Spring AI与RAG技术实战:构建企业级智能文档问答系统

构建企业级智能问答系统实战指南

Spring AI与RAG技术实战:构建企业级智能文档问答系统

引言

在人工智能技术飞速发展的今天,如何将AI能力有效集成到企业应用中成为了技术团队面临的重要挑战。Spring AI作为Spring生态系统中的AI集成框架,结合RAG(检索增强生成)技术,为企业构建智能文档问答系统提供了强大的技术支撑。本文将深入探讨如何使用Spring AI和RAG技术构建高效、准确的企业级智能问答系统。

技术架构概述

核心组件

  1. Spring AI框架:提供统一的AI模型接入和调用接口
  2. RAG架构:检索增强生成技术,结合向量数据库和语义搜索
  3. 向量数据库:使用Milvus或Chroma存储文档向量
  4. Embedding模型:OpenAI或Ollama提供的文本向量化能力
  5. Spring Boot:作为应用基础框架

系统架构设计

用户请求 → Spring Boot应用 → 语义检索模块 → 向量数据库
                                   ↓
                           上下文增强 → AI模型 → 响应生成

环境准备与依赖配置

Maven依赖配置

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.ai</groupId>
        <artifactId>spring-ai-openai-spring-boot-starter</artifactId>
        <version>0.8.1</version>
    </dependency>
    
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    </dependency>
    
    <dependency>
        <groupId>io.milvus</groupId>
        <artifactId>milvus-sdk-java</artifactId>
        <version>2.3.4</version>
    </dependency>
    
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
    </dependency>
</dependencies>

应用配置

spring:
  ai:
    openai:
      api-key: ${OPENAI_API_KEY}
      chat:
        options:
          model: gpt-3.5-turbo
          temperature: 0.7
  
  data:
    redis:
      host: localhost
      port: 6379

milvus:
  host: localhost
  port: 19530

核心功能实现

1. 文档处理与向量化

@Service
public class DocumentProcessor {
    
    @Autowired
    private EmbeddingClient embeddingClient;
    
    @Autowired
    private MilvusService milvusService;
    
    public void processDocument(String documentContent, String documentId) {
        // 文档分块处理
        List<String> chunks = splitDocument(documentContent);
        
        // 生成向量嵌入
        List<List<Double>> embeddings = generateEmbeddings(chunks);
        
        // 存储到向量数据库
        storeInVectorDB(chunks, embeddings, documentId);
    }
    
    private List<String> splitDocument(String content) {
        // 实现文档分块逻辑,每块约500字
        return TextSplitter.splitByLength(content, 500);
    }
    
    private List<List<Double>> generateEmbeddings(List<String> chunks) {
        return embeddingClient.embed(chunks);
    }
    
    private void storeInVectorDB(List<String> chunks, 
                                List<List<Double>> embeddings, 
                                String documentId) {
        milvusService.insertVectors(chunks, embeddings, documentId);
    }
}

2. 语义检索模块

@Service
public class SemanticSearchService {
    
    @Autowired
    private EmbeddingClient embeddingClient;
    
    @Autowired
    private MilvusService milvusService;
    
    public List<SearchResult> searchRelevantContent(String query, int topK) {
        // 生成查询向量
        List<Double> queryVector = embeddingClient.embed(query);
        
        // 在向量数据库中搜索相似内容
        return milvusService.searchSimilarVectors(queryVector, topK);
    }
    
    public class SearchResult {
        private String content;
        private double similarity;
        private String documentId;
        
        // getters and setters
    }
}

3. RAG问答服务

@Service
public class RAGQuestionAnsweringService {
    
    @Autowired
    private ChatClient chatClient;
    
    @Autowired
    private SemanticSearchService searchService;
    
    public String answerQuestion(String question) {
        // 检索相关文档内容
        List<SearchResult> relevantContents = 
            searchService.searchRelevantContent(question, 5);
        
        // 构建增强的提示词
        String enhancedPrompt = buildEnhancedPrompt(question, relevantContents);
        
        // 调用AI模型生成回答
        return chatClient.generate(enhancedPrompt);
    }
    
    private String buildEnhancedPrompt(String question, 
                                      List<SearchResult> relevantContents) {
        StringBuilder prompt = new StringBuilder();
        prompt.append("请基于以下上下文信息回答问题:\n\n");
        
        for (SearchResult result : relevantContents) {
            prompt.append("上下文:").append(result.getContent()).append("\n\n");
        }
        
        prompt.append("问题:").append(question).append("\n\n");
        prompt.append("请提供准确、详细的回答:");
        
        return prompt.toString();
    }
}

4. REST API控制器

@RestController
@RequestMapping("/api/rag")
public class RAGController {
    
    @Autowired
    private RAGQuestionAnsweringService qaService;
    
    @Autowired
    private DocumentProcessor documentProcessor;
    
    @PostMapping("/ask")
    public ResponseEntity<String> askQuestion(@RequestBody QuestionRequest request) {
        try {
            String answer = qaService.answerQuestion(request.getQuestion());
            return ResponseEntity.ok(answer);
        } catch (Exception e) {
            return ResponseEntity.status(HttpStatus.INTERNAL_SERVER_ERROR)
                .body("处理问题时发生错误:" + e.getMessage());
        }
    }
    
    @PostMapping("/document")
    public ResponseEntity<String> processDocument(@RequestBody DocumentRequest request) {
        try {
            documentProcessor.processDocument(
                request.getContent(), 
                request.getDocumentId()
            );
            return ResponseEntity.ok("文档处理成功");
        } catch (Exception e) {
            return ResponseEntity.status(HttpStatus.INTERNAL_SERVER_ERROR)
                .body("文档处理失败:" + e.getMessage());
        }
    }
    
    public static class QuestionRequest {
        private String question;
        // getter and setter
    }
    
    public static class DocumentRequest {
        private String content;
        private String documentId;
        // getters and setters
    }
}

高级特性实现

1. 对话记忆管理

@Service
public class ConversationMemoryService {
    
    @Autowired
    private RedisTemplate<String, Object> redisTemplate;
    
    private static final String CONVERSATION_PREFIX = "conv:";
    
    public void saveConversationTurn(String sessionId, 
                                    String userMessage, 
                                    String aiResponse) {
        ConversationTurn turn = new ConversationTurn(userMessage, aiResponse);
        redisTemplate.opsForList().rightPush(
            CONVERSATION_PREFIX + sessionId, 
            turn
        );
        
        // 保持最近10轮对话
        redisTemplate.opsForList().trim(
            CONVERSATION_PREFIX + sessionId, 
            -10, 
            -1
        );
    }
    
    public List<ConversationTurn> getConversationHistory(String sessionId) {
        return redisTemplate.opsForList().range(
            CONVERSATION_PREFIX + sessionId, 
            0, 
            -1
        );
    }
    
    public static class ConversationTurn {
        private String userMessage;
        private String aiResponse;
        private LocalDateTime timestamp;
        
        public ConversationTurn(String userMessage, String aiResponse) {
            this.userMessage = userMessage;
            this.aiResponse = aiResponse;
            this.timestamp = LocalDateTime.now();
        }
        // getters
    }
}

2. 智能代理(Agent)框架

@Component
public class IntelligentAgent {
    
    @Autowired
    private RAGQuestionAnsweringService qaService;
    
    @Autowired
    private ConversationMemoryService memoryService;
    
    @Autowired
    private List<AgentTool> tools;
    
    public String processRequest(String sessionId, String userInput) {
        // 获取对话历史
        List<ConversationTurn> history = 
            memoryService.getConversationHistory(sessionId);
        
        // 分析用户意图
        AgentIntent intent = analyzeIntent(userInput, history);
        
        // 根据意图选择处理方式
        String response;
        if (intent.requiresToolExecution()) {
            response = executeTool(intent, userInput);
        } else {
            response = qaService.answerQuestion(userInput);
        }
        
        // 保存对话记录
        memoryService.saveConversationTurn(sessionId, userInput, response);
        
        return response;
    }
    
    private AgentIntent analyzeIntent(String userInput, 
                                     List<ConversationTurn> history) {
        // 实现意图分析逻辑
        return new AgentIntent();
    }
    
    private String executeTool(AgentIntent intent, String userInput) {
        // 根据意图选择合适的工具执行
        return "工具执行结果";
    }
}

性能优化与监控

1. 缓存策略

@Configuration
@EnableCaching
public class CacheConfig {
    
    @Bean
    public CacheManager cacheManager() {
        CaffeineCacheManager cacheManager = new CaffeineCacheManager();
        cacheManager.setCaffeine(Caffeine.newBuilder()
            .expireAfterWrite(10, TimeUnit.MINUTES)
            .maximumSize(1000));
        return cacheManager;
    }
}

@Service
public class CachedEmbeddingService {
    
    @Autowired
    private EmbeddingClient embeddingClient;
    
    @Cacheable(value = "embeddings", key = "#text")
    public List<Double> getCachedEmbedding(String text) {
        return embeddingClient.embed(text);
    }
}

2. 监控指标

@Component
public class RAGMetrics {
    
    private final MeterRegistry meterRegistry;
    
    private final Counter successfulQueries;
    private final Counter failedQueries;
    private final Timer responseTimeTimer;
    
    public RAGMetrics(MeterRegistry meterRegistry) {
        this.meterRegistry = meterRegistry;
        this.successfulQueries = meterRegistry.counter("rag.queries.successful");
        this.failedQueries = meterRegistry.counter("rag.queries.failed");
        this.responseTimeTimer = meterRegistry.timer("rag.response.time");
    }
    
    public void recordSuccess() {
        successfulQueries.increment();
    }
    
    public void recordFailure() {
        failedQueries.increment();
    }
    
    public Timer.Sample startTimer() {
        return Timer.start(meterRegistry);
    }
    
    public void stopTimer(Timer.Sample sample) {
        sample.stop(responseTimeTimer);
    }
}

部署与运维

Docker容器化部署

FROM openjdk:17-jdk-slim

WORKDIR /app

COPY target/rag-system.jar app.jar

EXPOSE 8080

ENTRYPOINT ["java", "-jar", "app.jar"]

Kubernetes部署配置

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: rag-system
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: rag-system
  template:
    metadata:
      labels:
        app: rag-system
    spec:
      containers:
      - name: rag-app
        image: rag-system:latest
        ports:
        - containerPort: 8080
        env:
        - name: OPENAI_API_KEY
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: api-secrets
              key: openai-api-key
        resources:
          requests:
            memory: "512Mi"
            cpu: "250m"
          limits:
            memory: "1Gi"
            cpu: "500m"
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: rag-service
spec:
  selector:
    app: rag-system
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 8080

测试策略

单元测试

@SpringBootTest
@ActiveProfiles("test")
public class RAGServiceTest {
    
    @Autowired
    private RAGQuestionAnsweringService qaService;
    
    @MockBean
    private SemanticSearchService searchService;
    
    @Test
    public void testAnswerQuestionWithContext() {
        // 模拟搜索返回结果
        when(searchService.searchRelevantContent(anyString(), anyInt()))
            .thenReturn(Arrays.asList(
                new SearchResult("Spring AI提供了统一的AI模型接入接口", 0.85, "doc1")
            ));
        
        String answer = qaService.answerQuestion("什么是Spring AI?");
        
        assertNotNull(answer);
        assertTrue(answer.contains("Spring AI"));
    }
}

集成测试

@SpringBootTest(webEnvironment = SpringBootTest.WebEnvironment.RANDOM_PORT)
public class RAGControllerIntegrationTest {
    
    @LocalServerPort
    private int port;
    
    @Autowired
    private TestRestTemplate restTemplate;
    
    @Test
    public void testAskEndpoint() {
        QuestionRequest request = new QuestionRequest();
        request.setQuestion("如何配置Spring AI?");
        
        ResponseEntity<String> response = restTemplate.postForEntity(
            "http://localhost:" + port + "/api/rag/ask",
            request,
            String.class
        );
        
        assertEquals(HttpStatus.OK, response.getStatusCode());
        assertNotNull(response.getBody());
    }
}

总结与展望

本文详细介绍了如何使用Spring AI和RAG技术构建企业级智能文档问答系统。通过结合向量数据库、语义搜索和大型语言模型,我们能够创建出准确、高效的问答系统。关键优势包括:

  1. 准确性提升:RAG技术有效减少了AI幻觉问题
  2. 可扩展性:模块化设计便于功能扩展和维护
  3. 性能优化:缓存策略和监控机制保障系统稳定运行
  4. 企业级特性:支持多租户、权限控制等企业需求

未来可以进一步探索的方向包括多模态支持、实时学习更新、以及更复杂的Agent工作流设计。Spring AI生态的持续发展将为构建更强大的AI应用提供更多可能性。

【直流微电网】径向直流微电网的状态空间建模线性化:一种耦合DC-DC变换器状态空间平均模型的方法 (Matlab代码实现)内容概要:本文介绍了径向直流微电网的状态空间建模线性化方法,重点提出了一种基于耦合DC-DC变换器状态空间平均模型的建模策略。该方法通过对系统中多个相互耦合的DC-DC变换器进行统一建模,构建出整个微电网的集中状态空间模型,并在此基础上实施线性化处理,便于后续的小信号分析稳定性研究。文中详细阐述了建模过程中的关键步骤,包括电路拓扑分析、状态变量选取、平均化处理以及雅可比矩阵的推导,最终通过Matlab代码实现模型仿真验证,展示了该方法在动态响应分析和控制器设计中的有效性。; 适合人群:具备电力电子、自动控制理论基础,熟悉Matlab/Simulink仿真工具,从事微电网、新能源系统建模控制研究的研究生、科研人员及工程技术人员。; 使用场景及目标:①掌握直流微电网中多变换器系统的统一建模方法;②理解状态空间平均法在非线性电力电子系统中的应用;③实现系统线性化并用于稳定性分析控制器设计;④通过Matlab代码复现和扩展模型,服务于科研仿真教学实践。; 阅读建议:建议读者结合Matlab代码逐步理解建模流程,重点关注状态变量的选择平均化处理的数学推导,同时可尝试修改系统参数或拓扑结构以加深对模型通用性和适应性的理解。
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