Python+AI 实战：搭建智能问答机器人

核心代码实现

现在让我们开始编写代码。整个项目将被组织为清晰的模块，包括知识库构建、向量检索、LLM 推理和主循环控制。所有代码均在 Python 3.10+ 环境中测试通过。

第一步：安装依赖

首先，我们需要安装必要的 Python 库。创建一个 requirements.txt 文件：

transformers>=4.35.0 sentence-transformers>=2.2.2 faiss-cpu>=1.7.4 langchain>=0.1.0 langchain-community>=0.0.10 torch>=2.0.0 accelerate>=0.25.0 pypdf>=3.17.0 python-dotenv>=1.0.0

然后执行安装命令：

pip install -r requirements.txt

如果你的机器有 NVIDIA GPU，建议安装 faiss-gpu 替代 faiss-cpu 以获得更快的检索速度。

第二步：构建本地知识库

假设我们有一份 Markdown 格式的产品手册作为知识库。以下代码展示了如何加载文档并进行切分：

# knowledge_base.py
import os
from typing import List, Dict
import re

class KnowledgeBase:
    """本地知识库管理类"""
    def __init__(self, chunk_size: int = 500, chunk_overlap: int = 50):
        """ 初始化知识库
        Args:
            chunk_size: 文本块的最大字符数
            chunk_overlap: 相邻文本块之间的重叠字符数
        """
        self.chunk_size = chunk_size
        self.chunk_overlap = chunk_overlap
        self.documents = []  # 存储所有文本块

    def load_markdown_file(self, file_path: str) -> str:
        """ 加载 Markdown 文件内容
        Args:
            file_path: 文件路径
        Returns:
            文件文本内容
        """
        with open(file_path, 'r', encoding='utf-8') as f:
            return f.read()

    def split_text_into_chunks(self, text: str, source: str = "") -> List[Dict]:
        """ 将长文本切分为小块
        Args:
            text: 待切分的文本
            source: 文本来源标识（如文件名）
        Returns:
            文本块列表，每个块包含内容和元数据
        """
        chunks = []
        start = 0
        text_length = len(text)
        while start < text_length:
            end = start + self.chunk_size
            # 如果不是最后一块，尝试在句号、问号或换行处切分
            if end < text_length:
                # 寻找最近的句子结束符
                for delimiter in ['。', '！', '？', '\n\n', '. ', '! ', '? ']:
                    pos = text.rfind(delimiter, start, end)
                    if pos != -1:
                        end = pos + len(delimiter)
                        break
            chunk_text = text[start:end].strip()
            if chunk_text:
                # 跳过空块
                chunks.append({'content': chunk_text, 'metadata': {'source': source, 'start': start, 'end': end}})
            # 移动到下一块，考虑重叠区域
            start = end - self.chunk_overlap
        return chunks

    def load_directory(self, directory: str, extension: str = '.md') -> None:
        """ 加载目录下所有指定扩展名的文件
        Args:
            directory: 目录路径
            extension: 文件扩展名
        """
        for filename in os.listdir(directory):
            if filename.endswith(extension):
                file_path = os.path.join(directory, filename)
                print(f"正在加载文件：{filename}")
                content = self.load_markdown_file(file_path)
                chunks = self.split_text_into_chunks(content, source=filename)
                self.documents.extend(chunks)
        print(f"知识库构建完成，共 {len(self.documents)} 个文本块")

    def get_documents(self) -> List[Dict]:
        """获取所有文档块"""
        return self.documents

第三步：生成嵌入向量并构建 FAISS 索引

接下来，我们使用 Sentence-BERT 将文本块转换为向量，并构建 FAISS 索引：

# vector_store.py
import numpy as np
import faiss
from sentence_transformers import SentenceTransformer
from typing import List, Dict, Tuple

class VectorStore:
    """向量存储和检索类"""
    def __init__(self, model_name: str = 'sentence-transformers/all-MiniLM-L6-v2'):
        """ 初始化向量存储
        Args:
            model_name: 嵌入模型名称
        """
        print(f"正在加载嵌入模型：{model_name}")
        self.embedding_model = SentenceTransformer(model_name)
        self.dimension = self.embedding_model.get_sentence_embedding_dimension()
        self.index = None
        self.documents = []  # 存储原始文档块

    def build_index(self, documents: List[Dict]) -> None:
        """ 为文档构建 FAISS 索引
        Args:
            documents: 文档块列表
        """
        self.documents = documents
        print(f"正在为 {len(documents)} 个文档块生成嵌入向量...")
        # 批量生成嵌入向量
        texts = [doc['content'] for doc in documents]
        embeddings = self.embedding_model.encode(texts, show_progress_bar=True, convert_to_numpy=True)
        # 构建 FAISS 索引（使用 L2 距离）
        self.index = faiss.IndexFlatL2(self.dimension)
        self.index.add(embeddings.astype('float32'))
        print(f"索引构建完成，向量维度：{self.dimension}, 索引大小：{self.index.ntotal}")

    def save_index(self, index_path: str, docs_path: str) -> None:
        """ 保存索引和文档到磁盘
        Args:
            index_path: FAISS 索引保存路径
            docs_path: 文档保存路径
        """
        if self.index is None:
            raise ValueError("索引尚未构建")
        faiss.write_index(self.index, index_path)
        np.save(docs_path, self.documents)
        print(f"索引已保存到 {index_path}")
        print(f"文档已保存到 {docs_path}")

    def load_index(self, index_path: str, docs_path: str) -> None:
        """ 从磁盘加载索引和文档
        Args:
            index_path: FAISS 索引路径
            docs_path: 文档路径
        """
        self.index = faiss.read_index(index_path)
        self.documents = np.load(docs_path, allow_pickle=True).tolist()
        print(f"索引已加载，包含 {self.index.ntotal} 个向量")

    def search(self, query: str, top_k: int = 3) -> List[Dict]:
        """ 搜索与查询最相似的文档
        Args:
            query: 查询文本
            top_k: 返回最相似的前 k 个结果
        Returns:
            包含文档内容和相似度分数的列表
        """
        if self.index is None:
            raise ValueError("索引尚未构建或加载")
        # 将查询转换为向量
        query_vector = self.embedding_model.encode([query], convert_to_numpy=True).astype('float32')
        # 搜索最相似的向量
        distances, indices = self.index.search(query_vector, top_k)
        # 构建结果列表
        results = []
        for i, (distance, idx) in enumerate(zip(distances[0], indices[0])):
            if idx < len(self.documents):
                # 确保索引有效
                result = self.documents[idx].copy()
                # 将 L2 距离转换为相似度分数（0-1 之间）
                result['score'] = 1 / (1 + distance)
                result['rank'] = i + 1
                results.append(result)
        return results

第四步：集成轻量级 LLM

现在我们使用 Transformers 库加载 Phi-3 模型进行答案生成：

# llm_generator.py
import torch
from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM
from typing import List, Dict

class LLMGenerator:
    """LLM 答案生成器"""
    def __init__(self, model_name: str = 'microsoft/Phi-3-mini-4k-instruct', device: str = 'auto'):
        """ 初始化 LLM 生成器
        Args:
            model_name: 模型名称或本地路径
            device: 运行设备 ('cuda', 'cpu', 'auto')
        """
        if device == 'auto':
            self.device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'
        else:
            self.device = device
        print(f"正在加载模型：{model_name}")
        print(f"使用设备：{self.device}")
        self.tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name, trust_remote_code=True)
        self.model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
            model_name,
            torch_dtype=torch.float16 if self.device == 'cuda' else torch.float32,
            device_map='auto' if self.device == 'cuda' else None,
            trust_remote_code=True
        )
        if self.device == 'cpu':
            self.model = self.model.to(self.device)
        print("模型加载完成")

    def generate_answer(self, query: str, context_docs: List[Dict], max_new_tokens: int = 256, temperature: float = 0.7) -> str:
        """ 基于上下文生成答案
        Args:
            query: 用户问题
            context_docs: 检索到的相关文档
            max_new_tokens: 最大生成 token 数
            temperature: 采样温度（越低越确定）
        Returns:
            生成的答案
        """
        # 构建上下文
        context_text = "\n\n".join([f"[参考信息 {i+1}]\n{doc['content']}" for i, doc in enumerate(context_docs)])
        # 构建提示词（Prompt Engineering）
        prompt = f"""你是一个专业的智能客服助手。请根据以下参考信息回答用户的问题。
        参考信息： {context_text}
        用户问题：{query}
        请基于参考信息给出准确、简洁、友好的回答。如果参考信息中没有相关内容，请礼貌告知用户你无法从现有资料中找到答案。
        回答："""
        # 编码输入
        inputs = self.tokenizer(prompt, return_tensors='pt', truncation=True, max_length=2048  # 控制输入长度).to(self.device)
        # 生成答案
        with torch.no_grad():
            outputs = self.model.generate(**inputs, max_new_tokens=max_new_tokens, temperature=temperature, do_sample=True if temperature > 0 else False, top_p=0.9, repetition_penalty=1.1, pad_token_id=self.tokenizer.eos_token_id)
        # 解码输出（只返回新生成的部分）
        answer = self.tokenizer.decode(outputs[0][inputs['input_ids'].shape[1]:], skip_special_tokens=True)
        return answer.strip()

第五步：主问答循环

最后，我们将所有组件组合起来，构建完整的问答系统：

# main.py
import os
from dotenv import load_dotenv
from knowledge_base import KnowledgeBase
from vector_store import VectorStore
from llm_generator import LLMGenerator

class QASystem:
    """智能问答系统主类"""
    def __init__(self, knowledge_dir: str = './knowledge', index_path: str = './faiss_index.bin', docs_path: str = './documents.npy', rebuild_index: bool = False):
        """ 初始化问答系统
        Args:
            knowledge_dir: 知识库目录
            index_path: FAISS 索引路径
            docs_path: 文档存储路径
            rebuild_index: 是否重建索引
        """
        # 初始化组件
        self.kb = KnowledgeBase(chunk_size=500, chunk_overlap=50)
        self.vector_store = VectorStore()
        self.llm = LLMGenerator()
        # 加载或构建索引
        if rebuild_index or not os.path.exists(index_path):
            print("正在构建新索引...")
            self.kb.load_directory(knowledge_dir)
            documents = self.kb.get_documents()
            self.vector_store.build_index(documents)
            self.vector_store.save_index(index_path, docs_path)
        else:
            print("正在加载已有索引...")
            self.vector_store.load_index(index_path, docs_path)
        print("=" * 50)
        print("智能问答系统初始化完成！")
        print("=" * 50)

    def ask(self, query: str, top_k: int = 3) -> Dict:
        """ 处理用户问题
        Args:
            query: 用户问题
            top_k: 检索的文档数量
        Returns:
            包含答案和参考信息的字典
        """
        print(f"\n用户问题：{query}")
        print("正在检索相关知识...")
        # 向量检索
        retrieved_docs = self.vector_store.search(query, top_k=top_k)
        print(f"检索到 {len(retrieved_docs)} 个相关文档片段")
        # 生成答案
        print("正在生成答案...")
        answer = self.llm.generate_answer(query, retrieved_docs)
        return {'query': query, 'answer': answer, 'sources': [{'content': doc['content'][:100] + '...', 'score': doc['score'], 'source': doc['metadata']['source']} for doc in retrieved_docs]}

    def run_interactive(self):
        """运行交互式问答循环"""
        print("\n" + "=" * 50)
        print("智能问答系统已就绪！")
        print("输入您的问题，输入 'quit' 或 'exit' 退出")
        print("=" * 50 + "\n")
        while True:
            try:
                query = input("您的问题：").strip()
                if not query:
                    continue
                if query.lower() in ['quit', 'exit', '退出']:
                    print("感谢使用，再见！")
                    break
                # 处理问题
                result = self.ask(query)
                # 显示结果
                print(f"\n{'='*50}")
                print(f"答案：{result['answer']}")
                print(f"{'='*50}")
                print(f"参考信息 (共 {len(result['sources'])} 条):")
                for i, source in enumerate(result['sources'], 1):
                    print(f"\n{i}. 来源：{source['source']}")
                    print(f" 相似度：{source['score']:.3f}")
                    print(f" 内容：{source['content']}")
            except KeyboardInterrupt:
                print("\n\n检测到中断，正在退出...")
                break
            except Exception as e:
                print(f"\n发生错误：{str(e)}")
                print("请尝试重新提问\n")

if __name__ == '__main__':
    # 创建示例知识库目录和文件
    os.makedirs('./knowledge', exist_ok=True)
    # 创建示例知识库文件（如果不存在）
    sample_md = """# 公司员工手册
## 密码重置流程
如果员工忘记了系统登录密码，可以按照以下步骤进行重置：
1. 访问公司内部系统登录页面
2. 点击"忘记密码"链接
3. 输入员工邮箱地址
4. 查收邮箱中的重置链接
5. 点击链接进入密码重置页面
6. 设置新密码（需包含大小写字母、数字和特殊字符）
7. 使用新密码登录系统
如遇到问题，请联系 IT 部门热线：400-123-4567

## 年假申请流程
员工申请年假需要遵循以下流程：
1. 提前至少 3 个工作日提交申请
2. 登录 HR 系统，进入"假期管理"模块
3. 选择年假类型，填写起止日期
4. 填写假期期间的工作交接安排
5. 提交申请等待审批
6. 直属上级审批通过后生效
注意事项：
- 年假最小单位为 0.5 天
- 法定节假日前后 3 天内不得申请年假
- 年假需在当年 12 月 31 日前使用完毕

## 报销流程
员工日常费用报销流程如下：
1. 收集并整理所有原始发票
2. 登录财务系统，进入"费用报销"模块
3. 填写报销单，包括：
   - 费用类型（交通、餐饮、办公用品等）
   - 金额和发票张数
   - 费用事由
4. 上传发票扫描件或照片
5. 提交申请
6. 等待财务部门审核（一般 3-5 个工作日）
7. 审核通过后，费用将转入员工工资卡
报销标准：
- 市内交通：单次不超过 50 元
- 餐饮费用：人均不超过 80 元/餐
- 住宿费用：一线城市不超过 500 元/晚

## 联系方式
各部门联系方式：
- IT 部门：[email protected] | 内线 8888
- HR 部门：[email protected] | 内线 6666
- 财务部门：[email protected] | 内线 9999
"""
    sample_path = './knowledge/员工手册.md'
    if not os.path.exists(sample_path):
        with open(sample_path, 'w', encoding='utf-8') as f:
            f.write(sample_md)
    print(f"已创建示例知识库文件：{sample_path}")
    # 初始化并运行问答系统
    qa_system = QASystem(rebuild_index=True)
    qa_system.run_interactive()

效果演示与优化建议

完成上述代码后，运行 python main.py 即可启动问答系统。以下是几个实际问答示例：

示例 1：密码重置

您的问题：我忘记密码了怎么办？
答案：您可以通过访问公司内部系统登录页面，点击"忘记密码"链接来重置密码。输入您的员工邮箱地址，查收邮箱中的重置链接，点击链接后设置新密码即可。新密码需包含大小写字母、数字和特殊字符。如遇到问题，请联系 IT 部门热线：400-123-4567。

示例 2：年假申请

您的问题：年假怎么申请？
答案：员工申请年假需提前至少 3 个工作日提交申请。请登录 HR 系统的"假期管理"模块，选择年假类型并填写起止日期和工作交接安排，提交后等待直属上级审批。注意年假最小单位为 0.5 天，需在当年 12 月 31 日前使用完毕，且法定节假日前后 3 天内不得申请。

示例 3：超出知识库范围

您的问题：公司有股票期权计划吗？
答案：抱歉，我无法从现有资料中找到关于公司股票期权计划的信息。建议您咨询 HR 部门或查阅公司内部的相关政策文档。您可以通过内线 6666 或发送邮件至 hr@company.com 联系 HR 部门。

从示例中可以看出，系统不仅能够准确检索到相关信息，还能生成自然流畅的回答。当问题超出知识库范围时，系统也能优雅地处理，不会胡编乱造。

常见问题与解决方案

1. 模型幻觉
虽然 RAG 架构大大降低了幻觉风险，但在某些情况下仍可能出现。解决方法包括：

• 在提示词中明确要求"只基于参考信息回答"
• 降低采样温度，使模型输出更确定
• 添加答案验证机制，检查生成内容是否与检索内容一致

2. 上下文截断
当检索到的文档总长度超过模型上下文窗口时，需要截断内容。优化策略：

• 使用更长的上下文模型（如 Phi-3-mini-128k）
• 实现智能文档选择，优先保留高相关性片段
• 对长文档进行压缩摘要

3. 检索精度不足
某些复杂问题可能无法准确检索到相关文档。改进方案：

• 尝试更强大的嵌入模型（如 bge-large-zh-v1.5）
• 实现查询重写，将用户问题转换为更适合检索的形式
• 引入重排序模型（Reranker）对检索结果重新打分

进阶优化方向

缓存机制
对于重复问题，可以缓存答案以加快响应速度。使用 LRU 缓存策略，存储问题 - 答案对，当相同问题再次出现时直接返回缓存结果。

前端集成
将系统封装为 Web API，使用 Flask 或 FastAPI 提供 RESTful 接口，然后构建简洁的前端界面。这样可以让更多用户同时使用，也便于集成到现有系统中。

多模态支持
扩展系统以支持图片、表格等多模态内容。例如，可以使用 OCR 技术提取 PDF 中的图片文字，或使用表格解析器处理结构化数据。

持续学习
实现反馈机制，允许用户标记答案的正确性。收集这些反馈数据，可以用于知识库的更新和模型的微调，形成持续改进的闭环。

总结

1. 本文从零开始，完整演示了如何使用 Python 和开源 AI 技术构建一个本地可运行的智能问答系统。我们实现了基于 RAG 架构的完整流程，包括知识库构建、向量检索、LLM 生成等核心模块。整个系统完全开源、免费，无需依赖任何云端 API，既保护了数据隐私，也控制了使用成本。
2. 这个项目的价值在于它为开发者提供了一个可复制、可扩展的 AI 应用开发范式。掌握了这些核心技术后，你可以轻松扩展到更多场景：接入 Telegram 或微信平台构建聊天机器人、添加语音识别和合成实现多模态交互、集成到企业知识管理系统提供智能搜索等。
3. AI 技术的门槛正在迅速降低，现在的关键是动手实践。希望这篇文章能够成为你探索 AI 应用开发的起点。不要满足于照抄代码，尝试修改参数、替换模型、添加新功能，在实践中深化理解。当你看到自己构建的系统能够真正帮助人们解决问题时，那种成就感是无与伦比的。

下一步行动建议：

1. 运行本文的代码，搭建你的第一个问答系统
2. 准备自己的知识库数据，替换示例内容
3. 尝试不同的嵌入模型和生成模型，比较效果
4. 添加你自己的创意功能，打造独特的应用