【InternLM 大模型实战】第三课

大模型开发范式

两种核心范式：RAG和FINETUNE

大语言模型的局限性：
1、知识时效性受限：高昂的训练成本，使得大模型无法反复训练，如何让llm及时获取最新知识
2、专业能力有限：通用大模型知识涉猎范围广，但对专业问题的解答捉襟见肘，如何去打造垂域大模型
3、定制化成本高：训练成本高，定制化难度大，如何打造个人专属的llm应用

RAG（检索增强生成）

外挂知识库，在提问的时候，在知识库中检索与提问相关的文档，然后将文档和提问一起交给大模型来生成答案，从而提高大模型的知识储备
优势：
1、低成本
2、可实时更新
劣势：
1、受基座模型影响大
2、单次回答知识有限（主要是文档占用大量token）

FINETUNE（微调）

在一个新的较小的的训练集上进行轻量级的训练微调，从而提升模型在这个训练集上的能力
优势：
1、可个性化微调
2、知识覆盖面广
劣势：
1、成本高昂
2、无法实时更新（更新成本太高）

LangChain 简介

LangChain 框架是一个开源工具，通过为各种LLM提供通用的接口来简化应用程序的开发流程，帮助开发者自由构建LLM应用
LangChain的核心模块：
链（Chains）：将组件组合实现端到端应用，通过一个对象封装实现一系列LLM操作
例如检索问答链，覆盖实现了RAG的全部流程

构建向量数据库

向量数据库的构建有三个步骤：加载源文件，文档分块和文档向量化

加载源文件

确定源文件类型，有多种文本的加载器，核心目的是将带格式的文本转化为无格式的文本

文档分块

由于某个文档往往超过模型上下文上限，我们需要对加载文档进行切分
一般按字符长度进行分割或者手动空难各种分割块的长度和重叠区间的长度

文档向量化

使用向量数据库来支持语义检索，需要将文档向量化存入向量数据库
可以使用任一Embedding模型来进行向量化
可以使用多种支持语义检索的向量数据库，如轻量级的chroma

搭建知识库助手

LangChain支持自定义LLM，可以直接接入到框架中，我们只需要将InternLM部署到本地，然后封装一个LLM类，调用本地InternLM即可。
这个LLM类一般是$和openAI的接口对齐$，这样是为了方便以后能在本地LLM和chatgpt之间进行切换

构建检索问答链

1、LangChain提供了检索问答链模板，可以自动实现知识检索，Prompt嵌入，LLM问答的全部流程
2、将基于InternLM的自定义LLM和已构建的向量数据库接入到检索问答链的上游
3、调用检索问答链生成回答

RAG方案优化建议

检索方面：
基于语义进行分割，保证每一个chunk的语义完整
给每个chunk生成概括性索引，检索时匹配索引

prompt方面：
迭代优化prompt策略

Web Demo 部署

目前有很多支持简易web部署的框架，例如：Gradio，Streamlit等

动手实战

InternLM模型部署

安装环境

在InternStudio平台上创建开发机，选择A100（1/4）的配置，镜像选择Cuda11.7-conda
进入开发机
安装conda虚拟环境

bash
/root/share/install_conda_env_internlm_base.sh InternLM

激活虚拟环境

conda activate InternLM

安装运行 demo 所需要的依赖

# 升级pip
python -m pip install --upgrade pip

pip install modelscope==1.9.5
pip install transformers==4.35.2
pip install streamlit==1.24.0
pip install sentencepiece==0.1.99
pip install accelerate==0.24.1

模型下载

由于课程算力有限，因此不要在下载上浪费时间，本地有的就直接从本地拷贝过来

mkdir -p /root/data/model/Shanghai_AI_Laboratory
cp -r /root/share/temp/model_repos/internlm-chat-7b /root/data/model/Shanghai_AI_Laboratory/internlm-chat-7b

LangChain 相关环境配置

安装LangChain相关依赖

pip install langchain==0.0.292
pip install gradio==4.4.0
pip install chromadb==0.4.15
pip install sentence-transformers==2.2.2
pip install unstructured==0.10.30
pip install markdown==3.3.7

由于开源词向量模型Sentence Transformer需要下载，因此使用huggingface的huggingface-cli工具来下载
更新huggingface_hub（由于都是最近使用过，所以这一步可以跳过）

pip install -U huggingface_hub

在和 /root/data 目录下新建python文件 download_hf.py，填入以下代码

import os

# 设置环境变量
os.environ['HF_ENDPOINT'] = 'https://hf-mirror.com'

# 下载模型
os.system('huggingface-cli download --resume-download sentence-transformers/paraphrase-multilingual-MiniLM-L12-v2 --local-dir /root/data/model/sentence-transformer')

然后，在 \root\data 目录下执行该脚本即可自动开始下载

python download_hf.py

下载 NLTK 相关资源

用以下命令下载 nltk 资源并解压到服务器上

cd /root
git clone https://gitee.com/yzy0612/nltk_data.git  --branch gh-pages
cd nltk_data
mv packages/*  ./
cd tokenizers
unzip punkt.zip
cd ../taggers
unzip averaged_perceptron_tagger.zip

下载本项目代码

我们在仓库中同步提供了所有脚本，可以查看该教程文件的同级目录的 demo 文件夹。

建议通过以下目录将仓库 clone 到本地，可以直接在本地运行相关代码

cd /root/data
git clone https://github.com/InternLM/tutorial

知识库搭建

数据收集

我们选择由上海人工智能实验室开源的一系列大模型工具开源仓库作为语料库来源，包括：

OpenCompass：面向大模型评测的一站式平台
IMDeploy：涵盖了 LLM 任务的全套轻量化、部署和服务解决方案的高效推理工具箱
XTuner：轻量级微调大语言模型的工具库
InternLM-XComposer：浦语·灵笔，基于书生·浦语大语言模型研发的视觉-语言大模型
Lagent：一个轻量级、开源的基于大语言模型的智能体（agent）框架
InternLM：一个开源的轻量级训练框架，旨在支持大模型训练而无需大量的依赖
首先我们需要将上述远程开源仓库 Clone 到本地，可以使用以下命令：

# 进入到数据库盘
cd /root/data
# clone 上述开源仓库
git clone https://gitee.com/open-compass/opencompass.git
git clone https://gitee.com/InternLM/lmdeploy.git
git clone https://gitee.com/InternLM/xtuner.git
git clone https://gitee.com/InternLM/InternLM-XComposer.git
git clone https://gitee.com/InternLM/lagent.git
git clone https://gitee.com/InternLM/InternLM.git

为语料处理方便，我们将选用上述仓库中所有的 markdown、txt 文件作为示例语料库。定义一个函数，该函数将递归指定文件夹路径，返回其中所有满足条件（即后缀名为 .md 或者 .txt 的文件）的文件路径：

import os 
def get_files(dir_path):
    # args：dir_path，目标文件夹路径
    file_list = []
    for filepath, dirnames, filenames in os.walk(dir_path):
        # os.walk 函数将递归遍历指定文件夹
        for filename in filenames:
            # 通过后缀名判断文件类型是否满足要求
            if filename.endswith(".md"):
                # 如果满足要求，将其绝对路径加入到结果列表
                file_list.append(os.path.join(filepath, filename))
            elif filename.endswith(".txt"):
                file_list.append(os.path.join(filepath, filename))
    return file_list

加载数据

得到所有目标文件路径之后，我们可以使用 LangChain 提供的 FileLoader 对象来加载目标文件，得到由目标文件解析出的纯文本内容

from tqdm import tqdm
from langchain.document_loaders import UnstructuredFileLoader
from langchain.document_loaders import UnstructuredMarkdownLoader

def get_text(dir_path):
    # args：dir_path，目标文件夹路径
    # 首先调用上文定义的函数得到目标文件路径列表
    file_lst = get_files(dir_path)
    # docs 存放加载之后的纯文本对象
    docs = []
    # 遍历所有目标文件
    for one_file in tqdm(file_lst):
        file_type = one_file.split('.')[-1]
        if file_type == 'md':
            loader = UnstructuredMarkdownLoader(one_file)
        elif file_type == 'txt':
            loader = UnstructuredFileLoader(one_file)
        else:
            # 如果是不符合条件的文件，直接跳过
            continue
        docs.extend(loader.load())
    return docs

使用上文函数，我们得到的 docs 为一个纯文本对象对应的列表

构建向量数据库

LangChain 提供了多种文本分块工具，此处我们使用字符串递归分割器，并选择分块大小为 500，块重叠长度为 150

from langchain.text_splitter import RecursiveCharacterTextSplitter

text_splitter = RecursiveCharacterTextSplitter(
    chunk_size=500, chunk_overlap=150)
split_docs = text_splitter.split_documents(docs)

接着我们选用开源词向量模型 Sentence Transformer 来进行文本向量化

from langchain.embeddings.huggingface import HuggingFaceEmbeddings

embeddings = HuggingFaceEmbeddings(model_name="/root/data/model/sentence-transformer")

基于上文分块后的文档以及加载的开源向量化模型，将语料加载到指定路径下的向量数据库chroma

from langchain.vectorstores import Chroma

# 定义持久化路径
persist_directory = 'data_base/vector_db/chroma'
# 加载数据库
vectordb = Chroma.from_documents(
    documents=split_docs,
    embedding=embeddings,
    persist_directory=persist_directory  # 允许我们将persist_directory目录保存到磁盘上
)
# 将加载的向量数据库持久化到磁盘上
vectordb.persist()

完整的脚本

可以在 /root/data 下新建一个 demo目录，运行以下脚本，即可在本地构建已持久化的向量数据库，后续直接导入该数据库即可，无需重复构建。

# 首先导入所需第三方库
from langchain.document_loaders import UnstructuredFileLoader
from langchain.document_loaders import UnstructuredMarkdownLoader
from langchain.text_splitter import RecursiveCharacterTextSplitter
from langchain.vectorstores import Chroma
from langchain.embeddings.huggingface import HuggingFaceEmbeddings
from tqdm import tqdm
import os

# 获取文件路径函数
def get_files(dir_path):
    # args：dir_path，目标文件夹路径
    file_list = []
    for filepath, dirnames, filenames in os.walk(dir_path):
        # os.walk 函数将递归遍历指定文件夹
        for filename in filenames:
            # 通过后缀名判断文件类型是否满足要求
            if filename.endswith(".md"):
                # 如果满足要求，将其绝对路径加入到结果列表
                file_list.append(os.path.join(filepath, filename))
            elif filename.endswith(".txt"):
                file_list.append(os.path.join(filepath, filename))
    return file_list

# 加载文件函数
def get_text(dir_path):
    # args：dir_path，目标文件夹路径
    # 首先调用上文定义的函数得到目标文件路径列表
    file_lst = get_files(dir_path)
    # docs 存放加载之后的纯文本对象
    docs = []
    # 遍历所有目标文件
    for one_file in tqdm(file_lst):
        file_type = one_file.split('.')[-1]
        if file_type == 'md':
            loader = UnstructuredMarkdownLoader(one_file)
        elif file_type == 'txt':
            loader = UnstructuredFileLoader(one_file)
        else:
            # 如果是不符合条件的文件，直接跳过
            continue
        docs.extend(loader.load())
    return docs

# 目标文件夹
tar_dir = [
    "/root/data/InternLM",
    "/root/data/InternLM-XComposer",
    "/root/data/lagent",
    "/root/data/lmdeploy",
    "/root/data/opencompass",
    "/root/data/xtuner"
]

# 加载目标文件
docs = []
for dir_path in tar_dir:
    docs.extend(get_text(dir_path))

# 对文本进行分块
text_splitter = RecursiveCharacterTextSplitter(
    chunk_size=500, chunk_overlap=150)
split_docs = text_splitter.split_documents(docs)

# 加载开源词向量模型
embeddings = HuggingFaceEmbeddings(model_name="/root/data/model/sentence-transformer")

# 构建向量数据库
# 定义持久化路径
persist_directory = 'data_base/vector_db/chroma'
# 加载数据库
vectordb = Chroma.from_documents(
    documents=split_docs,
    embedding=embeddings,
    persist_directory=persist_directory  # 允许我们将persist_directory目录保存到磁盘上
)
# 将加载的向量数据库持久化到磁盘上
vectordb.persist()

InternLM 接入 LangChain

基于本地部署的 InternLM 自定义 LLM 类并不复杂，我们只需从 LangChain.llms.base.LLM 类继承一个子类，并重写构造函数与 _call 函数即可：

from langchain.llms.base import LLM
from typing import Any, List, Optional
from langchain.callbacks.manager import CallbackManagerForLLMRun
from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM
import torch

class InternLM_LLM(LLM):
    # 基于本地 InternLM 自定义 LLM 类
    tokenizer : AutoTokenizer = None
    model: AutoModelForCausalLM = None

    def __init__(self, model_path :str):
        # model_path: InternLM 模型路径
        # 从本地初始化模型
        super().__init__()
        print("正在从本地加载模型...")
        self.tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_path, trust_remote_code=True)
        self.model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(model_path, trust_remote_code=True).to(torch.bfloat16).cuda()
        self.model = self.model.eval()
        print("完成本地模型的加载")

    def _call(self, prompt : str, stop: Optional[List[str]] = None,
                run_manager: Optional[CallbackManagerForLLMRun] = None,
                **kwargs: Any):
        # 重写调用函数
        system_prompt = """You are an AI assistant whose name is InternLM (书生·浦语).
        - InternLM (书生·浦语) is a conversational language model that is developed by Shanghai AI Laboratory (上海人工智能实验室). It is designed to be helpful, honest, and harmless.
        - InternLM (书生·浦语) can understand and communicate fluently in the language chosen by the user such as English and 中文.
        """
        
        messages = [(system_prompt, '')]
        response, history = self.model.chat(self.tokenizer, prompt , history=messages)
        return response
        
    @property
    def _llm_type(self) -> str:
        return "InternLM"

我们将上述代码封装为 LLM.py，后续将直接从该文件中引入自定义的 LLM 类。

构建检索问答链

我们可以调用一个 LangChain 提供的 RetrievalQA 对象，通过初始化时填入已构建的数据库和自定义 LLM 作为参数，来简便地完成检索增强问答的全流程，LangChain 会自动完成基于用户提问进行检索、获取相关文档、拼接为合适的 Prompt 并交给 LLM 问答的全部流程。

加载向量数据库

直接通过 Chroma 以及上文定义的词向量模型来加载已构建的数据库

from langchain.vectorstores import Chroma
from langchain.embeddings.huggingface import HuggingFaceEmbeddings
import os

# 定义 Embeddings
embeddings = HuggingFaceEmbeddings(model_name="/root/data/model/sentence-transformer")

# 向量数据库持久化路径
persist_directory = 'data_base/vector_db/chroma'

# 加载数据库
vectordb = Chroma(
    persist_directory=persist_directory, 
    embedding_function=embeddings
)

上述代码得到的 vectordb 对象即为我们已构建的向量数据库对象，该对象可以针对用户的 query 进行语义向量检索，得到与用户提问相关的知识片段。

实例化自定义 LLM 与 Prompt Template

实例化一个基于 InternLM 自定义的 LLM 对象

from LLM import InternLM_LLM
llm = InternLM_LLM(model_path = "/root/data/model/Shanghai_AI_Laboratory/internlm-chat-7b")
llm.predict("你是谁")

还需要构建一个 Prompt Template，该 Template 其实基于一个带变量的字符串，在检索之后，LangChain 会将检索到的相关文档片段填入到 Template 的变量中，从而实现带知识的 Prompt 构建。我们可以基于 LangChain 的 Template 基类来实例化这样一个 Template 对象

from langchain.prompts import PromptTemplate

# 我们所构造的 Prompt 模板
template = """使用以下上下文来回答用户的问题。如果你不知道答案，就说你不知道。总是使用中文回答。
问题: {question}
可参考的上下文：
···
{context}
···
如果给定的上下文无法让你做出回答，请回答你不知道。
有用的回答:"""

# 调用 LangChain 的方法来实例化一个 Template 对象，该对象包含了 context 和 question 两个变量，在实际调用时，这两个变量会被检索到的文档片段和用户提问填充
QA_CHAIN_PROMPT = PromptTemplate(input_variables=["context","question"],template=template)

构建检索问答链

最后，可以调用 LangChain 提供的检索问答链构造函数，基于我们的自定义 LLM、Prompt Template 和向量知识库来构建一个基于 InternLM 的检索问答链

from langchain.chains import RetrievalQA

qa_chain = RetrievalQA.from_chain_type(llm,retriever=vectordb.as_retriever(),return_source_documents=True,chain_type_kwargs={"prompt":QA_CHAIN_PROMPT})

得到的 qa_chain 对象即可以实现我们的核心功能，即基于 InternLM 模型的专业知识库助手。我们可以对比该检索问答链和纯 LLM 的问答效果

# 检索问答链回答效果
question = "什么是InternLM"
result = qa_chain({"query": question})
print("检索问答链回答 question 的结果：")
print(result["result"])

# 仅 LLM 回答效果
result_2 = llm(question)
print("大模型回答 question 的结果：")
print(result_2)

部署 Web Demo

在完成上述核心功能后，我们可以基于 Gradio 框架将其部署到 Web 网页，从而搭建一个小型 Demo，便于测试与使用。

我们首先将上文的代码内容封装为一个返回构建的检索问答链对象的函数，并在启动 Gradio 的第一时间调用该函数得到检索问答链对象，后续直接使用该对象进行问答对话，从而避免重复加载模型

from langchain.vectorstores import Chroma
from langchain.embeddings.huggingface import HuggingFaceEmbeddings
import os
from LLM import InternLM_LLM
from langchain.prompts import PromptTemplate
from langchain.chains import RetrievalQA

def load_chain():
    # 加载问答链
    # 定义 Embeddings
    embeddings = HuggingFaceEmbeddings(model_name="/root/data/model/sentence-transformer")

    # 向量数据库持久化路径
    persist_directory = 'data_base/vector_db/chroma'

    # 加载数据库
    vectordb = Chroma(
        persist_directory=persist_directory,  # 允许我们将persist_directory目录保存到磁盘上
        embedding_function=embeddings
    )

    # 加载自定义 LLM
    llm = InternLM_LLM(model_path = "/root/data/model/Shanghai_AI_Laboratory/internlm-chat-7b")

    # 定义一个 Prompt Template
    template = """使用以下上下文来回答最后的问题。如果你不知道答案，就说你不知道，不要试图编造答
    案。尽量使答案简明扼要。总是在回答的最后说“谢谢你的提问！”。
    {context}
    问题: {question}
    有用的回答:"""

    QA_CHAIN_PROMPT = PromptTemplate(input_variables=["context","question"],template=template)

    # 运行 chain
    qa_chain = RetrievalQA.from_chain_type(llm,retriever=vectordb.as_retriever(),return_source_documents=True,chain_type_kwargs={"prompt":QA_CHAIN_PROMPT})
    
    return qa_chain

接着我们定义一个类，该类负责加载并存储检索问答链，并响应 Web 界面里调用检索问答链进行回答的动作

class Model_center():
    """
    存储检索问答链的对象 
    """
    def __init__(self):
        # 构造函数，加载检索问答链
        self.chain = load_chain()

    def qa_chain_self_answer(self, question: str, chat_history: list = []):
        """
        调用问答链进行回答
        """
        if question == None or len(question) < 1:
            return "", chat_history
        try:
            chat_history.append(
                (question, self.chain({"query": question})["result"]))
            # 将问答结果直接附加到问答历史中，Gradio 会将其展示出来
            return "", chat_history
        except Exception as e:
            return e, chat_history

然后我们只需按照 Gradio 的框架使用方法，实例化一个 Web 界面并将点击动作绑定到上述类的回答方法即可

import gradio as gr

# 实例化核心功能对象
model_center = Model_center()
# 创建一个 Web 界面
block = gr.Blocks()
with block as demo:
    with gr.Row(equal_height=True):   
        with gr.Column(scale=15):
            # 展示的页面标题
            gr.Markdown("""
InternLM
                书生浦语
                """)

    with gr.Row():
        with gr.Column(scale=4):
            # 创建一个聊天机器人对象
            chatbot = gr.Chatbot(height=450, show_copy_button=True)
            # 创建一个文本框组件，用于输入 prompt。
            msg = gr.Textbox(label="Prompt/问题")

            with gr.Row():
                # 创建提交按钮。
                db_wo_his_btn = gr.Button("Chat")
            with gr.Row():
                # 创建一个清除按钮，用于清除聊天机器人组件的内容。
                clear = gr.ClearButton(
                    components=[chatbot], value="Clear console")
                
        # 设置按钮的点击事件。当点击时，调用上面定义的 qa_chain_self_answer 函数，并传入用户的消息和聊天历史记录，然后更新文本框和聊天机器人组件。
        db_wo_his_btn.click(model_center.qa_chain_self_answer, inputs=[
                            msg, chatbot], outputs=[msg, chatbot])

    gr.Markdown("""提醒：

    1. 初始化数据库时间可能较长，请耐心等待。
    2. 使用中如果出现异常，将会在文本输入框进行展示，请不要惊慌。 

    """)
gr.close_all()
# 直接启动
demo.launch()

通过将上述代码封装为 run_gradio.py 脚本，直接通过 python 命令运行，即可在本地启动知识库助手的 Web Demo，默认会在 7860 端口运行，接下来将服务器端口映射到本地端口即可访问

将服务器端口映射到本地端口的方法参考此处