FAQ智能问答系统设计与实现

一、项目介绍

FAQ（FAQ，frequently-asked questions）问答系统表示常见问题问答系统，常用于一些特定领域的智能客服，将用户经常问到的高频问答对索引起来，当新的提问命中时可以快速回答，准确而高效。
本文介绍一个简单的FAQ问答系统实现。基于检索和排序的两阶段框架，检索阶段基于Elasticsearch检索引擎、排序阶段基于语义匹配深度学习模型。后端基于SpringBoot系列框架。

1.1 最简单的FAQ问答系统示意图

FAQ问答大概的对话流程示意图如下：

1.2 系统架构

系统的大致框架如下图所示：

以对话为例说一下系统各个模块的协同：

• 客户端带着用户问题向后台发送HTTP请求；
• 后台接受到请求，对用户问题进行ES检索，返回N（可配置）个相关的初始候选集；
• 后台通过HTTP请求调用相似度计算服务，对用户问题和N个候选句子一一成对进行相似度计算，返回它们的相似度；
• 后台结合ES相关度和模型相似度进行综合排序，取综合得分最高的结果对应的答案返回给前端；
• 前端显示；

值得一提的是，Redis的作用是对话状态管理，即每一个用户于系统交互都会在Redis中创建一个与之对应的对话状态（dialogue status），这个对话状态可以用来区分不同用户，也可以用来进行多轮对话（保存上一步对话的节点数据）。

二、功能说明

2.1 对话

对话是核心功能，提供一问一答的交互式方式。

人机对话：用户提出问题，系统给出回答。

2.2 数据同步

FAQ问答对持久化保存在MySQL中，管理员只需维护MySQL中的数据。但是在对话时，系统不会去访问MySQL，而是通过ES检索引擎进行检索。因此，保证MySQL和ES的数据一致非常重要。

全量同步：将MySQL中的问答对数据全部同步到ES索引中。
更新多轮问答树：多轮问答基于多轮JSON，逻辑上为树的组织结构，需要将JSON文件读取到Redis中存起来。

三、演示

3.1 接口测试

打开浏览器访问http://localhost:1234/faq/swagger-ui/可以查看全部接口并进行测试。

3.2 界面测试

打开ui/dialogue.html进行界面交互。以下显示了单轮对话和多轮对话的简单示例。
（值得一提的，前端ui用的是Alibaba开源的对话框架，感觉非常实用，只需要懂点JS就可以调了。）

四、设计细节

4.1 数据库设计

整个FAQ问答系统就用了一张表，faq问答对，名称为faq_pair，表结构如下：

字段名	字段类型	是否可为空	键	注释
id	int(11)	NO	PRI
qa_id	int(11)	NO	UNI	标准问-标准答的唯一标识id
standard_question	text	NO		标准问，表示高频问题
standard_answer	text	NO		标准答，表示高频问题对应的回答

4.2 状态码设计

该系统配置一些自定义的状态码和说明，用一个枚举类CodeMsg表示。
这些状态码可以用于定位问题所在，也可以让前端区分不同的返回值代表的含义等等。

public enum CodeMsg {
    //通用状态码10000系列，模块异常
    ELASTICSEARCH_EXCEPTION(10001, "elasticsearch异常"),
    MYSQL_EXCEPTION(10002, "mysql异常"),
    SIMILARITY_NULL_EXCEPTION(10003, "相似度计算模型异常"),

    //通用状态码20000系列，有返回值，无异常
    SUCCESS(20000, "success"),
    SUCCESS_SINGLE(20001, "success-->单轮"),
    SUCCESS_MULTI(20002, "success-->多轮"),

    //通用状态码30000系列，中间状态
    OPTIONS_NOT_HIT(30001, "处于多轮问答中，但未命中多轮问答的选项，此时将重新检索用户问题"),

    //通用状态码40000系列，无返回值
    FAILED(40000, "failed"),
    UNRECOGNIZED_QUESTION(40001, "failed-->无法识别的问题"),
    MULTI_ROUND_QA_NOT_FOUND(40002, "failed-->没有找到对应的多轮问答树"),
    MULTI_ROUND_QA_NULL(40003, "failed-->redis中多轮问答树为空"),
    MULTI_ROUND_QA_CHILD_NODE_NULL(40004, "failed-->多轮问答树子节点为空");
}

4.3 配置参数读取

项目定义了用户配置文件application-user.yml，通过在SpringBoot默认配置文件application.yml中配置以下参数引入该配置文件

spring:
  #引入自定义配置，application-user.yml
  profiles:
    include:
      - user

application-user.yml中自定义了一些参数，可以根据需要随时修改而不用改源码，如对话相关的参数：

#对话配置
dialogue:
  #置信度排序
  confidence-rank:
    #返回的置信度最高的doc的个数
    size: 5
    #置信度计算权重
    weights:
      #相关度权重
      relevance-weight: 0.3
      #相似度权重
      similarity-weight: 0.7

  #用户对话状态
  status:
    #过期时间(单位: minute)
    expire-time: 2
  #多轮问答树
  multi-turn-qa:
    path: data/multi_turn_qa
  #redis热点数据缓存
  hot-data:
    #是否开启
    open: true
    #过期时间(单位: minute)
    expire-time: 5

对话相关参数的配置类如下：

@Configuration
@ConfigurationProperties(prefix = "dialogue")
@Data
public class DialogueConfig {
    private ConfidenceRank confidenceRank;
    private Status status;
    private MultiRoundQa multiTurnQa;
    private HotData hotData;

    //redis中多轮问答树的key前缀
    private final String MQATreeKeyPrefix = "MQATreeNode_";
    //redis中question映射id的key
    private final String MQAQuestion2idKey = "MQA_question2id";
    //redis中用户对话状态的key前缀
    private final String DialogueStatusKeyPrefix = "dialogue_status_userId_";
    //redis中热点数据的question映射id的key
    private final String HotDataQuestion2idKey = "hot_data_question2id";
    //redis中热点数据的key前缀
    private final String HotDataKeyPrefix = "hot_data_";

    @Data
    public static class ConfidenceRank {
        private Integer size;
        private Weights weights;
        private Float threshold;

        @Data
        public static class Weights {
            private Float relevanceWeight;
            private Float similarityWeight;
        }
    }

    @Data
    public static class Status {
        private Integer expireTime;
    }

    @Data
    public static class MultiRoundQa {
        private String path;
    }

    @Data
    public static class HotData {
        private Boolean open;
        private Integer expireTime;
    }
}

用的也是推荐的依赖包，引入的pom依赖如下：

<dependency>
    <groupId>org.springframework.bootgroupId>
    <artifactId>spring-boot-configuration-processorartifactId>
    <optional>trueoptional>
dependency>

4.4 对话流程设计

对话流程表示从用户问题输入，到找到答案输出的流程，流程图如下。

4.5 多轮对话设计

多轮对话按规则执行，逻辑上组织为一棵树，示意图如下：

一颗多轮对话树在物理上为一个json文件，在更新多轮对话树时json文件将被转换成数据对象MultiQaTreeNode，然后添加到redis中。

{
  "qaId": 3,
  "question": "推荐一个景点",
  "answer": "好的，请问对景点评分有要求吗",
  "childNodes": [
    {
      "question": "没要求",
      "answer": "好的，请问景点票价可接受范围？",
      "childNodes": [
        {
          "question": "免费",
          "answer": "附近好多公园呢，比如xxx，今天天气不错，可以去转转。",
          "childNodes": []
        },
        {
          "question": "50元以内",
          "answer": "这个xx不错，自然风光秀丽，离您也不远。",
          "childNodes": []
        },
        {
          "question": "无所谓，不差钱",
          "answer": "推荐xxx景点给您呢，该景点绝对符合您的气质",
          "childNodes": []
        }
      ]
    },
    {
      "question": "3分以上",
      "answer": "可玩的就比较多了，有xx...",
      "childNodes": []
    },
    {
      "question": "5分",
      "answer": "在xx那有一处5A景区，评分有5分呢，推荐您去玩哈。",
      "childNodes": []
    }
  ]
}

MultiQaTreeNode类如下：

public class MultiQaTreeNode implements Serializable {
    //对应的qaId，一棵多轮问答树不同层节点的qaId是相同的，都为根节点question所对应的qaId
    private Integer qaId;
    //当前节点的问题
    private String question;
    //当前节点的回答
    private String answer;
    //当前节点的子节点
    private List<MultiQaTreeNode> childNodes;
}

五、总结

系统是简化版的，基本只保留了人机对话功能，问答对也只用了一张表，实际上对于一个高频问题，可以多生成一些与之相似的问题用于扩大搜索范围。另外，如果需要增加问答对，需要对MySQL数据表增加行数据，然后使用同步功能在ES建对应索引即可。
该项目源码如下：
GitHub
Gitee
后面会考虑开源一个微服务架构的版本，而且会有其他的一些管理功能。