.NET 原生驾驭 AI 新基建实战系列（七）：Weaviate ── 语义搜索的智能引擎创新者

引言

随着人工智能和机器学习技术的迅猛发展，向量数据在推荐系统、自然语言处理、图像搜索等领域的应用日益广泛。传统的数据库在处理高维向量数据时往往面临性能瓶颈，而向量数据库的出现为这一问题提供了高效的解决方案。Weaviate 作为一个开源的向量数据库，以其高性能、易用性和灵活性受到开发者的青睐。同时，微软的开源框架 Semantic Kernel 将 Weaviate 集成到其生态系统中，进一步增强了构建智能应用的能力。

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Weaviate 的背景和特点

什么是 Weaviate？

Weaviate 是一个开源的向量数据库，专为存储和管理高维向量数据而设计。它旨在帮助开发者轻松实现高效的相似性搜索，广泛应用于机器学习、自然语言处理和图像处理等领域。与传统的数据库不同，Weaviate 专注于向量数据的存储和查询，提供了一种简单而强大的工具，使开发者能够专注于应用程序的开发，而无需过多关注底层数据库的复杂性。

Weaviate 的设计理念是“数据即向量”（Data as Vectors），它将数据表示为高维向量，并通过先进的索引技术实现快速的相似性匹配。这种能力使其成为构建智能应用的核心组件。

Weaviate 的核心特点

1. 高性能相似性搜索
   Weaviate 采用先进的索引技术（如 HNSW，层次可导航小世界图），能够在海量高维向量数据中快速找到与查询向量最相似的结果。这种高性能使其适用于实时应用场景。

2. 易用性
   Weaviate 提供了直观的 RESTful API 和多种语言的 SDK（如 C#、Python、JavaScript），开发者可以通过简单的代码完成向量的插入和查询操作。

3. 可扩展性
   Weaviate 支持水平扩展，能够根据数据量和查询负载动态调整资源，确保在高并发环境下的稳定性。

4. 灵活性
   Weaviate 支持多种距离度量方式（如余弦相似度、欧几里得距离、点积），并允许为向量附加元数据，增强了数据管理的灵活性。

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Weaviate 的核心原理与运行机制

1. 向量存储

Weaviate 的核心是将数据对象（如文本、图像、音频等）转换为高维向量进行存储。这些向量通过机器学习模型（例如 Word2Vec、BERT 或 ResNet）生成，能够捕捉数据的语义和特征。每个数据对象在高维空间中被表示为一个点，方便后续的相似性搜索。

2. 索引机制

为了高效存储和检索向量，Weaviate 使用了专门的索引结构，主要包括：

• HNSW（层次可导航小世界）：HNSW 将向量数据组织成一个层次化的图结构，每一层中的节点通过边连接到相邻的节点。搜索时，算法从顶层开始，逐步向下导航到最底层，最终找到与查询向量最相似的候选向量。这种方法在速度和精度之间取得了良好的平衡。
• IVF（倒排文件索引）：将向量空间划分为多个簇，每个簇有一个中心向量，查询时先定位最近的簇中心，再在簇内精确搜索。 这些索引方法能够在高维空间中快速找到与查询向量最相似的对象。

Weaviate 在插入数据时自动构建索引，用户只需指定向量维度和距离度量方式，系统会根据数据分布优化索引参数。

3. 数据模型

Weaviate 提供灵活的数据模型，用户可以自定义 schema 来定义数据对象的属性和类型。除了存储向量，它还能保存标量数据（如文本、数字、日期等），这些标量数据可与向量结合，用于过滤和查询。

4. 查询机制

Weaviate 支持多种查询方式：

• 向量搜索：输入一个查询向量，返回与其最相似的对象。
• 标量搜索：基于标量属性进行过滤和查询。
• 混合查询：结合向量搜索和标量过滤，满足更复杂的查询需求。

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查询结果通常按相似度排序，用户可指定返回结果的数量或设置相似度阈值。

• 查询流程：

  1. 输入预处理：对查询向量进行归一化（若使用余弦相似度）。
  2. 索引导航：利用 HNSW 索引定位候选向量。
  3. 结果排序：对候选向量计算精确距离，返回 topK 结果。

• 距离度量：
  Weaviate 支持多种度量方式，用户可根据应用场景选择合适的算法。例如，余弦相似度常用于文本嵌入，而欧几里得距离适用于图像特征。

5. 实时性和扩展性

Weaviate 支持实时数据插入和查询，适合处理大规模数据集。它还具备水平扩展能力，通过增加节点可以提升存储和查询容量。

6. 集成和生态系统

Weaviate 提供丰富的 API 和 SDK，支持多种编程语言，便于开发者集成。它还能与流行的机器学习框架（如 TensorFlow、PyTorch）和数据处理工具（如 Apache Spark）无缝协作。

7. 持久化和安全性

Weaviate 支持数据持久化存储，确保系统重启后数据不丢失，并提供备份和恢复机制。它还具备身份验证、授权功能，以及 SSL/TLS 加密，保障数据访问和传输的安全性。

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Weaviate 在 Semantic Kernel 中的集成

什么是 Semantic Kernel？

Semantic Kernel 是微软推出的一款开源框架，旨在帮助开发者将大型语言模型（LLM）和其他 AI 技术集成到应用程序中。它提供了一套工具和 API，支持语义记忆、功能编排和智能代理的开发。在 Semantic Kernel 中，内存存储（Memory Store）是一个关键组件，用于管理语义数据。

Weaviate 通过 WeaviateMemoryStore 类集成到 Semantic Kernel 中，遵循 IMemoryStore 接口，将其向量存储和查询能力与 Semantic Kernel 的语义记忆功能结合。

WeaviateMemoryStore 的作用

WeaviateMemoryStore 是 Semantic Kernel 中的一个实现类，负责与 Weaviate 服务交互。它的工作流程包括：

1. 向量生成：通过嵌入模型将文本转换为向量。
2. 向量存储：将生成的向量上传到 Weaviate 的集合中。
3. 向量查询：根据输入查询，检索与目标向量最相似的记忆。

代码实现

我们可以参考 Semantic Kernel 的 GitHub 仓库中的 WeaviateMemoryStoreTests.cs 文件，了解 WeaviateMemoryStore 的具体实现。以下是一个简化的测试用例：

using Microsoft.SemanticKernel.Connectors.Weaviate;
using Xunit;

public class WeaviateMemoryStoreTests
{
    [Fact]
    public async Task CanStoreAndRetrieveMemoryAsync()
    {
        // Arrange
        var weaviateClient = new WeaviateClient("your-endpoint", "your-api-key");
        var memoryStore = new WeaviateMemoryStore(weaviateClient);
        var collection = "test-collection";
        var key = "test-key";
        var value = "This is a test memory";

        // Act
        await memoryStore.SaveAsync(collection, key, value);
        var result = await memoryStore.GetAsync(collection, key);

        // Assert
        Assert.NotNull(result);
        Assert.Equal(value, result.Value);
    }
}

这个测试用例展示了如何使用 WeaviateMemoryStore 存储和检索数据，验证了其基本功能的正确性。

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Weaviate 的使用方法

为了帮助读者掌握 Weaviate 的使用方法，以下通过详细的 C# 代码示例，展示如何操作 Weaviate 并将其集成到 Semantic Kernel 中。

1. 配置 Weaviate 客户端

在使用 Weaviate 之前，需要初始化客户端实例，提供服务端点和 API 密钥。

using Microsoft.SemanticKernel.Connectors.Weaviate;

var weaviateClient = new WeaviateClient(
    endpoint: "http://localhost:8080", // 替换为实际端点
    apiKey: "your-api-key"            // 替换为实际密钥
);

2. 创建集合

集合是 Weaviate 中存储向量的容器，需要指定名称和 schema。

await weaviateClient.CreateCollectionAsync(
    collectionName: "my-collection",
    schema: new Schema
    {
        Properties = new List<Property>
        {
            new Property { Name = "text", DataType = new List<string> { "string" } }
        }
    }
);

3. 插入向量数据

假设我们有一些文本数据需要转换为向量并存储到 Weaviate 中。

var vectors = new List<Vector>
{
    new Vector
    {
        Id = "doc1",
        Values = new float[] { 0.1f, 0.2f, 0.3f /* 1536 个值 */ },
        Metadata = new Dictionary<string, object> { { "text", "Hello world" } }
    },
    new Vector
    {
        Id = "doc2",
        Values = new float[] { 0.4f, 0.5f, 0.6f /* 1536 个值 */ },
        Metadata = new Dictionary<string, object> { { "text", "Weaviate test" } }
    }
};

await weaviateClient.UpsertAsync("my-collection", vectors);

4. 查询相似向量

查询时，提供一个查询向量并指定返回的结果数量（topK）。

var queryVector = new float[] { 0.1f, 0.2f, 0.3f /* 1536 个值 */ };
var results = await weaviateClient.QueryAsync(
    collectionName: "my-collection",
    vector: queryVector,
    topK: 5
);

foreach (var result in results)
{
    Console.WriteLine($"ID: {result.Id}, Score: {result.Score}");
}

5. 在 Semantic Kernel 中使用 WeaviateMemoryStore

以下是一个完整的示例，展示如何将 Weaviate 集成到 Semantic Kernel 中。

using Microsoft.SemanticKernel;
using Microsoft.SemanticKernel.Memory;
using Microsoft.SemanticKernel.Connectors.Weaviate;

class Program
{
    static async Task Main(string[] args)
    {
        // 初始化 Weaviate 客户端
        var weaviateClient = new WeaviateClient("http://localhost:8080", "your-api-key");
        var memoryStore = new WeaviateMemoryStore(weaviateClient);

        // 创建 Semantic Kernel 实例
        var kernel = Kernel.CreateBuilder()
            .AddMemoryStore(memoryStore)
            .Build();

        // 保存记忆
        await kernel.Memory.SaveAsync(
            collection: "my-collection",
            key: "doc1",
            value: "Hello world",
            description: "A simple greeting"
        );

        // 搜索记忆
        var searchResults = await kernel.Memory.SearchAsync(
            collection: "my-collection",
            query: "Hello",
            limit: 5
        );

        foreach (var result in searchResults)
        {
            Console.WriteLine($"Key: {result.Key}, Relevance: {result.Relevance}");
        }
    }
}

在这个示例中，Semantic Kernel 自动将文本转换为向量并存储到 Weaviate 中，搜索时利用 Weaviate 的相似性匹配功能返回结果。

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实际应用场景

Weaviate 和 Semantic Kernel 的结合适用于多种实际场景，以下是几个典型示例：

1. 语义搜索

在文档管理系统中，可以将文档内容转换为向量，实现基于语义的搜索。

var queryVector = new float[] { 0.1f, 0.2f, 0.3f /* 1536 个值 */ };
var results = await weaviateClient.QueryAsync("docs-collection", queryVector, topK: 5);
foreach (var result in results)
{
    Console.WriteLine($"文档 ID: {result.Id}, 相似度: {result.Score}");
}

2. 推荐系统

将用户行为和物品特征转换为向量，实现个性化推荐。

var userVector = new float[] { 0.4f, 0.5f, 0.6f /* 1536 个值 */ };
var results = await weaviateClient.QueryAsync("items-collection", userVector, topK: 10);
Console.WriteLine("推荐的物品：");
foreach (var result in results)
{
    Console.WriteLine($"物品 ID: {result.Id}, 相似度: {result.Score}");
}

3. 图像搜索

将图像特征提取为向量，实现基于内容的图像搜索。

var imageVector = new float[] { 0.7f, 0.8f, 0.9f /* 1536 个值 */ };
var results = await weaviateClient.QueryAsync("images-collection", imageVector, topK: 3);
foreach (var result in results)
{
    Console.WriteLine($"图像 ID: {result.Id}, 相似度: {result.Score}");
}

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性能与可扩展性

性能分析

Weaviate 的高性能得益于其 HNSW 索引算法，能够在毫秒级别内完成大规模向量查询。根据官方数据，Weaviate 在处理数百万向量时仍能保持亚秒级的响应时间，非常适合实时应用。

可扩展性设计

Weaviate 支持分布式部署，通过水平扩展增加节点数量，提升处理能力。开发者可以通过配置调整资源，满足不同规模的应用需求。

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最佳实践与注意事项

1. 选择合适的距离度量
   根据应用场景选择度量方式。例如，文本嵌入使用余弦相似度，图像特征使用欧几里得距离。

2. 批量操作
   在插入大量向量时，使用批量操作提高效率：

   var largeVectors = new List<Vector> { /* 数千个向量 */ };
   await weaviateClient.UpsertAsync("my-collection", largeVectors);

3. 优化向量维度
   高维度向量增加计算成本，建议使用降维技术（如 PCA）在保证准确性的前提下降低维度。

4. 安全性
   不要在代码中硬编码 API 密钥，建议使用环境变量存储。

5. 性能监控
   定期检查查询延迟和资源使用情况，及时优化配置。

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结语

Weaviate 作为一个开源向量数据库，以其高性能、易用性和可扩展性，成为处理高维向量数据的理想选择。通过与 Semantic Kernel 的集成，开发者可以轻松构建智能应用，利用 Weaviate 的向量搜索能力实现语义记忆、推荐系统等功能。本文通过详细的 C# 代码示例和应用场景分析，展示了 Weaviate 的强大功能及其在实际项目中的使用方法。

无论是初学者还是经验丰富的开发者，Weaviate 和 Semantic Kernel 的组合都提供了一个高效的平台，帮助他们将 AI 技术快速落地到现实世界中。未来，随着向量搜索技术的不断进步，Weaviate 将在更多领域展现其价值。

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参考文献

• Weaviate 官方文档：https://weaviate.io/developers/weaviate
• Semantic Kernel GitHub 仓库：https://github.com/microsoft/semantic-kernel
• WeaviateMemoryStoreTests.cs 文件：https://github.com/microsoft/semantic-kernel/blob/main/dotnet/src/Connectors/Connectors.Weaviate.UnitTests/WeaviateMemoryStoreTests.cs