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# 在线 RAG 检索与生成系统 (Online RAG Retriever)

该模块负责 RAG 系统的阶段二：**在线检索与生成**。它接收用户提问，从知识库中检索出上下文，利用各种高级策略去噪、融合，并作为增强上下文输入给大语言模型 (LLM)。

## 🎯 核心架构

### 技术栈

| 组件 | 技术选型 | 版本 | 说明 |
|:-----|:---------|:-----|:-----|
| **基础检索** | `Qdrant` | 1.17+ | HNSW 稠密向量检索 |
| **混合检索** | `Qdrant` + `BM25` | 内置 | 稠密 + 稀疏向量融合 |
| **查询改写** | `LangChain` | 内置 | `MultiQueryGenerator` 多路改写 |
| **RRF 融合** | 自实现 | - | `reciprocal_rank_fusion` 倒数排名融合 |
| **重排序** | `llama.cpp` | 本地服务 | OpenAI 兼容 Rerank API |
| **编排框架** | `asyncio` | Python 3.10+ | 异步并行检索 |

### 检索流水线

```
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      用户提问                                │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│              MultiQueryGenerator                             │
│           多路查询改写 (num_queries=3)                        │
│   "如何申请项目资金？" → ["项目资金申请流程", "经费申请步骤"]  │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│              并行检索 (asyncio.gather)                        │
│  ┌──────────────┐  ┌──────────────┐  ┌──────────────┐       │
│  │  查询1 检索   │  │  查询2 检索   │  │  查询3 检索   │       │
│  │  (k=20)      │  │  (k=20)      │  │  (k=20)      │       │
│  └──────────────┘  └──────────────┘  └──────────────┘       │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│           reciprocal_rank_fusion (RRF)                       │
│   RRF_score(d) = Σ 1/(k + rank_q(d))  (k=60)                │
│   融合多路检索结果，去重排序                                  │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│              LLaMaCPPReranker                                │
│   远程重排序 (bge-reranker-v2-m3)                             │
│   返回 Top-N (top_n=5) 最相关文档                             │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│              返回增强上下文                                  │
│   format_context() → 格式化输出                               │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
```

### 技术特性

- ✅ **多路查询改写**：通过 LLM 将单一问题改写为多个不同角度的查询
- ✅ **RRF 融合算法**：Reciprocal Rank Fusion，无需评分归一化的融合算法
- ✅ **远程重排序**：使用 llama.cpp 服务的 OpenAI 兼容 Rerank API
- ✅ **混合检索支持**：稠密向量 + BM25 稀疏向量混合检索
- ✅ **异步并行检索**：多路查询并行执行，提升检索速度
- ✅ **优雅降级**：重排序器不可用时自动降级到基础融合结果

## 📂 架构与文件结构

```
app/rag/
├── __init__.py
├── retriever.py          # Qdrant 基础检索与混合检索
├── reranker.py           # llama.cpp 远程重排序器
├── query_transform.py    # 多路查询改写生成器
├── fusion.py             # RRF 倒数排名融合算法
├── pipeline.py           # RAG 流水线编排
└── tools.py              # LangChain Tool 封装
```

## 🎯 演进路线与算法详解 (Roadmap)

### Level 1: 基础向量搜索 (Basic Similarity Search)

- **核心算法**: 近似最近邻搜索 (ANN, 常用 HNSW 算法)。将用户问题转化为向量后，计算它与库中向量的余弦相似度 (Cosine Similarity)，取距离最近的 K 个块。
- **优缺点**: 速度极快。但只能捕捉"语义相似"，如果用户搜索特定专有名词、编号、订单号，纯向量检索往往会失效（产生"幻觉"匹配）。
- **实现指南**:
  - 使用 `rag_indexer.embedders.LlamaCppEmbedder` 作为嵌入模型
  - 使用 `app/rag/retriever.py` 中的 `create_base_retriever` 创建基础检索器
  - 配置 `search_kwargs={"k": 20}` 进行初步召回

```python
from app.rag.retriever import create_base_retriever

retriever = create_base_retriever(
    collection_name="rag_documents",
    embeddings=embeddings,
    search_kwargs={"k": 20}
)
docs = retriever.invoke("什么是 RAG？")
```

### Level 2: 混合检索与重排序 (Hybrid Search + Reranker)

混合检索旨在结合向量的"语义泛化"与关键词的"精准匹配"，随后利用重排序模型过滤噪声。

**1. 基础召回 (混合检索)**

- **核心原理**: 结合基于 HNSW 的 Dense Vector 相似度搜索与基于 TF-IDF 的 BM25 稀疏检索 (Sparse Vector)。
- **实现指南**: 使用 `app/rag/retriever.py` 中的 `create_hybrid_retriever` 函数，配置 `dense_k=10` 和 `sparse_k=10`，总召回 20 条结果。

```python
from app.rag.retriever import create_hybrid_retriever

retriever = create_hybrid_retriever(
    collection_name="rag_documents",
    embeddings=embeddings,
    dense_k=10,
    sparse_k=10,
    score_threshold=0.3
)
```

**2. 二次精排 (Cross-Encoder)**

- **核心原理**: 不同于双塔模型（分别算向量再求距离），交叉编码器将"用户问题 + 检索到的单例文档"拼接后整体输入 Transformer 模型，由模型直接输出 0~1 的相关性得分，精度极高。
- **实现指南**:
  - 使用 `app/rag/reranker.py` 中的 `LLaMaCPPReranker` 类，加载 `bge-reranker-v2-m3` 模型
  - 设置 `top_n=5` 保留最相关的 5 条结果

```python
from app.rag.reranker import LLaMaCPPReranker

reranker = LLaMaCPPReranker(
    base_url="http://127.0.0.1:8083",
    api_key="your-api-key",
    top_n=5
)
sorted_docs = reranker.compress_documents(documents, query)
```

### Level 3: RAG-Fusion (多路改写与倒数排名融合)

RAG-Fusion 通过大模型发散思维，将单一问题改写为多个相似问题，扩大搜索面，再利用数学统计算法合并结果。

**1. 多路查询改写**

- **核心原理**: 克服用户初始提问词不达意或视角受限的问题。
- **实现指南**: 使用 `app/rag/query_transform.py` 中的 `MultiQueryGenerator` 类，配置 `num_queries=3` 生成 3 个不同角度的查询。

```python
from app.rag.query_transform import MultiQueryGenerator

generator = MultiQueryGenerator(llm=llm, num_queries=3)
queries = await generator.agenerate("如何申请项目资金？")
# 返回：["如何申请项目资金？", "项目资金申请流程是什么？", "申请项目经费需要哪些步骤？"]
```

**2. 倒数排名融合 (RRF)**

- **核心原理**: RRF (Reciprocal Rank Fusion) 是一种无需评分归一化的融合算法。公式为 `RRF_score(d) = Σ 1/(k + rank_q(d))`，有效避免某一极端检索结果主导全局。
- **实现指南**: 使用 `app/rag/fusion.py` 中的 `reciprocal_rank_fusion` 函数，配置 `k=60` 实现倒数排名融合。

```python
from app.rag.fusion import reciprocal_rank_fusion

# 多个查询的检索结果
doc_lists = [result1, result2, result3]
fused_docs = reciprocal_rank_fusion(doc_lists, k=60)
```

### Level 4: Agentic RAG / Self-RAG (智能体与自我反思)

- **核心原理**: 基于 LangGraph 的 ReAct (Reasoning and Acting) 状态机路由。大模型并非每次都去死板地执行检索，而是先判断问题："这是闲聊？还是需要查知识库？"。如果是后者，模型输出一个 `ToolCall` 指令，触发检索。
- **实现指南**: 使用 `app/rag/tools.py` 中的 `search_knowledge_base` 工具，将其绑定到 LangGraph 状态机中。

- **示意图**:

```
┌──────────┐     ┌──────────────┐     ┌──────────┐     ┌────────
│   User   │────>│ LangGraph    │────>│ RAG_Tool │────>│ Qdrant │
│          │     │ Agent        │     │          │     │        │
│ "公司报  │     │ 思考: 这是   │     │ ToolCall │     │ RAG-   │
│ 销流程？"│     │ 内部规章问题 │     │ search_  │     │ Fusion │
│          │     │ 需要查资料   │     │ knowledge│     │ & 混合 │
│          │<────│ 资料充分，   │<────│ 返回最相 │<────│ 检索   │
│ "根据知  │     │ 开始撰写回答 │     │ 关5条规定 │     │ Cross- │
│ 识库规定 │     │              │     │          │     │ Encoder│
│ ..."     │     │              │     │          │     │ 重排   │
└──────────     └──────────────     └──────────┘     └────────┘
```

### Level 5: GraphRAG 集成 (基于图和关系的 RAG)

- **核心原理**: 结合知识图谱的结构化关系和向量检索的语义相似度，解决跨文档复杂关系推理问题。
- **实现指南**:
  - 使用 `langchain_community.graphs` 模块构建知识图谱
  - 配置本地大模型（如 `Gemma-4-E4B`）用于实体关系抽取
  - 实现混合检索逻辑，结合向量相似度和图路径分析

```python
from langchain_community.graphs import Neo4jGraph
from langchain_experimental.graph_transformers import LLMGraphTransformer

# 实体关系抽取
transformer = LLMGraphTransformer(llm=local_llm)
graph_documents = transformer.convert_to_graph_documents(documents)

# 存储到图数据库
graph = Neo4jGraph(url="bolt://localhost:7687")
graph.add_graph_documents(graph_documents)
```

## 🔧 核心组件详解

### 1. 检索器 (retriever.py)

提供基于 Qdrant 的向量检索能力。

**基础检索器**：
```python
from app.rag.retriever import create_base_retriever

retriever = create_base_retriever(
    collection_name="rag_documents",
    embeddings=embeddings,
    search_kwargs={"k": 20}
)
```

**混合检索器**：
```python
from app.rag.retriever import create_hybrid_retriever

retriever = create_hybrid_retriever(
    collection_name="rag_documents",
    embeddings=embeddings,
    dense_k=10,
    sparse_k=10,
    score_threshold=0.3
)
```

### 2. 多路查询改写 (query_transform.py)

通过 LLM 将用户问题改写为多个不同版本，扩大搜索面。

```python
from app.rag.query_transform import MultiQueryGenerator

generator = MultiQueryGenerator(llm=llm, num_queries=3)
queries = await generator.agenerate("如何申请项目资金？")
```

### 3. RRF 融合算法 (fusion.py)

Reciprocal Rank Fusion 算法，公式：`RRF_score(d) = Σ 1/(k + rank_q(d))`

```python
from app.rag.fusion import reciprocal_rank_fusion

# 多个查询的检索结果
doc_lists = [result1, result2, result3]
fused_docs = reciprocal_rank_fusion(doc_lists, k=60)
```

### 4. 重排序器 (reranker.py)

使用 llama.cpp 服务的 OpenAI 兼容 Rerank API 对检索结果重排序。

```python
from app.rag.reranker import LLaMaCPPReranker

reranker = LLaMaCPPReranker(
    base_url="http://127.0.0.1:8083",
    api_key="your-api-key",
    top_n=5
)
sorted_docs = reranker.compress_documents(documents, query)
```

### 5. RAG 流水线 (pipeline.py)

组合上述组件的完整检索流水线。

```python
from app.rag.pipeline import RAGPipeline

pipeline = RAGPipeline(
    retriever=retriever,
    llm=llm,
    num_queries=3,
    rerank_top_n=5,
)

# 异步检索
docs = await pipeline.aretrieve("如何申请项目资金？")

# 格式化上下文
context = pipeline.format_context(docs)
```

## 🔄 与 Agent 系统集成

### 封装为 LangChain Tool

```python
from langchain_core.tools import tool
from app.rag.pipeline import RAGPipeline

@tool
def search_knowledge_base(query: str) -> str:
    """搜索知识库获取相关信息"""
    docs = pipeline.retrieve(query)
    return pipeline.format_context(docs)
```

### 绑定到 LangGraph

```python
from app.graph.graph_builder import GraphBuilder

# 将 RAG 工具添加到工具列表
tools = AVAILABLE_TOOLS + [search_knowledge_base]

# 构建图
builder = GraphBuilder(llm, tools, tools_by_name)
graph = builder.build().compile(checkpointer=checkpointer)
```

## ⚙️ 环境配置

| 变量名 | 说明 | 默认值 |
|:-------|:-----|:-------|
| `QDRANT_URL` | Qdrant 向量数据库地址 | `http://127.0.0.1:6333` |
| `QDRANT_API_KEY` | Qdrant API 密钥 | - |
| `LLAMACPP_RERANKER_URL` | llama.cpp 重排序服务地址 | `http://127.0.0.1:8083` |
| `LLAMACPP_API_KEY` | llama.cpp API 密钥 | - |

## 🚀 快速开始

```python
# 1. 初始化嵌入模型
from rag_core.embedders import LlamaCppEmbedder
embedder = LlamaCppEmbedder()
embeddings = embedder.as_langchain_embeddings()

# 2. 创建检索器
from app.rag.retriever import create_base_retriever
retriever = create_base_retriever(
    collection_name="rag_documents",
    embeddings=embeddings,
    search_kwargs={"k": 20}
)

# 3. 创建 RAG 流水线
from app.rag.pipeline import RAGPipeline
pipeline = RAGPipeline(
    retriever=retriever,
    llm=llm,
    num_queries=3,
    rerank_top_n=5,
)

# 4. 执行检索
docs = pipeline.retrieve("如何申请项目资金？")

# 5. 格式化上下文
context = pipeline.format_context(docs)
print(context)
```

## 📊 检索策略对比

| 策略 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|:-----|:-----|:-----|:---------|
| **基础向量检索** | 速度快，语义理解好 | 专有名词匹配差 | 通用问答 |
| **混合检索** | 语义 + 关键词匹配 | 需要配置稀疏向量 | 专业术语查询 |
| **多路改写 + RRF** | 搜索面广，结果稳定 | 延迟略高 | 复杂问题 |
| **重排序** | 精度高 | 依赖额外模型 | 最终精排 |

## 🤝 与 rag_indexer 集成

- **向量存储**：共享 Qdrant 集合，确保嵌入模型一致
- **文档存储**：使用 PostgreSQL 存储父块，通过 UUID 映射
- **集合名称**：默认使用 `rag_documents` 集合

详见 [rag_indexer/README.md](../../rag_indexer/README.md)