。
4. 上下文融合：
   • 来自知识图谱的结构化信息（例如，途径、已知交互化合物）与来自向量数据库的文本片段进行结合。
5. LLM生成：
   • LLM合成这个结合后的上下文。知识图谱数据帮助其更有效地解读研究论文中的发现，例如通过突出显示讨论与已识别途径相关交互作用的研究。
6. （可选）后处理验证：
   • 如果LLM建议了特定的交互作用，可以快速检查知识图谱，查看这是否是已记录的交互作用，并添加置信度分数或免责声明。

此示例表明知识图谱如何提供结构化支架，帮助RAG系统处理和解读文档语料库中的信息。

通过慎重整合知识图谱，我们可以构建分布式RAG系统，使其超越简单的事实检索，转向更高级别的推断和详细理解。尽管这引入了新的复杂性，但为要求高的应用提供更高质量、更具上下文感知能力和更可解释答案的可能性，使其成为RAG架构演变的一个有前景的方向。