【搜索引擎Solr】Apache Solr 神经搜索

Sease[1] 与 Alessandro Benedetti（Apache Lucene/Solr PMC 成员和提交者）和 Elia Porciani（Sease 研发软件工程师）共同为开源社区贡献了 Apache Solr 中神经搜索的第一个里程碑。

它依赖于 Apache Lucene 实现 [2] 进行 K-最近邻搜索。
特别感谢 Christine Poerschke、Cassandra Targett、Michael Gibney 和所有其他在贡献的最后阶段提供了很大帮助的审稿人。即使是一条评论也受到了高度赞赏，如果我们取得进展，总是要感谢社区。

让我们从简短的介绍开始，介绍神经方法如何改进搜索。

我们可以将搜索概括为四个主要领域：

• 生成指定信息需求的查询表示
• 生成捕获包含的信息的文档的表示
• 匹配来自信息语料库的查询和文档表示
• 为每个匹配的文档分配一个分数，以便根据结果中的相关性建立一个有意义的文档排名

神经搜索是神经信息检索[3] 学术领域的行业衍生产品，它专注于使用基于神经网络的技术改进这些领域中的任何一个。

人工智能、深度学习和向量表示

我们越来越频繁地听到人工智能（从现在开始是人工智能）如何渗透到我们生活的许多方面。

当我们谈论人工智能时，我们指的是一组使机器能够学习和显示与人类相似的智能的技术。

随着最近计算机能力的强劲和稳定发展，人工智能已经复苏，现在它被用于许多领域，包括软件工程和信息检索（管理搜索引擎和类似系统的科学）。

特别是，深度学习 [4] 的出现引入了使用深度神经网络来解决对经典算法非常具有挑战性的复杂问题。

就这篇博文而言，只要知道深度学习可用于在信息语料库中生成查询和文档的向量表示就足够了。

密集向量表示

可以认为传统的倒排索引将文本建模为“稀疏”向量，其中语料库中的每个词项对应一个向量维度。在这样的模型中（另见词袋方法），维数对应于术语字典基数，并且任何给定文档的向量大部分包含零（因此它被称为稀疏，因为只有少数术语存在于整个字典中将出现在任何给定的文档中）。

密集向量表示与基于术语的稀疏向量表示形成对比，因为它将近似语义意义提取为固定（和有限）数量的维度。

这种方法的维数通常远低于稀疏情况，并且任何给定文档的向量都是密集的，因为它的大部分维数都由非零值填充。

与稀疏方法（标记器用于直接从文本输入生成稀疏向量）相比，生成向量的任务必须在 Apache Solr 外部的应用程序逻辑中处理。

BERT[5] 等各种深度学习模型能够将文本信息编码为密集向量，用于密集检索策略。

有关更多信息，您可以参考我们的这篇博文。

近似最近邻

给定一个对信息需求进行建模的密集向量 v，提供密集向量检索的最简单方法是计算 v 与代表信息语料库中文档的每个向量 d 之间的距离（欧几里得、点积等）。

这种方法非常昂贵，因此目前正在积极研究许多近似策略。

近似最近邻搜索算法返回结果，其与查询向量的距离最多为从查询向量到其最近向量的距离的 c 倍。
这种方法的好处是，在大多数情况下，近似最近邻几乎与精确最近邻一样好。
特别是，如果距离测量准确地捕捉到用户质量的概念，那么距离的微小差异应该无关紧要[6]

分层导航小图

在 Apache Lucene 中实现并由 Apache Solr 使用的策略基于 Navigable Small-world 图。

它为高维向量提供了一种有效的近似最近邻搜索[7][8][9][10]。

Hierarchical Navigable Small World Graph (HNSW) 是一种基于邻近邻域图概念的方法：
与信息语料库相关联的向量空间中的每个向量都唯一地与一个

vertex 

 in the graph 

. 

顶点基于它们的接近度通过边缘连接，更近的（根据距离函数）连接。

构建图受超参数的影响，这些超参数调节每层要构建多少个连接以及要构建多少层。

在查询时，邻居结构被导航以找到离目标最近的向量，从种子节点开始，随着我们越来越接近目标而迭代。

我发现这个博客对于深入研究该主题非常有用。

Apache Lucene 实现

首先要注意的是当前的 Lucene 实现不是分层的。
所以图中只有一层，请参阅原始 Jira 问题中的最新评论，跟踪开发进度[11]。
主要原因是为了在 Apache Lucene 生态系统中为这种简化的实现找到更容易的设计、开发和集成过程。
一致认为，引入分层分层结构将在低维向量管理和查询时间（减少候选节点遍历）方面带来好处。
该实施正在进行中[12]。

那么，与 Navigable Small World Graph 和 K-Nearest Neighbors 功能相关的 Apache Lucene 组件有哪些？
让我们探索代码：

注：如果您对 Lucene 内部结构和编解码器不感兴趣，可以跳过这一段

org.apache.lucene.document.KnnVectorField 是入口点：
它在索引时需要向量维度和相似度函数（构建 NSW 图时使用的向量距离函数）。
这些是通过 #setVectorDimensionsAndSimilarityFunction 方法在 org.apache.lucene.document.FieldType 中设置的。

更新文档字段架构 org.apache.lucene.index.IndexingChain#updateDocFieldSchema 时，信息从 FieldType 中提取并保存在 org.apache.lucene.index.IndexingChain.FieldSchema 中。

并且从 FieldSchema KnnVectorField 配置最终到达 org.apache.lucene.index.IndexingChain#initializeFieldInfo 中的 org.apache.lucene.index.FieldInfo。

现在，Lucene 编解码器具有构建 NSW 图形所需的所有特定于字段的配置。
让我们看看如何：

首先，从 org.apache.lucene.codecs.lucene90.Lucene90Codec#Lucene90Codec 你可以看到 KNN 向量的默认格式是 org.apache.lucene.codecs.lucene90.Lucene90HnswVectorsFormat。

关联的索引编写器是 org.apache.lucene.codecs.lucene90.Lucene90HnswVectorsWriter。
该组件可以访问之前在将字段写入 org.apache.lucene.codecs.lucene90.Lucene90HnswVectorsWriter#writeField 中的索引时初始化的 FieldInfo。
在编写 KnnVectorField 时，涉及到 org.apache.lucene.util.hnsw.HnswGraphBuilder，最后是
org.apache.lucene.util.hnsw.HnswGraph 已构建。

Apache Solr 实现

可从 Apache Solr 9.0 获得

预计 2022 年第一季度

这第一个贡献允许索引单值密集向量场并使用近似距离函数搜索 K-最近邻。

当前特点：

• DenseVectorField 类型
• Knn 查询解析器

密集向量场(DenseVectorField)

密集向量字段提供了索引和搜索浮点元素的密集向量的可能性。

例如

[1.0, 2.5, 3.7, 4.1]

以下是 DenseVectorField 应如何在模式中配置：

<fieldType name="knn_vector" class="solr.DenseVectorField" 
vectorDimension="4" similarityFunction="cosine"/>
<field name="vector" type="knn_vector" indexed="true" stored="true"/>

-----------------------------------------------------------------------------------------------------

|Parameter Name  |  Required |   Default |   Description    |Accepted values|

-----------------------------------------------------------------------------------------------------
|vectorDimension   | True     |               |The dimension of the dense

vector to pass in.    |Integer < = 1024|

—————————————————————————————————————————
|similarityFunction |   False   | euclidean    |Vector similarity function;

used in search to return top K most similar vectors to a target vector.   

| euclidean, dot_product or cosine.

———————————————————————————————————————

• 欧几里得：欧几里得距离
• dot_product：点积。注意：这种相似性旨在作为执行余弦相似性的优化方式。为了使用它，所有向量必须是单位长度的，包括文档向量和查询向量。对非单位长度的向量使用点积可能会导致错误或搜索结果不佳。
• 余弦：余弦相似度。注意：执行余弦相似度的首选方法是将所有向量归一化为单位长度，而不是使用 DOT_PRODUCT。只有在需要保留原始向量且无法提前对其进行归一化时，才应使用此函数。

DenseVectorField 支持属性：索引、存储。

注：目前不支持多值

自定义索引编解码器

要使用以下自定义编解码器格式的高级参数和 HNSW 算法的超参数，请确保在 solrconfig.xml 中设置此配置：

<codecFactory class="solr.SchemaCodecFactory"/>
...
以下是如何使用高级编解码器超参数配置 DenseVectorField：

<fieldType name="knn_vector" class="solr.DenseVectorField" 
vectorDimension="4"similarityFunction="cosine" 
codecFormat="Lucene90HnswVectorsFormat" hnswMaxConnections="10" hnswBeamWidth="40"/>
<field name="vector" type="knn_vector" indexed="true" stored="true"/>

Parameter Name	Required	Default	Description	Accepted values
codecFormat	False	Lucene90Hnsw VectorsFormat	Specifies the knn codec implementation to use	Lucene90 HnswVectorsFormat
hnswMaxConnections	False	16	Lucene90HnswVectorsFormat only: Controls how many of the nearest neighbor candidates are connected to the new node. It has the same meaning as M from the paper[8].	Integer
hnswBeamWidth	False	100	Lucene90HnswVectorsFormat only: It is the number of nearest neighbor candidates to track while searching the graph for each newly inserted node. It has the same meaning as efConstruction from the paper[8].	Integer

请注意，codecFormat 接受的值可能会在未来版本中更改。

注意 Lucene 索引向后兼容仅支持默认编解码器。如果您选择在架构中自定义 codecFormat，升级到 Solr 的未来版本可能需要您切换回默认编解码器并优化索引以在升级之前将其重写为默认编解码器，或者重新构建整个索引升级后从头开始。
对于 HNSW 实现的超参数，详见[8]。

如何索引向量

下面是 DenseVectorField 应该如何被索引：

JSON

[{ "id": "1",
"vector": [1.0, 2.5, 3.7, 4.1]
},
{ "id": "2",
"vector": [1.5, 5.5, 6.7, 65.1]
}
]

XML

<field name="id">1
<field name="vector">1.0
<field name="vector">2.5
<field name="vector">3.7
<field name="vector">4.1

<field name="id">2
<field name="vector">1.5
<field name="vector">5.5
<field name="vector">6.7
<field name="vector">65.1

Java – SolrJ

final SolrClient client = getSolrClient();

final SolrInputDocument d1 = new SolrInputDocument();
d1.setField("id", "1");
d1.setField("vector", Arrays.asList(1.0f, 2.5f, 3.7f, 4.1f));

final SolrInputDocument d2 = new SolrInputDocument();
d2.setField("id", "2");
d2.setField("vector", Arrays.asList(1.5f, 5.5f, 6.7f, 65.1f));

client.add(Arrays.asList(d1, d2));

knn 查询解析器

knn K-Nearest Neighbors 查询解析器允许根据给定字段中的索引密集向量查找与目标向量最近的 k 文档。

它采用以下参数：

Parameter Name	Required	Default	Description
f	True		The DenseVectorField to search in.
topK	False	10	How many k-nearest results to return.

以下是运行 KNN 搜索的方法：

&q={!knn f=vector topK=10}[1.0, 2.0, 3.0, 4.0]

检索到的搜索结果是输入 [1.0, 2.0, 3.0, 4.0] 中与向量最近的 K-nearest，由在索引时配置的similarityFunction 排序。

与过滤查询一起使用

knn 查询解析器可用于过滤查询：

&q=id:(1 2 3)&fq={!knn f=vector topK=10}[1.0, 2.0, 3.0, 4.0]

knn 查询解析器可以与过滤查询一起使用：

&q={!knn f=vector topK=10}[1.0, 2.0, 3.0, 4.0]&fq=id:(1 2 3)

重要:

在这些场景中使用 knn 时，请确保您清楚地了解过滤器查询在 Apache Solr 中的工作方式：
由主查询 q 产生的文档 ID 排名列表与从每个过滤器查询派生的文档 ID 集合相交 fq.egRanked List from q=[ID1, ID4, ID2, ID10] Set from fq={ID3, ID2 , ID9, ID4} = [ID4,ID2]

用作重新排序查询

knn 查询解析器可用于重新排列第一遍查询结果：

&q=id:(3 4 9 2)&rq={!rerank reRankQuery=$rqq reRankDocs=4 reRankWeight=1}
&rqq={!knn f=vector topK=10}[1.0, 2.0, 3.0, 4.0]

重要:

在重新排序中使用 knn 时，请注意 topK 参数。
仅当来自第一遍的文档 d 在要搜索的目标向量的 K 最近邻（在整个索引中）内时，才计算第二遍分数（从 knn 派生）。

这意味着无论如何都会在整个索引上执行第二遍 knn，这是当前的限制。
最终排序的结果列表将第一次通过分数（主查询 q）加上第二次通过分数（到要搜索的目标向量的近似相似度函数距离）乘以乘法因子（reRankWeight）。

因此，如果文档 d 不存在于 knn 结果中，即使与目标查询向量的距离向量计算不为零，您对原始分数的贡献也为零。

有关使用 ReRank 查询解析器的详细信息，请参阅 Apache Solr Wiki[13] 部分。