RAG实践：ES混合搜索BM25+kNN(cosine)

1 缘起

最近在研究与应用混合搜索，
存储介质为ES，ES作为大佬牌数据库，
非常友好地支持关键词检索和向量检索，
当然，支持混合检索（关键词检索+向量检索），
是提升LLM响应质量RAG(Retrieval-augmented Generation)的一种技术手段，
那么，如何通过ES实现混合搜索呢？
请看本篇文章。

本系列分为两大部分：实践和理论。
先讲实践，应对快速开发迭代，可快速上手实践；
再讲理论，应对优化，如归一化。

在这里插入图片描述

2 实践

2.1 环境准备

2.1.1 部署ES

下载ES镜像：8.12.2版本

docker pull docker.elastic.co/elasticsearch/elasticsearch:8.12.2

下载ik分词器
https://github.com/infinilabs/analysis-ik/releases
选择与ES版本一致或者可用的版本，这里选择8.12.2版本分词器。

在这里插入图片描述

添加分词器
将分词器文件添加到目录：/home/xindaqi/data/es-8-12-2/plugins
新建分词器文件夹：mkdir -p /home/xindaqi/data/es-8-12-2/plugins/ik_analyzer_8.12.2
将zip文件复制到文件夹：ik_analyzer_8.12.2
启动ES

docker run -dit \
--restart=always \
--name es01-8-12-2 \
-p 9200:9200 \
-p 9300:9300 \
-v /home/xindaqi/data/es-8-12-2/data:/usr/share/elasticsearch/data \
-v /home/xindaqi/data/es-8-12-2/logs:/usr/share/elasticsearch/logs \
-v /home/xindaqi/data/es-8-12-2/plugins:/usr/share/elasticsearch/plugins \
-e ES_JAVA_OPS="-Xms512m -Xmx1g" \
-e discovery.type="single-node" \
-e ELASTIC_PASSWORD="admin-es" \
-m 1GB \
docker.elastic.co/elasticsearch/elasticsearch:8.12.2

2.1.2 数据准备

实践之前，需要准备数据，包括索引和索引中存储的数据。
为了演示混合搜索，这里创建两种类型的数据：text和dense_vector。

（1）创建索引

curl -X 'PUT' \
  'http://localhost:9200/vector_5' \
  -H 'accept: application/json' \
  -H 'Content-Type: application/json' \
  -H 'Authorization: Basic ZWxhc3RpYzphZG1pbi1lcw==' \
  -d '{
    "settings": {
		"index": {
			"number_of_shards": 1,
			"number_of_replicas": 1,
			"refresh_interval": "3s"
		}
	},
	"mappings": {
		"properties": {
			"dense_values": {
				"type": "dense_vector",
				"dims": 5,
				"index": true,
				"similarity": "cosine"
			},
			"id": {
				"type": "keyword"
			},
			"ik_text": {
				"type": "text",
        "analyzer": "ik_max_word"
			},
      "default_text": {
				"type": "text"
			},
			"timestamp": {
				"type": "long"
			},
			"dimensions": {
				"type": "integer"
			}
		}
	}
}'

（2）新建数据

新建两条数据：

curl -X POST 'http://localhost:9200/vector_5/_doc/1' \
--header 'Content-Type: application/json' \
--header 'Authorization: Basic ZWxhc3RpYzphZG1pbi1lcw==' \
--data '{
    "dense_values": [0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5],
    "id": "1",
    "ik_text": "今天去旅游了",
    "default_text":"今天去旅游了",
    "timestamp": 1715659103373,
    "dimensions": 5
}'

curl -X POST 'http://localhost:9200/vector_5/_doc/2' \
--header 'Content-Type: application/json' \
--header 'Authorization: Basic ZWxhc3RpYzphZG1pbi1lcw==' \
--data '{
    "dense_values": [0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5],
    "id": "1",
    "ik_text": "好美的太阳",
    "default_text":"好美的太阳",
    "timestamp": 1715659103373,
    "dimensions": 5
}'

2.2 向量搜索

kNN搜索

ES中向量搜索使用k-Nearest Neighbor（k最近邻分类算法）进行搜索。
输入的请求参数如下：

参数	参数	描述
knn	向量搜索k-Nearest Neighbor
	field	向量字段名称
	query_vector	向量值
	k	召回结果数量
	num_candidates	召回范围，每个分片选取的数量

请求样例如下：
由样例可知，存储向量数据的字段名称为：dense_values，填充向量值字段为query_vector（为固定属性），召回结果k为3个，每个分片选择100条数据（num_candidates），最大值为：10000。
实际应用过程中，又有向量数据较多（依据维度而定），为节约内存，检索时，在结果中排除，excludes。

curl -X POST 'http://localhost:9200/vector_5/_search' \
--header 'Content-Type: application/json' \
--header 'Authorization: Basic ZWxhc3RpYzphZG1pbi1lcw==' \
--data '{
  "knn": {
    "field": "dense_values",
    "query_vector": [
      0.1,
      0.1,
      0.1,
      0.1,
      0.1
    ],
    "k": 3,
    "num_candidates": 100
  },
  "_source": {
    "excludes": [
      "dense_values"
    ]
  }
}'

检索结果如下，
由于创建过程中使用的向量数据相同，因此计算的结果也是相同的，
使用

{
    "took": 2,
    "timed_out": false,
    "_shards": {
        "total": 1,
        "successful": 1,
        "skipped": 0,
        "failed": 0
    },
    "hits": {
        "total": {
            "value": 2,
            "relation": "eq"
        },
        "max_score": 0.8427159,
        "hits": [
            {
                "_index": "vector_5",
                "_id": "1",
                "_score": 0.8427159,
                "_source": {
                    "id": "1",
                    "ik_text": "今天去旅游了",
                    "default_text": "今天去旅游了",
                    "timestamp": 1715659103373,
                    "dimensions": 5
                }
            },
            {
                "_index": "vector_5",
                "_id": "2",
                "_score": 0.8427159,
                "_source": {
                    "id": "1",
                    "ik_text": "好美的太阳",
                    "default_text": "好美的太阳",
                    "timestamp": 1715659103373,
                    "dimensions": 5
                }
            }
        ]
    }
}

2.2 混合搜索

混合搜索即将搜索拆分成多个部分，每个部分使用不同的权重，实现混合搜索的效果。
ES中使用boost参数来分配不同部分的权重，搜索案例如下。
由案例可知，混合搜索使用关键词+向量搜索，关键词b1与向量总权重b2，其中b1+b2=1，
案例中关键词权重为0.6，向量权重0.4，
关键词搜索将搜索的内容映射到query上，权重映射到boost上，
default_text为实际存储的属性名称。

curl -X POST 'http://localhost:9200/vector_5/_search' \
--header 'Content-Type: application/json' \
--header 'Authorization: Basic ZWxhc3RpYzphZG1pbi1lcw==' \
--data '{
    "query": {
        "bool": {
            "must": [
                {
                    "match": {
                        "default_text": {
                            "query": "好美的太阳",
                            "boost": 0.6
                        }
                    }
                }
            ]
        }
    },
    "knn": {
        "field": "dense_values",
        "query_vector": [
           0.1,
           0.1,
           0.1,
           0.1,
           0.1
        ],
        "k": 3,
        "num_candidates": 100,
        "boost": 0.4
    },
    "_source": {
        "excludes": [
            "dense_values"
        ]
    }
}'