【Text2SQL 论文】CHESS：利用上下文来合成 SQL 的 pipeline_chess text2sql

一、论文速读

本文提出了一个 pipeline 框架——CHESS——来解决应用于复杂的真实数据库场景下的 Text2SQL 问题。

在现实场景下，数据库 schema 通常包含不明确的 column name、table name 和混乱的数据，这都对 SQL 转换问题提出了挑战，因此需要一个健壮的检索系统来识别出其中相关的信息。下图展示了一个在做 Text2SQL 时会面临的挑战：

• 1）用户问题可能没有确切的数据库值
• 2）column name 可能不能很好的表示这一列存储了什么数据，因此需要 database catalogs 信息来辅助
• 3）对于一个 question，有多种 SQL 写法

在以往的研究中，大多将 SQL 生成的上下文限制为 table schema、column 定义和 sample rows，但在生产级数据库中，db catelog、db value 也是重要的辅助信息。

本文提出了 CHESS，一个针对现实世界的复杂 DB 的 Text2SQL 系统，它引入了一个 scalable、effective 的 LLM-based 的 pipeline 用于 SQL 生成，主要由三个组件构成：entity and context retrieval、schema selection、SQL generation。

二、CHESS pipeline

CHESS 整个 pipeline 执行的流程如下图所示，共由三个模块组成：

这个流程中有一个需要解决的关键问题是：由于 LLM 上下文窗口的限制，无法将 DB 所有信息都传给 LLM，但 context 又不能缺失有关信息，因此过滤出有用的 DB 信息是需要特别关注的。

2.1 Entity and Context Retrieval

这个 module 需要将 user question 中提及到的相关 entity 和 db schema 提取出来，用于后序步骤的输入。这个过程分成 3 步：

• Keyword Extraction：这一步是从 NL 中提取出 keywords，使用的方法就是 prompt + few-shots ICL 来让 LLM 提取出 keywords、keyphrases、named entities。
• Entity Retrieval：在得到 keyword list 后，我们从数据库中检索相似的值，并为每个 keyword 返回相关的 db cell value，以及对应的 column。这里的检索方法采用了局部敏感哈希（LSH）和 semantic embedding similarity 检索的分层检索策略，从而高效地检索出与 keyword 语法和语义都相似的 cell value。
• Context Retrieval：除了 db cell value，数据库中的 catelogs 包含了解释 db schema 的可用信息（比如注释），这一步使用 vector db 来检索与 keyword 最相似的描述信息。

2.2 Schema Selection

这个 module 是缩小 schema 的范围，使之只包含生成 SQL 时必要的 tables 和 columns。这种过滤后的 schema 称为 efficient schema。这里分为如下步骤：

• Individual Column Filtering：这一步是筛选掉 db 中不相关的 columns，只将最相关的 columns 传递给表选择步骤。实现方式上，是将每个 column 与 question 的相关性视为一个二分类任务，本质上是询问 LLM 该列是否可能与 question 有关。注意，这一步只对移除明显不相关的 columns 有用，之后会再次过滤。
• Table Selection：过滤掉不相关的 columns 之后，这一步继续选择必需的 tables。实现方式是，将前一步过滤的 schema 交给 LLM 来评估 table 与 question 的相关性，并只选择与 SQL 查询所需要的 tables。
• Final Column Selection：从选择出的 tables 中再次过滤 columns，将 schema 减少到生成 SQL 所需的最小列集。实现方式是，prompt LLM 让它评估每一 column 的必要性，包含它的 Chain-of-Thought 的解释。

2.3 Query Generation

前面的步骤已经选出了一个上下文增强的 efficient schema，其中包含了创建 SQL 所需的所有必要信息。下面的步骤中，就是先生成一个候选 SQL，然后对此 SQL 执行并让 LLM 修复其中的语义和语法错误。

• Candidate Generation：通过 prompt LLM 让它生成一个候选 SQL
• Revision：基于 context 和候选 SQL 的执行结果，要求 model 评估 SQL 查询的正确性，并在必要时对其进行修改。具体实现时，可能会给他一套 rules，同时使用 self-consistency 等技巧。

三、预处理

在 CHESS pipeline 中，需要使用 LSH 算法检索和 vector db 检索，因此需要一个预处理过程来为数据库构建检索索引。

四、实验

论文主要在 BIRD 和 Spider 上做了实验，LLM 选择了多种类型进行了对比。

下图是 CHESS 与现有方法的对比：

• 红色是 CHESS 框架并使用专用模型，蓝色是使用了开源通用模型

五、总结讨论

CHESS pipeline 在 BIRD 和 Spider 数据集上都取得了不错的表现。此外，CHESS 还开发了一个完全开源的版本，可以私有部署，且在 BIRD 上执行准确率超过 60%，缩小了闭源和开源 LLM 的性能差距，同时保证了企业数据隐私。

但对于 BIRD 数据集，目前的模型仍然不如人类写 SQL 的表现，未来的工作应该旨在进一步缩小这个差距。

此外，设计更高精度的 schema selection 方法是未来研究的一个高影响领域，可以对准确性产生巨大影响。