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文本分段Chunking综述-RAG

article 2024/10/31 15:46:34

为什么要分段？

即便大模型开始普通支持更大的上下文，但 RAG 技术目前仍然具有不可替代的价值，RAG 需要外部知识库。外部知识文档往往比较长，可能是包含几十页甚至数百页的内容，如果直接使用会存在以下问题：

大模型处理的上下文长度有限：大模型在预训练过程都有上下文长度限制，如果超过长度限制大模型会将超出部分丢弃，从而影响回答的性能表现。（注：目前很多大模型已经支持 192 K 甚至更大的超长上下文窗口+搜索增强知识库，但基于成本和性能考虑，大文档分 chunk 依然是 RAG 方案必须包含的环节）。
语义杂揉不利于任务检索：长文档中各个片段的语义之前可能存在较大的差异，如果当成一个整体来做知识检索会存在语义的杂揉，应当将长文档切分成更多的小块，促使每个小块内部表意一致，块之间表意存在多样性，从而更充分的发挥知识检索的作用

所以我们需要根据一定策略将文本切分为小块，以便适应大模型的上下文窗口，同时提高知识检索的精度。

将大文档分割成较小的分块是一项关键而复杂的任务，对 RAG 系统的性能有着重大的影响。一般地，RAG 系统旨在通过将基于检索的方法和基于生成的方法相结合，提高产出的质量和相关性。

文本分块（chunk）最核心的目的就是把相同语义的 token 聚集在一起，不同语义的 token 互相分开，利于后续的 retrieve 和 rerank。举个例子：我们有一个 word 文档，分为多个段落，每个段落都是一个问题的问答对。那么显然把一个问答对作为一个 chunk 划分是最理想的结果。

但是实际情况要复杂的多：图像的语义怎么描述？代码处理？不同类型文件差异？干扰项如何消除？表格怎么正确识别，超长段落如何处理？段落间关系怎么处理等等！

现有的分段技术

Langchain 作为一个 LLM 协调框架，内置了一些用于分块以及加载文档的工具，提供了很多可以开箱即用的 chunk 方法：

CharacterTextSplitter
RecursiveCharacterTextSplitter
Split by tokens
Semantic Chunking
HTMLHeaderTextSplitter
MarkdownHeaderTextSplitter
RecursiveJsonSplitter

幸运的是：langChain和llamaIndex已经实现了Semantic Chunk。然而不幸的是：这两者提取语义embedding用的都是openAI的接口，要收费不说，大陆地区还面临被封API的风险，所以最好自己实现Semantic Chunk的功能！

已经有许多 python 实现代码，目前滑动窗口的分段法比较受推崇。

进阶的处理框架

RAPTOR：

RAPTOR 模型提出了一种创新的策略。它通过递归地进行文本片段的向量化、聚类和摘要生成，构建了一个树状索引结构。这种结构不仅捕捉了文档的高层次主题，还保留了低层次的细节，允许基于语义相似性而非仅仅是文本顺序对节点进行分组。这样的树状结构使得 RAPTOR 能够在不同的抽象层次上加载文档的上下文片段，从而有效地回答不同层次的问题。

GraphRAG：

2024 年 4 月微软推出 GraphRAG，并于 7 月 2 日开源。GraphRAG 仍然沿袭了 RAG 的思路，即通过检索来增强模型的准确性。不过，与 RAG 不同的是，GraphRAG 还引入了“知识图谱”(Knowledge Graph) 技术，以增强模型的“检索”能力，以实现对复杂信息的高效和可靠检索，从而提高 LLM 问答系统对于复杂信息的答案生成的准确性。

大模型 RAG：文档分块方案与 RAG 全流程
原文链接： https://xie.infoq.cn/article/d15dc2f986801a54112abb338

Chunk的方法有很多，最常见的就是按照固定长度chunk，但这样做容易把同样语义的文本拦腰截断；稍微变通一点就是按照句号、分号、问号、段落分割，但这样也容易把同样语义的句子分开，和按固定长度分割没有本质区别！

怎么才能按照语义切割文本？

既然语义相似的句子一般都在附近，距离不会太远，那就近计算附近语句embedding的距离不久行了么？改进后的方案如下（核心思路是滑动窗口，为了解决差异分数中的噪声，可以采用平滑算法，窗口大小 k 决定了平滑的程度，通过分析平滑后的差距得分来识别局部极小值，这表明潜在的话题转换，可以用阈值来确定重要的边界）：

还是先简单粗暴按照句号、分号、问好、感叹号、换行符等分割文本，形成一个个的句子，用sen1、sen2、sen3. … senN表示
从sen1开始，以此和前后一个句子组合，形成combined_sentence，比如sen1+sen2 = combined_sentence1，sen1+sen2+sen3=combined_sentence2，sen2+sen3+sen4=combined_sentence3，以此类推
以此计算combined_sentence1、combined_sentence2、combined_sentence3 … combined_sentenceN之间的相似度，如果相似度突然变化，那么新加入sen的语义肯定不同，从这里截断！

举例如下：前面三个combined_sentence的距离都比较近，第4个combined_sentence和第三个的距离突然增加很多，说明sen4和sen1_{sen3之间的语义肯定差异较大，可以从sen4开始分割，sen1}sen3合并成一个chunk！

在这里插入图片描述

原文链接： LLM大模型: RAG的最优chunk方法 — 利用本地离线LLM的embedding实现Semantic Chunking

面向LLM 的分块策略

Chunking Strategies for LLM Applications | Pinecone 讨论了在构建与大型语言模型（LLM）相关的应用程序时，如何通过分块（chunking）策略来优化内容的相关性。

分块（Chunking）的重要性：
- 分块是将大型文本分解为更小的段落，以优化从向量数据库检索内容的相关性。
- 正确的分块策略可以确保搜索结果准确捕捉用户查询的精髓。
分块的应用场景：
- 语义搜索：通过有效的分块策略，可以确保搜索结果准确地反映用户查询的内容。
- 对话代理：使用嵌入的分块构建对话代理的上下文，基于知识库，确保代理基于可信信息。
分块方法：
- 固定大小分块：决定分块中的标记数量，并可选地决定分块之间是否有重叠。
- 内容感知分块：利用内容的特性进行更复杂的分块，例如句子分块、递归分块、特殊格式内容（如 Markdown 和 LaTeX）的分块。
- 语义分块：基于句子组的嵌入来创建主题或话题一致的分块。
分块考虑因素：
- 内容的性质、使用的嵌入模型、用户查询的预期长度和复杂性、检索结果在特定应用中的使用方式。
确定最佳分块大小：
- 预处理数据以确保质量。
- 选择一系列潜在的分块大小进行测试。
- 评估每种分块大小的性能，通过迭代测试不同分块大小对不同查询的性能，以确定最佳分块大小。

结论：

分块是一个简单的过程，但在特定情况下可能会面临挑战。
没有一种分块策略适用于所有情况，需要根据具体用例来确定。

上述文章发表于 23 年 6 月，内容已经有些过时：如果提示词算得上工程的话，目前分块已经复杂到算是一个工程了（知识工程？），Chunking 难度显然是大于 Prompt Engineering。

释放语义分块的力量

最大化应用潜力通常需要将大块文本分解为更易消化的部分。这个被称为语义分块的过程，在增强 ChatGPT 等模型性能和促进应用的长期记忆方面发挥了关键作用。

From Fixed-Size to NLP Chunking - A Deep Dive into Text Chunking Techniques的主要观点：

分块的重要性：分块是确保搜索结果准确捕捉用户查询本质的关键技术，有助于提高语义搜索和语言模型的性能。
影响分块策略的因素：
- 文本的大小：分块单元和大小应根据文本的性质进行调整。
- 用户查询的长度和复杂性：长查询或复杂查询通常从较小的分块长度中受益。
- 检索结果的应用：搜索结果在应用中的使用方式对分块大小有重要影响。
分块方法：介绍了多种分块方法，每种方法都有其特定的应用场景和优缺点。
添加额外上下文：通过添加元数据或摘要等形式的额外上下文，可以增加每个分块的价值，并改善对文本的整体理解。