图技术在 LLM 下的应用：知识图谱驱动的大语言模型 Llama Index

LLM 如火如荼地发展了大半年，各类大模型和相关框架也逐步成型，可被大家应用到业务实际中。在这个过程中，我们可能会遇到一类问题是：现有的哪些数据，如何更好地与 LLM 对接上。像是大家都在用的知识图谱，现在的图谱该如何借助大模型，发挥更大的价值呢？

在本文，我便会和大家分享下如何利用知识图谱构建更好的 In-context Learning 大语言模型应用。

此文最初以英文撰写的，而后我麻烦 ChatGPT 帮我翻译成了英文。下面是翻译的 prompt：

“In this thread, you are a Chinese Tech blogger to help translate my blog in markdown from English into Chinese, the blog style is clear, fun yet professional. I will paste chapters in markdown to you and you will send back the translated and polished version.”

LLM 应用的范式

作为认知智能的一大突破，LLM 已经改变了许多行业，以一种我们没有预料到的方式进行自动化、加速和启用。我们每天都会看到新的 LLN 应用被创建出来，我们仍然在探索如何利用这种魔力的新方法和用例。

将 LLM 引入流程的最典型模式之一，是要求 LLM 根据专有的/特定领域的知识理解事物。目前，我们可以向 LLM 添加两种范式以获取这些知识：微调——fine-tune 和 上下文学习—— in-context learning。

微调是指对 LLM 模型进行附加训练，以增加额外的知识；而上下文学习是在查询提示中添加一些额外的知识。

据观察，目前由于上下文学习比微调更简单，所以上下文学习比微调更受欢迎，在这篇论文中讲述了这一现象：https://arxiv.org/abs/2305.16938。

下面，我来分享 NebulaGraph 在上下文学习方法方面所做的工作。

Llama Index：数据与 LLM 之间的接口

上下文学习

上下文学习的基本思想是使用现有的 LLM（未更新）来处理特定知识数据集的特殊任务。

例如，要构建一个可以回答关于某个人的任何问题，甚至扮演一个人的数字化化身的应用程序，我们可以将上下文学习应用于一本自传书籍和 LLM。在实践中，应用程序将使用用户的问题和从书中"搜索"到的一些信息构建提示，然后查询 LLM 来获取答案。

┌───────┐         ┌─────────────────┐         ┌─────────┐
│       │         │ Docs/Knowledge  │         │         │
│       │         └─────────────────┘         │         │
│ User  │─────────────────────────────────────▶   LLM   │
│       │                                     │         │
│       │                                     │         │
└───────┘                                     └─────────┘

在这种搜索方法中，实现从文档/知识（上述示例中的那本书）中获取与特定任务相关信息的最有效方式之一是利用嵌入（Embedding）。

嵌入（Embedding）

嵌入通常指的是将现实世界的事物映射到多维空间中的向量的方法。例如，我们可以将图像映射到一个（64 x 64）维度的空间中，如果映射足够好，两个图像之间的距离可以反映它们的相似性。

嵌入的另一个例子是 word2vec 算法，它将每个单词都映射到一个向量中。例如，如果嵌入足够好，我们可以对它们进行加法和减法操作，可能会得到以下结果：

vec(apple) + vec(pie) ≈ vec("apple apie")，或者向量测量值 vec(apple) + vec(pie) - vec("apple apie") 趋近于 0：

|vec(apple) + vec(pie) - vec("apple apie")| ≈ 0

类似地，“pear” 应该比 “dinosaur” 更接近 “apple”：|vec(apple) - vec(pear)| < |vec(apple) - vec(dinosaur)|

有了这个基础，理论上我们可以搜索与给定问题更相关的书籍片段。基本过程如下：

• 将书籍分割为小片段，为每个片段创建嵌入并存储它们
• 当有一个问题时，计算问题的嵌入
• 通过计算距离找到与书籍片段最相似的前 K 个嵌入
• 使用问题和书籍片段构建提示
• 使用提示查询 LLM

                  ┌────┬────┬────┬────┐                  │ 1  │ 2  │ 3  │ 4  │                  ├────┴────┴────┴────┤                  │  Docs/Knowledge   │                  
┌───────┐         │        ...        │       ┌─────────┐
│       │         ├────┬────┬────┬────┤       │         │
│       │         │ 95 │ 96 │    │    │       │         │
│       │         └────┴────┴────┴────┘       │         │
│ User  │─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─▶   LLM   │
│       │                                     │         │
│       │                                     │         │
└───────┘    ┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐  └─────────┘│          ┌──────────────────────────┐        ▲     └────────┼▶│  Tell me ....., please   │├───────┘     └──────────────────────────┘              │ ┌────┐ ┌────┐               │             │ 3  │ │ 96 │                             │ └────┘ └────┘               │             ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ 

Llama Index

Llama Index 是一个开源工具包，它能帮助我们以最佳实践去做 in-context learning：

• 它提供了各种数据加载器，以统一格式序列化文档/知识，例如 PDF、维基百科、Notion、Twitter 等等，这样我们可以无需自行处理预处理、将数据分割为片段等操作。
• 它还可以帮助我们创建嵌入（以及其他形式的索引），并以一行代码的方式在内存中或向量数据库中存储嵌入。
• 它内置了提示和其他工程实现，因此我们无需从头开始创建和研究，例如，《用 4 行代码在现有数据上创建一个聊天机器人》。

文档分割和嵌入的问题

嵌入和向量搜索在许多情况下效果良好，但在某些情况下仍存在挑战，比如：丢失全局上下文/跨节点上下文。

想象一下，当查询"请告诉我关于作者和 foo 的事情"，在这本书中，假设编号为 1、3、6、19-25、30-44 和 96-99 的分段都涉及到 foo 这个主题。那么，在这种情况下，简单地搜索与书籍片段相关的前 k 个嵌入可能效果不尽人意，因为这时候只考虑与之最相关的几个片段（比如 k = 3），会丢失了许多上下文信息。

┌────┬────┬────┬────┐
│ 1  │ 2  │ 3  │ 4  │
├────┴────┴────┴────┤
│  Docs/Knowledge   │
│        ...        │
├────┬────┬────┬────┤
│ 95 │ 96 │    │    │
└────┴────┴────┴────┘

而解决、缓解这个问题的方法，在 Llama Index 工具的语境下，可以创建组合索引和综合索引。

其中，向量存储（VectorStore）只是其中的一部分。除此之外，我们可以定义一个摘要索引、树形索引等，以将不同类型的问题路由到不同的索引，从而避免在需要全局上下文时错失它。

然而，借助知识图谱，我们可以采取更有意思的方法：

知识图谱

知识图谱这个术语最初由谷歌在 2012 年 5 月提出，作为其增强搜索结果，向用户提供更多上下文信息的一部分实践。知识图谱旨在理解实体之间的关系，并直接提供查询的答案，而不仅仅返回相关网页的列表。

知识图谱是一种以图结构形式组织和连接信息的方式，其中节点表示实体，边表示实体之间的关系。图结构允许用户高效地存储、检索和分析数据。

它的结构如下图所示：

现在问题就来了，上面说过知识图谱能帮忙搞定文档分割和嵌入的问题。那么，知识图谱到底能怎么帮到我们呢？

嵌入和知识图谱的结合

这里的基本实现思想是，作为信息的精炼格式，知识图谱可切割的数据颗粒度比我们人工的分割的更细、更小。将知识图谱的小颗粒数据与原先人工处理的大块数据相结合，我们可以更好地搜索需要全局/跨节点上下文的查询。

下面来做个题：请看下面的图示，假设提问同 x 有关，所有数据片段中有 20 个与 x 高度相关。现在，除了获取主要上下文的前 3 个文档片段（比如编号为 1、2 和 96 的文档片段），我们还从知识图谱中对 x 进行两次跳转查询，那么完整的上下文将包括：

• 问题：“Tell me things about the author and x”
• 来自文档片段编号 1、2 和 96 的原始文档。在 Llama Index 中，它们被称为节点 1、节点 2 和节点 96。
• 包含 “x” 的知识图谱中的 10 个三元组，通过对 x 进行两层深度的图遍历得到：
  • x -> y（来自节点 1）
  • x -> a（来自节点 2）
  • x -> m（来自节点 4）
  • x <- b-> c（来自节点 95）
  • x -> d（来自节点 96）
  • n -> x（来自节点 98）
  • x <- z <- i（来自节点 1 和节点 3）
  • x <- z <- b（来自节点 1 和节点 95）

┌──────────────────┬──────────────────┬──────────────────┬──────────────────┐
│ .─.       .─.    │  .─.       .─.   │            .─.   │  .─.       .─.   │
│( x )─────▶ y )   │ ( x )─────▶ a )  │           ( j )  │ ( m )◀────( x )  │
│ `▲'       `─'    │  `─'       `─'   │            `─'   │  `─'       `─'   │
│  │     1         │        2         │        3    │    │        4         │
│ .─.              │                  │            .▼.   │                  │
│( z )◀────────────┼──────────────────┼───────────( i )─┐│                  │
│ `◀────┐          │                  │            `─'  ││                  │
├───────┼──────────┴──────────────────┴─────────────────┼┴──────────────────┤
│       │                      Docs/Knowledge           │                   │
│       │                            ...                │                   │
│       │                                               │                   │
├───────┼──────────┬──────────────────┬─────────────────┼┬──────────────────┤
│  .─.  └──────.   │  .─.             │                 ││  .─.             │
│ ( x ◀─────( b )  │ ( x )            │                 └┼▶( n )            │
│  `─'       `─'   │  `─'             │                  │  `─'             │
│        95   │    │   │    96        │                  │   │    98        │
│            .▼.   │  .▼.             │                  │   ▼              │
│           ( c )  │ ( d )            │                  │  .─.             │
│            `─'   │  `─'             │                  │ ( x )            │
└──────────────────┴──────────────────┴──────────────────┴──`─'─────────────┘

显然，那些（可能很宝贵的）涉及到主题 x 的精炼信息来自于其他节点以及跨节点的信息，都因为我们引入知识图谱，而能够被包含在 prompt 中，用于进行上下文学习，从而克服了前面提到的问题。

Llama Index 中的知识图谱进展

最初，William F.H.将知识图谱的抽象概念引入了 Llama Index，其中知识图谱中的三元组与关键词相关联，并存储在内存中的文档中，随后Logan Markewich还增加了每个三元组的嵌入。

最近的几周中，我一直在与 Llama Index 社区合作，致力于将 “GraphStore” 存储上下文引入 Llama Index，从而引入了知识图谱的外部存储。首个知识图谱的外部存储是对接开源分布式图数据库 NebulaGraph，目前在我的努力下已经实现了。

在实现过程中，还引入了遍历图的多个跳数选项以及在前 k 个节点中收集更多关键实体的选项，用于在知识图谱中搜索以获得更多全局上下文。上面提到的这些变更还在陆续完善中。

在大模型中引入 GraphStore 后，还可以从现有的知识图谱中进行上下文学习，并与其他索引结合使用，这也非常有前景。因为知识图谱被认为具有比其他结构化数据更高的信息密度。

本文作为开篇，讲述了一些知识图谱和 LLM 的关系。在后续的文章中，将会偏向实操同大家分享具体的知识图谱和 LLM 的应用实践。

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