【大模型系列篇】Vanna-ai基于检索增强(RAG)的sql生成框架

`简介`

Vanna是基于检索增强(RAG)的sql生成框架

Vanna 使用一种称为 LLM（大型语言模型）的生成式人工智能。简而言之，这些模型是在大量数据（包括一堆在线可用的 SQL 查询）上进行训练的，并通过预测响应提示中最有可能的下一个单词或“标记”来工作。Vanna 优化了提示（通过向量数据库使用嵌入搜索）并微调 LLM 模型以生成更好的 SQL。Vanna 可以使用和试验许多不同的LLM，以获得最准确的结果。

Vanna借助了相对简单也更易理解的RAG方法，通过检索增强来构建Prompt，以提高SQL生成的准确率。从本质上讲，Vanna 是一个 Python 包，它使用检索增强来帮助您使用 LLM 为数据库生成准确的 SQL 查询。

事先用向量数据库将待查询数据库的建表语句、文档、常用SQL及其自然语言查询问题存储起来。在用户发起查询请求时，会先从向量数据库中检索出相关的建表语句、文档、SQL问答对放入到prompt里(DDL和文档作为上下文、SQL问答对作为few-shot样例)，LLM根据prompt生成查询SQL并执行，框架会进一步将查询结果使用plotly可视化出来或用LLM生成后续问题。如果用户反馈LLM生成的结果是正确的，可以将这一问答对存储到向量数据库，可以使得以后的生成结果更准确。

`优势`

易用性：Vanna 允许非技术用户通过自然语言与数据库交互，无需编写复杂的 SQL 查询。
灵活性：它可以处理多种类型的数据库和查询，适用于不同的应用场景。
准确性：Vanna 的能力与你提供的训练数据相关，更多的训练数据意味着在大型和复杂的数据集上有更好的准确性。
安全性：你的数据库内容不会直接发送给 LLM，SQL 执行发生在你的本地环境中。
自我学习：你可以选择在成功执行的查询上“自动训练”，或让界面提示用户对结果提供反馈，使未来的结果更加准确。

`劣势`

准确性：生成的 SQL 查询可能不完全准确，可能需要人工干预来修正。
性能：对于大型数据库，生成 SQL 查询可能会有些缓慢。
依赖数据库结构：Vanna 需要事先知道数据库的结构信息，包括表名、字段名等。这意味着我们需要先将数据库结构信息导入到 Vanna 中，才能正确地生成 SQL 查询语句。
复杂查询生成能力有限：对于一些非常复杂的查询语句，如果自然语言描述不够明确或存在歧义，可能导致 Vanna 无法正确生成 SQL 语句。

`Vanna的关键原理`

借助数据库的DDL语句、元数据（数据库内关于自身数据的描述信息）、相关文档说明、参考样例SQL等训练一个RAG的“模型”（embedding+向量库）；

并在收到用户自然语言描述的问题时，从RAG模型中通过语义检索出相关的内容，进而组装进入Prompt，然后交给LLM生成SQL。

Vanna 的工作过程分为两个简单步骤 :

在给定的数据上训练 RAG“模型”-本质上是基于文档（建表语句、相关sql查询、表或者字段的comment）作为资料，进行Embedding后存入向量库。
然后提出问题，基于这些问题去向量库检索相关信息，这些问题传给大模型返回 SQL 查询，这些查询可以设置为在您的数据库上自动运行。

具体步骤包括：

训练：根据您的数据训练 RAG“模型”，或者说根据数据结构构建向量库。用户可以使用 DDL 语句、文档或样例 SQL 查询对 Vanna 进行训练，让它掌握数据库的结构、业务术语和查询模式。Vanna 会将训练数据转化为向量嵌入，存储在向量数据库中，并建立元数据索引，以便于后续检索。

问问题：问Vanna关于数据的各种问题，如"上个月销量最大的5个商品"

检索：Vanna对问题的处理与其他RAG系统一样，检索对应的DDL 语句、文档或样例 SQL。

生成 SQL： Vanna 利用LLM（例如 GPT-4），结合上下文信息，将自然语言问题转化为精准的 SQL 查询语句。

执行 & 展示：数据库收到 Vanna 生成的 SQL 查询后，就会执行查询。Vanna 会将查询结果整理成易于理解的格式，例如表格或图表，呈现给用户。

`训练`

Vanna的RAG模型训练，支持以下几种方式：

1. DDL语句

DDL有助于Vanna了解你的数据库表结构信息。

vn.train(ddl="""CREATE TABLE IF NOT EXISTS my-table (id INT PRIMARY KEY,name VARCHAR(100),age INT)
""")

2. 文档内容

可以是你的企业、应用、数据库相关的任何文档内容，只要有助于Vanna正确生成SQL即可，比如对你行业特有名词的解释、特殊指标的计算方式等。

vn.train(documentation="Our business defines XYZ as ABC")

3. SQL或者SQL问答对

即SQL的样例，这显然有助于大模型学习针对您数据库的知识，特别是有助于理解提出问题的上下文，可以大大提高sql生成正确性。

vn.train(question="What is the average age of our customers?",sql="SELECT AVG(age) FROM customers")

4. 训练计划（plan）

这是vanna提供的一种针对大型数据库自动训练的简易方法。借助RDBMS本身的数据库内元数据信息来训练RAG model，从而了解到库内的表结构、列名、关系、备注等有用信息。

df_information_schema=vn.run_sql("SELECT * FROM INFORMATION_SCHEMA.COLUMNS")
plan=vn.get_training_plan_generic(df_information_schema)
vn.train(plan=plan)

`提问`

vn.ask("What are the top 10 customers by sales?")

你会得到 SQL

SELECT c.c_name as customer_name, sum(l.l_extendedprice * (1 - l.l_discount)) as total_sales 
FROM snowflake_sample_data.tpch_sf1.lineitem l join snowflake_sample_data.tpch_sf1.orders o ON l.l_orderkey = o.o_orderkey join snowflake_sample_data.tpch_sf1.customer c ON o.o_custkey = c.c_custkey 
GROUP BY customer_name 
ORDER BY total_sales desc limit 10;

如果已连接到数据库，将获得类似以下内容的查询结果：

也可以通过Plotly chart进行绘图：

`Vanna``三个主要基础设施`

Database，即需要进行查询的关系型数据库
VectorDB，即需要存放RAG“模型”的向量库
LLM，即需要使用的大语言模型，用来执行Text2SQL任务

`配置LLM和向量数据库`

默认情况下，Vanna支持使用其在线LLM服务（对接OpenAI）与向量库，可以无需对这两个进行任何设置，即可使用。因此使用Vanna最简单的原型只需要五行代码：

import vanna from vanna.remote 
import VannaDefault 
vn = VannaDefault(model='model_name', api_key='api_key') 
vn.connect_to_sqlite('https://vanna.ai/Chinook.sqlite') 
vn.ask("What are the top 10 albums by sales?")

这里的OpenAI_Chat和ChromaDB_VectorStore是Vanna已经内置支持的LLM和VectorDB。

如果你需要支持非内置支持的LLM和vectorDB，则需要首先扩展出自己的LLM类与VectorDB类，

实现必要的方法（具体可参考官方文档），然后再扩展出自己的Vanna对象。