LLM4IR-Survey: 大型语言模型在信息检索中的应用综述

引言

近年来,大型语言模型(Large Language Models, LLMs)在自然语言处理领域取得了突破性进展,展现出强大的自然语言理解和生成能力。作为人工智能和机器学习的前沿技术,LLMs也正在为信息检索(Information Retrieval, IR)领域带来新的机遇与挑战。本文旨在全面梳理LLMs在IR各个环节的应用现状,探讨其潜力与局限性,为该领域的未来研究提供参考。

LLMs在IR中的应用概览

LLMs在IR系统的各个环节都展现出了广阔的应用前景,主要包括以下几个方面:

1. 查询重写(Query Rewriter):利用LLMs改写和扩展原始查询,提高检索效果。
2. 检索(Retriever):将LLMs用于生成训练数据或优化检索模型架构。
3. 重排序(Reranker):利用LLMs对检索结果进行更精确的排序。
4. 阅读理解(Reader):结合外部知识增强LLMs的问答能力。
5. 搜索代理(Search Agent):将LLMs作为智能搜索代理,提供更自然的人机交互体验。

下面我们将详细介绍LLMs在这些方面的具体应用。

查询重写

查询重写旨在通过改写或扩展用户的原始查询,以提高检索系统的效果。LLMs凭借其强大的语言理解和生成能力,在该任务中展现出了显著优势。

提示方法

提示方法(Prompting Methods)是利用LLMs进行查询重写的主要方式之一。研究者们探索了多种提示策略:

1. 直接生成式扩展:如Query2doc[1]直接让LLMs生成相关文档内容来扩展查询。
2. 伪相关反馈:Mackie等人[2,3]利用LLMs生成伪相关文档,进行查询扩展。
3. 上下文感知扩展:Mao等人[5]提出了利用LLMs理解对话上下文进行查询重写的方法。
4. 零样本扩展:Gao等人[6]探索了在无标注数据的情况下,利用LLMs进行查询扩展的方法。

这些方法充分发挥了LLMs的语言理解能力,能够生成语义丰富的扩展查询。

微调方法

除了提示方法,研究者们也探索了对LLMs进行微调以适应特定领域的查询重写任务。如Srinivasan等人[1]在QUILL系统中探索了微调方法作为基线。微调虽然需要标注数据,但能够使模型更好地适应特定领域。

知识蒸馏方法

知识蒸馏是另一种利用LLMs进行查询重写的方法。如QUILL系统[1]采用多阶段蒸馏方法,将大型LLMs的知识迁移到更小的模型中。Feng等人[2]和Ma等人[3]也探索了类似的知识蒸馏方法。这种方法可以在保留LLMs性能的同时,降低模型的复杂度。

检索

在检索阶段,LLMs主要通过两种方式发挥作用:生成训练数据和优化检索模型架构。

利用LLMs生成搜索数据

LLMs强大的文本生成能力使其成为生成高质量训练数据的有力工具:

1. 生成查询-文档对:如InPars[1]和Promptagator[4]利用LLMs生成大量的查询-文档对来训练检索模型。
2. 生成对话式检索数据:CONVERSER[8]利用LLMs生成对话式检索的训练数据。
3. 跨语言数据生成:Thakur等人[9]探索了利用LLMs生成多语言检索数据的方法。

这些方法大大扩充了检索模型的训练数据,有助于提高模型的泛化能力。

利用LLMs增强模型架构

研究者们还探索了将LLMs整合到检索模型架构中:

1. 对比学习:Neelakantan等人[1]提出了基于对比学习的文本和代码嵌入方法。
2. 多阶段检索:Ma等人[2]探索了利用LLaMA进行多阶段文本检索的方法。
3. 指令驱动检索:Asai等人[4]提出了基于指令的检索方法,增强了模型的任务适应性。

这些方法充分利用了LLMs的语言理解能力,提高了检索模型的性能。

重排序

重排序是IR系统的关键环节,LLMs在该任务中也展现出了巨大潜力。

有监督重排序

研究者们探索了多种将LLMs用作有监督重排序器的方法:

1. 多阶段重排序:Nogueira等人[1]提出了基于BERT的多阶段文档重排序方法。
2. 序列到序列重排序:Nogueira等人[2]探索了利用预训练序列到序列模型进行文档排序的方法。
3. 多视图学习:Ju等人[3]提出了基于文本到文本多视图学习的段落重排序方法。

这些方法充分利用了LLMs的语言理解能力,显著提升了重排序的效果。

无监督重排序

除了有监督方法,研究者们也探索了利用LLMs进行无监督重排序:

1. 零样本重排序:Liang等人[1]在HELM评估中探索了LLMs的零样本重排序能力。
2. 生成式问题回答:Sachan等人[2]提出了利用零样本问题生成进行段落检索的方法。
3. 离散提示优化:Cho等人[3]探索了通过约束生成优化离散提示的零样本重排序方法。

这些无监督方法不需要标注数据,展现了LLMs强大的迁移学习能力。

训练数据增强

LLMs还被用于生成高质量的重排序训练数据:

1. 解释增强:Ferraretto等人[1]提出了ExaRanker,利用LLMs生成解释来增强神经重排序器。
2. 合成文档生成:Askari等人[2]探索了利用LLMs生成合成文档来训练交叉编码器重排序器。
3. 指令蒸馏:Sun等人[4]提出了通过指令蒸馏将LLMs的知识迁移到更小的重排序模型中。

这些方法通过高质量的合成数据,显著提升了重排序模型的性能。

阅读理解

在阅读理解阶段,LLMs主要通过两种方式发挥作用:被动阅读器和主动阅读器。

被动阅读器

被动阅读器主要通过检索增强的方式来增强LLMs的问答能力:

1. 预训练阶段检索增强:如REALM[1]和RAG[2]在预训练阶段引入检索机制。
2. 推理阶段检索增强:如REPLUG[3]和Atlas[4]在推理阶段动态检索外部知识。
3. 迭代检索生成:Shao等人[17]和Feng等人[18]探索了检索和生成的迭代协同方法。

这些方法通过引入外部知识,显著增强了LLMs的问答能力。

主动阅读器

主动阅读器则赋予LLMs更主动的推理能力:

1. 思维链推理:Press等人[1]探索了提高LLMs组合推理能力的方法。
2. 元推理:Yoran等人[3]提出了基于多条思维链进行元推理的方法。
3. 计划驱动检索:Lee等人[4]和Wang等人[5]探索了基于计划的检索增强生成方法。

这些方法使LLMs具备了更强的推理能力,能够处理更复杂的问题。

搜索代理

将LLMs作为搜索代理是一个新兴的研究方向,旨在提供更自然、智能的搜索体验。

静态代理

静态搜索代理主要关注如何将LLMs与现有搜索系统结合:

1. 对话式搜索:如LaMDA[1]探索了基于LLMs的对话式搜索系统。
2. 模块化搜索:Shuster等人[2]提出了将搜索、生成等模块化组合的方法。
3. 引用支持:Menick等人[3]探索了让LLMs生成带有验证引用的答案的方法。

这些方法为构建更智能的搜索系统提供了新的思路。

动态代理

动态搜索代理则赋予LLMs更强的主动性和规划能力:

1. 网络代理:Gur等人[5]探索了具备规划、长上下文理解和程序合成能力的网络代理。
2. 协作搜索:Gong等人[7]提出了基于LLMs的轻量级协作搜索代理。

这些方法使搜索代理具备了更强的自主性和适应性。

结论与展望

本文全面梳理了LLMs在IR各个环节的应用现状。可以看到,LLMs凭借其强大的语言理解和生成能力,在查询重写、检索、重排序、阅读理解等多个方面都展现出了巨大潜力。特别是在搜索代理方面,LLMs为构建更智能、自然的搜索系统开辟了新的方向。

然而,LLMs在IR中的应用仍面临一些挑战,如如何更好地结合领域知识、如何提高模型的可解释性和可控性、如何降低计算成本等。未来的研究可以在以下几个方向继续深入:

1. 探索更有效的知识融合方法,使LLMs能够更好地利用结构化和非结构化知识。
2. 研究更高效的模型架构和训练方法,降低LLMs在IR应用中的计算成本。
3. 提高LLMs在IR任务中的可解释性和可控性,增强模型的可信度。
4. 探索LLMs与其他AI技术(如多模态、强化学习等)在IR中的结合应用。

总的来说,LLMs为IR领域带来了新的机遇与挑战。相信随着研究的深入,LLMs将在提升搜索体验、增强信息获取能力等方面发挥越来越重要的作用。

参考资料

1. Zhu, Y., Yuan, H., Wang, S., Liu, J., Liu, W., Deng, C., ... & Wen, J. R. (2023). Large Language Models for Information Retrieval: A Survey. arXiv preprint arXiv:2308.07107.

2. GitHub - RUC-NLPIR/LLM4IR-Survey: https://github.com/RUC-NLPIR/LLM4IR-Survey

3. LLM4IR-Survey/README.md: https://github.com/RUC-NLPIR/LLM4IR-Survey/blob/main/README.md