使用 Milvus Hybrid Search Retriever 实现混合向量检索

技术背景介绍

Milvus 是一个开源的向量数据库,专为嵌入相似度搜索和AI应用而构建。它通过提供统一的用户体验,简化了对非结构化数据的搜索,不论部署环境如何。Milvus 的混合搜索功能将稠密和稀疏向量搜索的优势结合在一起,为复杂搜索任务提供了更好的解决方案。

核心原理解析

Milvus 的混合搜索利用了稠密向量和稀疏向量的独特优势。稠密向量通常由深度学习模型生成,例如 OpenAI 提供的嵌入,而稀疏向量则可以通过经典信息检索算法如 BM25 生成。通过将这两种方法结合,Milvus 可以实现更加准确和高效的搜索结果。

代码实现演示

下面是如何使用 Milvus 实现混合向量检索的完整示例。

from langchain_core.output_parsers import StrOutputParser
from langchain_core.prompts import PromptTemplate
from langchain_core.runnables import RunnablePassthrough
from langchain_milvus.retrievers import MilvusCollectionHybridSearchRetriever
from langchain_milvus.utils.sparse import BM25SparseEmbedding
from langchain_openai import ChatOpenAI, OpenAIEmbeddings
from pymilvus import (
    Collection,
    CollectionSchema,
    DataType,
    FieldSchema,
    WeightedRanker,
    connections,
)

# 确保已经安装必要的包
# %pip install --upgrade --quiet pymilvus[model] langchain-milvus langchain-openai

# 初始化 Milvus 连接
CONNECTION_URI = "http://localhost:19530"
connections.connect(uri=CONNECTION_URI)

# 定义字段和数据类型
fields = 
<think> 嗯,用户想了解混合检索的方式和具体方案,需要详细介绍。之前对话历史提到用户要求所有数学公式用$...$格式,回答用中文,还要生成相关问题。另外,这次用户特别强调参考站内引用,但提醒引用仅供参考,要结合用户真正的需求。 用户提供的三个引用内容很重要。引用[1]说明混合检索结合了全文检索向量检索的优势,是RAG架构的核心技术。引用[2]具体解释混合检索结合稀疏检索(如BM25)和密集检索(如BERT),先快速筛选再精确排序,并列出优缺点。引用[3]则展示ES中实现向量字段检索的技术方案,用script_score查询加权计算相似度。 用户明确表示这些引用不是最终需求,需要更多关注"混合检索的方式及具体方案详细介绍",所以思考重点放在技术原理和实现方案上。混合检索的核心是分阶段处理:先用BM25这类快速检索缩小范围,再用神经网络模型精排。这种架构平衡效率和精度,特别适合企业级应用。 在具体方案部分,准备详细展开三层架构:数据预处理层要处理文本分块和多向量生成,索引层需构建双索引结构,查询层重点设计路由策略和分数融合。Elasticsearch的script_score示例很实用,考虑用加权求和公式$s_{\text{混合}} = \alpha \cdot \text{BM25}(q,d) + \beta \cdot \cos(\vec{v_q},\vec{v_d})$来说明分数融合方法。 技术选型方面,Dense Retriever备选方案包括DPR、ANCE等,Sparse Retriever除了BM25还有SPLADE这类可学习权重的方法。优化点考虑加入重排序模块,用Cross-Encoder进一步提升精度。 最后生成的问题要覆盖用户可能的延伸需求:应用场景(如电商搜索)、开源框架(Haystack)、性能优化(缓存机制)等。这些问题能帮助用户深化理解混合检索的工程实践。 </think> 混合检索通过**多层次检索架构**实现效率与精度的平衡,以下从技术原理、核心方案和实施细节三方面展开详解: --- ### 一、混合检索技术原理 1. **双引擎协同机制** - **稀疏检索(Sparse Retrieval)** 使用词频统计模型(如BM25算法)计算查询词$q$与文档$d$的相关性得分: $$\text{BM25}(q,d) = \sum_{t \in q} \text{IDF}(t) \cdot \frac{f_{t,d} \cdot (k_1 + 1)}{f_{t,d} + k_1 \cdot (1 - b + b \cdot \frac{|d|}{\text{avgdl}})}$$ 其中$f_{t,d}$为词频,$|d|$为文档长度,$\text{avgdl}$为平均文档长度,$k_1, b$为调节参数[^2]。 - **密集检索(Dense Retrieval)** 通过神经网络(如BERT)将文本映射为语义向量$\vec{v}$,用余弦相似度计算相关性: $$\cos(\vec{v_q}, \vec{v_d}) = \frac{\vec{v_q} \cdot \vec{v_d}}{\|\vec{v_q}\| \|\vec{v_d}\|}$$ 2. **分层处理流程** ```mermaid graph LR A[用户查询] --> B{稀疏检索层} B -->|Top K候选文档| C{密集检索层} C --> D[精排序结果] ``` --- ### 二、核心实现方案 #### 方案1:级联式混合检索(Cascaded Hybrid) 1. **执行步骤** - Step1: 用BM25从百万级文档中筛选Top 1000候选集 - Step2: 使用双塔模型(如Sentence-BERT)对候选集精排序 - Step3: 按语义相似度得分返回Top 10结果 2. **性能优势** - 相比纯向量检索,吞吐量提升5-8倍(数据规模>100万时) - 召回率比纯关键词检索提高20%-35%[^1] #### 方案2:分数融合式混合(Score Fusion) ```python # Elasticsearch 的 script_score 实现示例 score = ( (cosineSimilarity(query_title_vec, 'title_vec_field') * 0.4) + (bm25_score * 0.6) # BM25权重更高 + (cosineSimilarity(query_content_vec, 'content_vec_field') * 0.3) ) ``` - **权重设计原则** - 结构化字段(标题/作者)适合BM25主导 - 非结构化文本(正文/描述)适合向量检索 - 多模态场景需引入CLIP等跨模态模型[^3] --- ### 三、关键技术细节 1. **索引优化** | 索引类型 | 适用场景 | 存储成本 | 查询延迟 | |----------------|-------------------|----------|----------| | **倒排索引** | 关键词/短语匹配 | 低 | 毫秒级 | | **HNSW图索引** | 高维向量近似搜索 | 高 | 10-50ms | 2. **失败处理策略** - **冷启动问题**:对新文档采用TF-IDF补全向量 - **语义鸿沟**:构建查询扩展词表(如“电脑”→“笔记本电脑”) - **资源超限**:动态降级为纯BM25检索 3. **企业级方案对比** | 平台 | 混合检索支持 | 典型延迟 | 适用规模 | |--------------|-----------------------|----------|--------------| | Elasticsearch| script_score加权 | <100ms | 千万级文档 | | Milvus | RAFT架构多路召回 | <50ms | 亿级向量 | | Vespa | 原生多阶段排序管道 | <30ms | 超大规模 | --- ### 四、典型应用场景 1. **电商搜索** - 关键词匹配商品名称(BM25主导) - 向量检索理解“适合雨天穿的透气运动鞋”等长尾查询 2. **法律文书检索** - 精确匹配法条编号(稀疏检索) - 语义检索相似判例(密集检索) 3. **医学文献系统** - 关键词过滤科室/疾病类型 - 向量检索发现“药物A与并发症B的关联性” ---
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