Chat Towards Data Science｜如何用个人数据知识库构建 RAG 聊天机器人？（上）

生成式人工智能时代，开发者可以借助大语言模型（LLM）开发更智能的应用程序。然而，由于有限的知识，LLM 非常容易出现幻觉。检索增强生成（RAG）https://zilliz.com/use-cases/llm-retrieval-augmented-generation 通过为 LLM 补充外部知识，有效地解决了这一问题。

在 Chat Towards Data Science 博客系列中，我们将详细介绍如何使用个人的数据知识库构建 RAG 聊天机器人。本文是该系列的第一部分，将为大家介绍如何创建一个用于 Towards Data Science https://towardsdatascience.com/ 网站的聊天机器人，如何利用网页抓取数据、创建存储在 Zilliz Cloud https://zilliz.com.cn/ 上的知识库。

01.使用 BeautifulSoup4 抓取网页数据

所有机器学习（ML）项目的第一步都是收集所需的数据。本项目中，我们使用网页抓取技术来收集知识库数据。用 requests 库获取网页并使用 BeautifulSoup4.从网页中提取信息、解析 HTML 信息并提取段落。

导入 BeautifulSoup4 和 Requests 库进行网页抓取

运行 pip install beautifulsoup4 sentence-transformers安装 BeautifulSoup 和 Sentence Transformers。在数据抓取部分只需要导入requests和 BeautifulSoup。接下来，创建一个 dictionary，其中包含我们要抓取的 URL 格式。在本示例中，我们只从 Towards Data Science 抓取内容，同理也可以从其他网站抓取。

现在，用以下代码所示的格式从每个存档页面获取数据：

import requests
from bs4 import BeautifulSoup
urls = {
    'Towards Data Science': '<https://towardsdatascience.com/archive/{0}/{1:02d}/{2:02d}>'
    }

此外，我们还需要两个辅助函数来进行网页抓取。第一个函数将一年中的天数转换为月份和日期格式。第二个函数从一篇文章中获取点赞数。

天数转换函数相对简单。写死每个月的天数，并使用该列表进行转换。由于本项目仅抓取 2023 年数据，因此我们不需要考虑闰年。如果您愿意，可以根据不同的年份进行修改每个月天数。

点赞计数函数统计 Medium 上文章的点赞数，单位为 “K” （1K=1000）。因此，在函数中需要考虑点赞数中的单位“K”。

def convert_day(day):
    month_list = [31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31]
    m = 0
    d = 0
    while day > 0:
        m += 1
        d = day
        day -= month_list[m-1]
    return (m, d)

def get_claps(claps_str):
    if (claps_str is None) or (claps_str == '') or (claps_str.split is None):
        return 0
    split = claps_str.split('K')
    claps = float(split[0])
    return int(claps*1000) if len(split) == 2 else int(claps)

解析 BeautifulSoup4 的网页抓取响应

现在已经设置好必要的组件，可以进行网页抓取。为了避免在过程中遇到 429 错误（请求过多），我们使用 time 库，在发送请求之间引入延迟。此外，用 sentence transformers 库从 Hugging Face 获取 embedding 模型—— MiniLM 模型。

如前所述，我们只抓取了 2023 年的数据，所以将年份设置为 2023。此外，只需要从第 1 天（1 月 1 日）到第 244 天（8 月 31 日）的数据。根据设定的天数进行循环，每个循环在第一次调用time.sleep()之前会首先设置必要的组件。我们会把天数转换成月份和日期，并转成字符串，然后根据 urls 字典组成完整的 URL，最后发送请求获取 HTML 响应。

获取 HTML 响应之后，使用 BeautifulSoup 进行解析，并搜索具有特定类名（在代码中指示）的div元素，该类名表示它是一篇文章。我们从中解析标题、副标题、文章 URL、点赞数、阅读时长和回应数。随后，再次使用requests来获取文章的内容。每次通过请求获取文章内容后，都会再次调用time.sleep()。此时，我们已经获取了大部分所需的文章元数据。提取文章的每个段落，并使用我们的 HuggingFace 模型获得对应的向量。接着，创建一个字典包含该文章段落的所有元信息。

import time
from sentence_transformers import SentenceTransformer

model = SentenceTransformer("sentence-transformers/all-MiniLM-L12-v2")
data_batch = []
year = 2023
for i in range(1, 243):
    month, day = convert_day(i)
    date = '{0}-{1:02d}-{2:02d}'.format(year, month, day)
    for publication, url in urls.items():
        response = requests.get(url.format(year, month, day), allow_redirects=True)
        if not response.url.startswith(url.format(year, month, day)):
            continue
        time.sleep(8)
        soup = BeautifulSoup(response.content, 'html.parser')
        articles = soup.find_all("div","postArticle postArticle--short js-postArticle js-trackPostPresentation js-trackPostScrolls")
        for article in articles:
            title = article.find("h3", class_="graf--title")
            if title is None:
                continue
            title = str(title.contents[0]).replace(u'\\\\xA0', u' ').replace(u'\\\\u200a', u' ')
            subtitle = article.find("h4", class_="graf--subtitle")
            subtitle = str(subtitle.contents[0]).replace(u'\\\\xA0', u' ').replace(u'\\\\u200a', u' ') if subtitle is not None else ''
            article_url = article.find_all("a")[3]['href'].split('?')[0]
            claps = get_claps(article.find_all("button")[1].contents[0])
            reading_time = article.find("span", class_="readingTime")
            reading_time = int(reading_time['title'].split(' ')[0]) if reading_time is not None else 0
            responses = article.find_all("a", class_="button")
            responses = int(responses[6].contents[0].split(' ')[0]) if len(responses) == 7 else (0 if len(responses) == 0 else int(responses[0].contents[0].split(' ')[0]))
            article_res = requests.get(article_url)
            time.sleep(8)
            paragraphs = BeautifulSoup(article_res.content, 'html.parser').find_all("[class*=\\\\"pw-post-body-paragraph\\\\"]")
            for i, paragraph in enumerate(paragraphs):
                embedding = model.encode([paragraph.text])[0].tolist()
                data_batch.append({
                    "_id": f"{article_url}+{i}",
                    "article_url": article_url,
                    "title": title,
                    "subtitle": subtitle,
                    "claps": claps,
                    "responses": responses,
                    "reading_time": reading_time,
                    "publication": publication,
                    "date": date,
                    "paragraph": paragraph.text,
                    "embedding": embedding
                })

最后一步是使用 pickle 处理文件。

filename = "TDS_8_30_2023"
with open(f'{filename}.pkl', 'wb') as f:
    pickle.dump(data_batch, f)

数据呈现

数据可视化十分有用。下面是在 Zilliz Cloud 中数据的样子。请注意其中的 embedding，这些数据表示了文档向量，也就是我们根据文章段落生成的向量。

02.将 TDS 数据导入到向量数据库中

获取数据后，下一步是将其导入到向量数据库中。在本项目中，我们使用了一个单独的 notebook 将数据导入到 Zilliz Cloud，而不是从 Towards Data Science 进行网页抓取。

要将数据插入 Zilliz Cloud，需按照以下步骤进行操作：

• 连接到 Zilliz Cloud

• 定义 Collection 的参数

• 将数据插入 Zilliz Cloud

设置 Jupyter Notebook

运行 pip install pymilvus python-dotenv 来设置 Jupyter Notebook 并启动数据导入过程。用 dotenv 库来管理环境变量。对于pymilvus包，需要导入以下模块：

• utility 用于检查集合的状态

• connections 用于连接到 Milvus 实例

• FieldSchema 用于定义字段的 schema

• CollectionSchema 用于定义 collection schema

• DataType 字段中存储的数据类型

• Collection 我们访问 collection 的方式

然后，打开之前 pickle 的数据，获取环境变量，并连接到 Zilliz Cloud。

import pickle
import os
from dotenv import load_dotenv
from pymilvus import utility, connections, FieldSchema, CollectionSchema, DataType, Collection


filename="TDS_8_30_2023"
with open(f'{filename}.pkl', 'rb') as f:
    data_batch = pickle.load(f)

zilliz_uri = "your_zilliz_uri"
zilliz_token = "your_zilliz_token"
connections.connect(
    uri= zilliz_uri,
    token= zilliz_token
)

设置 Zilliz Cloud 向量数据库并导入数据

接下来，需要设置 Zilliz Cloud。我们必须创建一个 Collection 来存储和组织从 TDS 网站抓取的数据。需要两个常量：dimension（维度）和 collection name（集合名称），dimension 是指我们的向量具有的维度数。在本项目中，我们使用 384 维的 MiniLM 模型。

Milvus 的全新 Dynamic schema https://milvus.io/docs/dynamic_schema.md#Dynamic-Schema 功能允许我们仅为 Collection 设置 ID 和向量字段，无需考虑其他字段数量和数据类型。注意，需要记住保存的特定字段名称，因为这对于正确检索字段至关重要。

DIMENSION=384
COLLECTION_NAME="tds_articles"
fields = [
    FieldSchema(name='id', dtype=DataType.VARCHAR, max_length=200, is_primary=True),
    FieldSchema(name='embedding', dtype=DataType.FLOAT_VECTOR, dim=DIMENSION)
]
schema = CollectionSchema(fields=fields, enable_dynamic_field=True)
collection = Collection(name=COLLECTION_NAME, schema=schema)
index_params = {
    "index_type": "AUTO_INDEX",
    "metric_type": "L2",
    "params": {"nlist": 128},
}
collection.create_index(field_name="embedding", index_params=index_params)

Collection 有两种插入数据的选项：

• 遍历数据并逐个插入每个数据

• 批量插入数据

在插入所有数据之后，重要的是刷新集合以进行索引并确保一致性，导入大量数据可能需要一些时间。

for data in data_batch:
    collection.insert([data])
collection.flush()

03.查询 TDS 文章片段

一切准备就绪后，就可以进行查询了。

获取 HuggingFace 模型并设置 Zilliz Cloud 查询

注意，必须获取 embedding 模型并设置向量数据库以查询 Towards Data Science 知识库。这一步使用了一个单独的笔记本。我们将使用dotenv库来管理环境变量。此外，还需要使用 Sentence Transformers 中的 MiniLM 模型。这一步中，可以重用 Web Scraping 部分提供的代码。

import os
from dotenv import load_dotenv
from pymilvus import connections, Collection


zilliz_uri = "your_zilliz_uri"
zilliz_token = "your_zilliz_token"


from sentence_transformers import SentenceTransformer


model = SentenceTransformer("sentence-transformers/all-MiniLM-L12-v2")

执行向量搜索查询

连接到向量数据库并执行搜索。在本项目中，我们将连接到一个 Zilliz Cloud 实例，并检索之前创建的集合 tds_articles，用户要先输入他们的查询问题。

接下来，使用 Hugging Face 的 embedding 模型对查询进行编码。这个过程将用户的问题转换为一个 384 维的向量。然后，使用这个编码后的查询向量来搜索向量数据库。在搜索过程中，需要指定进行 ANN 查询字段（anns_field）、索引参数、期望的搜索结果数量限制以及我们想要的输出字段（output fields）。

之前，我们用了 Milvus 的 Dynamic Schema 特性来简化字段 Schema 定义流程。搜索向量数据库时，包括所需的动态字段在搜索结果中是必要的。这个特定的场景涉及请求paragraph字段，其中包含文章中每个段落的文本。

connections.connect(uri=zilliz_uri, token=zilliz_token)
collection = Collection(name="tds_articles")
query = input("What would you like to ask Towards Data Science's 2023 publications up to September? ")
embedding = model.encode(query)
closest = collection.search([embedding],
    anns_field='embedding',
    param={"metric_type": "L2",
        "params": {"nprobe": 16}},
    limit=2,
    output_fields=["paragraph"])
print(closest[0][0])
print(closest[0][1])

比如，我在应用中查询大语言模型相关的信息，返回了以下两个回答。尽管这些回答提到了“语言模型”并包含一些相关信息，但它们没有提供关于大型语言模型的详细解释。第二个回答在语义上相似，但是不足够接近我们想要的内容。

04.给向量数据库知识库添加内容

到目前为止，我们使用 Zilliz Cloud 作为向量数据库在 TDS 文章上创建了一个知识库。虽然能够轻松地检索语义上相似的搜索结果，但还没有达到我们的期望。下一步是通过加入新的框架和技术来增强我们的结果。

05.总结

本教程介绍了如何基于 Towards Data Science 文章构建聊天机器人。我们演示了网页爬取的过程，创建了知识库，包括将文本转换成向量存储在 Zilliz Cloud 中。然后，我们演示了如何提示用户进行查询，将查询转化为向量，并查询向量数据库。

不过，虽然结果在语义上相似，但并不完全符合我们的期望。在本系列的下一篇中，我们将探讨使用 LlamaIndex 来优化查询。除了这里讨论的步骤之外，大家也可以结合 Zilliz Cloud 尝试替换模型、合并文本或使用其他数据集。