顧亦然 王 雨 楊海根

①(南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院 南京 210023)

②(南京郵電大學(xué)智慧校園研究中心 南京 210023)

③(南京郵電大學(xué)寬帶無(wú)線通信技術(shù)教育部工程研究中心 南京 210003)

1 引言

根據(jù)中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心(China internet Network Information Center, CNNIC)發(fā)布的第47次《中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》，中國(guó)短視頻用戶規(guī)模達(dá)8.73億人，人均單日刷視頻時(shí)長(zhǎng)達(dá)125 min，可見短視頻受到了越來(lái)越多的人的喜歡。隨著短視頻的發(fā)展，短視頻的數(shù)量越來(lái)越多，大量冗余的短視頻信息遠(yuǎn)超用戶的個(gè)人需求，導(dǎo)致了信息過(guò)載問(wèn)題。為了解決信息過(guò)載的問(wèn)題，推薦系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，點(diǎn)擊率(Click Through Rate, CTR)預(yù)測(cè)就是推薦系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題[1]。

CTR預(yù)測(cè)任務(wù)主要用于預(yù)測(cè)用戶點(diǎn)擊推薦物品的概率，目前主要的研究方法分為基于機(jī)器學(xué)習(xí)模型的方案[2–4]和基于深度學(xué)習(xí)的方案[5–9]。在傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型中，最早用于解決點(diǎn)擊率預(yù)測(cè)問(wèn)題的是文獻(xiàn)[2]提出的邏輯回歸模型。為了學(xué)習(xí)到特征間的非線性關(guān)系，文獻(xiàn)[3]則提出了混合邏輯回歸模型(Mixed Logistic Regression, MLR)，它是對(duì)邏輯回歸模型的改進(jìn)，進(jìn)一步提升了模型的精度。然而這類模型存在稀疏特征帶來(lái)維度災(zāi)難的問(wèn)題。為了解決現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中存在的數(shù)據(jù)稀疏性的問(wèn)題，Rendle等人[4]提出了因子分解機(jī)模型(Factorization Machine, FM)，該模型使用分解參數(shù)對(duì)所有特征變量交互進(jìn)行建模，將2階的組合特征的權(quán)重分解為兩個(gè)隱含向量的點(diǎn)積，有效緩解了數(shù)據(jù)稀疏性的困擾。隨著深度學(xué)習(xí)在計(jì)算機(jī)視覺、自然語(yǔ)言處理等領(lǐng)域取得巨大成功，越來(lái)越多的學(xué)者利用深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行CTR預(yù)測(cè)。Cheng等人[5]提出了一種將線性模型和深度學(xué)習(xí)模型融合的模型Wide&Deep(Wide&Deep Learning for Recommender Systems)，不僅考慮了低階特征攜帶的信息，而且考慮了高階特征的交互信息，然而Wide部分依賴人工交叉特征。Guo等人[6]在Wide&Deep模型的基礎(chǔ)上，將線性模型換成FM模型，提出了DeepFM(DeepFM: A Factorization-Machine based Neural Network for CTR Prediction)模型，該模型解決了Wide&Deep模型需要手動(dòng)交叉特征的缺點(diǎn)，可以自動(dòng)學(xué)習(xí)到低階和高階特征的交互，但是該模型忽略了用戶的行為本質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)序列的事實(shí)。文獻(xiàn)[7]提出的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recurrent Neural Network, RNN)及其文獻(xiàn)[8]提出的變種長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(Long Short-Term Memory, LSTM)和文獻(xiàn)[9]提出的門控循環(huán)單元(Gated Recurrent Unit, GRU)被廣泛用于用戶行為序列建模，捕獲用戶行為序列間的依賴關(guān)系。然而該類方法受限于循環(huán)結(jié)構(gòu)，缺失低階特征交互信息。

本文提出了一種基于用戶行為序列的短視頻用戶點(diǎn)擊行為預(yù)測(cè)模型。用戶的行為序列蘊(yùn)含了用戶的行為習(xí)慣、不同行為之間的順序依賴關(guān)系以及用戶興趣偏好隨時(shí)間推移而發(fā)生變化的內(nèi)在模式等重要信息[10]，因此本文對(duì)用戶的歷史行為進(jìn)行分析，將用戶的歷史點(diǎn)擊行為按照點(diǎn)擊時(shí)間先后順序進(jìn)行排序，得到用戶的歷史行為序列，將用戶的歷史行為序列作為文本輸入，利用詞向量模型Word2Vec[11–13]進(jìn)行特征提取，提取出一系列序列特征信息用來(lái)表征用戶的動(dòng)態(tài)興趣偏好，通過(guò)FM模型和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Deep Neural Networks, DNN)模型分別學(xué)習(xí)到低階和高階特征交互信息，最終完成用戶對(duì)短視頻進(jìn)行點(diǎn)擊行為的預(yù)測(cè)。在一個(gè)真實(shí)的短視頻平臺(tái)數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的用戶行為預(yù)測(cè)模型優(yōu)于其他幾個(gè)深度學(xué)習(xí)模型。

本文的主要工作總結(jié)如下：

(1)提出一種用于預(yù)測(cè)短視頻用戶對(duì)不同視頻內(nèi)容的發(fā)生點(diǎn)擊行為的概率的模型，包含預(yù)測(cè)用戶對(duì)視頻的點(diǎn)贊、查看視頻評(píng)論、點(diǎn)擊頭像及轉(zhuǎn)發(fā)視頻的概率。

(2)根據(jù)用戶歷史行為發(fā)生的時(shí)間先后順序構(gòu)建用戶歷史行為序列，利用詞向量模型Word2Vec提取出一系列的序列特征用來(lái)表征用戶的偏好；將融合視頻文本、聲音和圖像的多模態(tài)特征向量通過(guò)主成分分析模型(Principal Component Analysis,PCA)進(jìn)行數(shù)據(jù)降維處理得到低維稠密的視頻特征。

(3)在一個(gè)真實(shí)的短視頻平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的模型性能相較于其他深度學(xué)習(xí)模型的性能都有著不同程度的提升。

2 基于用戶行為序列的用戶多行為點(diǎn)擊預(yù)測(cè)模型

2.1 問(wèn)題定義

假設(shè)有n個(gè)用戶與視頻的交互實(shí)例記作 (x,y)，x包含與用戶產(chǎn)生交互的視頻特征，y表示用戶與視頻已產(chǎn)生的交互行為，包括查看視頻評(píng)論、點(diǎn)贊、點(diǎn)擊頭像及轉(zhuǎn)發(fā)行為，y∈{0,1}(y=1表明用戶與視頻產(chǎn)生該交互行為，否則y=0)。x可能包含與用戶產(chǎn)生交互的視頻ID、作者ID及視頻時(shí)長(zhǎng)等基礎(chǔ)特征，也可能包含用戶觀看視頻總和、停留視頻時(shí)長(zhǎng)平均值等交互特征及用戶序列特征。短視頻用戶點(diǎn)擊行為預(yù)測(cè)的任務(wù)就是建立一個(gè)預(yù)測(cè)模型y?i=F(x){i=read_comment, like, click, forward}來(lái)預(yù)測(cè)用戶對(duì)推送的視頻產(chǎn)生點(diǎn)擊行為的概率，其中read_comment, like, click, forward分別表示用戶查看視頻評(píng)論、點(diǎn)贊、點(diǎn)擊頭像和轉(zhuǎn)發(fā)行為。

2.2 模型整體結(jié)構(gòu)

用戶序列特征就是根據(jù)用戶的歷史交互行為產(chǎn)生的，因此對(duì)用戶序列特征的表示就是對(duì)用戶的偏好進(jìn)行了表征。為了提取出用戶對(duì)視頻的偏好，本文提出一種基于用戶行為序列的短視頻用戶多行為點(diǎn)擊預(yù)測(cè)模型(USer multi behavior Click Prediction model, USCP)，模型結(jié)構(gòu)自下而上主要由輸入層、因子分解機(jī)層、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層和輸出層4部分組成。模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模型結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 輸入層

輸入層主要由ID特征、用戶歷史行為特征、視頻特征及融合視頻文本、圖像、聲音等信息的多模態(tài)特征4部分組成。其中ID類特征包括用戶ID、視頻ID、視頻作者ID、背景音樂(lè)歌手ID和背景音樂(lè)ID等5個(gè)ID類特征；用戶歷史行為特征包括用戶播放視頻時(shí)長(zhǎng)、停留視頻時(shí)長(zhǎng)和用戶點(diǎn)贊、轉(zhuǎn)發(fā)、查看評(píng)論、點(diǎn)擊頭像等4種歷史行為；視頻特征包括視頻時(shí)長(zhǎng)、視頻關(guān)鍵字、視頻標(biāo)簽等特征；視頻多模態(tài)特征包含視頻圖像、聲音、文本的多模態(tài)特征信息。

首先將ID類特征和視頻特征進(jìn)行合并后組成基礎(chǔ)特征；為了進(jìn)一步挖掘出用戶對(duì)視頻不同特征如視頻作者、視頻背景音樂(lè)、視頻標(biāo)簽等的偏好，本文對(duì)N天內(nèi)用戶對(duì)視頻的不同特征之間的交互進(jìn)行交叉統(tǒng)計(jì)，得到交互特征。最后將經(jīng)過(guò)處理后的特征送至因子分解機(jī)層和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層來(lái)分別學(xué)習(xí)低階和高階特征交互。

2.2.2 因子分解機(jī)層

為了捕獲基礎(chǔ)特征和交互特征間1階和2階的特征交互信息，本文利用因子分解機(jī)FM模型進(jìn)行低階特征交互。首先，考慮到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中很多特征都是互相關(guān)聯(lián)，彼此聯(lián)系的，如“高跟鞋”和“女性”、“冬天”和“羽絨服”等，因此在線性模型的基礎(chǔ)上引入2階特征組合項(xiàng)xi和xj，得到2階多項(xiàng)式模型

2.2.3 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層

僅通過(guò)FM模型得到1階和2階的特征交互信息顯然是不夠的，生活中還存在很多需要深入分析才能得到特征間的相關(guān)性的場(chǎng)景，比如啤酒和尿布的關(guān)系[14]，從表面上看兩者的屬性似乎沒有任何關(guān)系，但是商家通過(guò)對(duì)1年多的交易記錄進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)了這對(duì)神奇的組合，因此需要更加深入地挖掘特征間的關(guān)系。

2.2.3.1 用戶動(dòng)態(tài)興趣偏好表征

在現(xiàn)實(shí)生活中，用戶的交互行為通?？梢钥闯梢粋€(gè)序列，并且前后不同的交互行為通常存在著一定的依賴關(guān)系，如：一位用戶觀看了吉他彈唱視頻，并且點(diǎn)贊了該視頻，顯然用戶此時(shí)表達(dá)了對(duì)音樂(lè)類視頻有著一定的興趣，本文猜測(cè)接下來(lái)用戶想觀看歌曲演唱視頻的概率應(yīng)該是大于美食視頻的，因?yàn)楦枨莩曨l和吉他彈唱視頻都屬于音樂(lè)類視頻，彼此之間存在一定的關(guān)聯(lián)性。首先本文對(duì)用戶的歷史行為進(jìn)行序列建模，由于用戶的歷史行為發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)都是不同的，將用戶的歷史行為按照時(shí)間先后順序排成一個(gè)序列，用Su=(bu1,bu2,...,bun)表示用戶u的行為序列，1

本文選用Word2Vec模型中的Skip-Gram模型進(jìn)行訓(xùn)練，輸入用戶u的行為序列Su，以用戶當(dāng)前行為bui為中心詞，最終預(yù)測(cè)出用戶u當(dāng)前行為bui窗口兩側(cè)的行為的概率分布，Skip-Gram的模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 Skip-Gram 模型圖

2.2.3.2 DNN網(wǎng)絡(luò)

DNN網(wǎng)絡(luò)是由3層結(jié)構(gòu)組成的一個(gè)多層感知機(jī)，分為輸入層、隱藏層和輸出層，每層結(jié)構(gòu)中包含多個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)[15]。本文利用DNN網(wǎng)絡(luò)來(lái)學(xué)習(xí)用戶與視頻之間的高階特征交互信息，使模型具有較強(qiáng)的泛化能力[16]。

DNN網(wǎng)絡(luò)部分的輸入包含3部分：稠密嵌入向量、序列嵌入向量和多模態(tài)嵌入向量。由于稀疏特征里包含高維稀疏的one-hot向量，需經(jīng)過(guò)稠密嵌入層轉(zhuǎn)化為低維稠密嵌入向量，送入DNN網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練。此外，本文將經(jīng)過(guò)Word2Vec提取到的6種序列嵌入向量和經(jīng)過(guò)降維后的視頻多模態(tài)嵌入向量輸入至DNN網(wǎng)絡(luò)中學(xué)習(xí)高階特征交互。

假設(shè)DNN網(wǎng)絡(luò)的輸入為a(0)=[e0,e1,...,ed](d為輸入的個(gè)數(shù))，則DNN網(wǎng)絡(luò)第l層的輸出為

其中，yi為樣本i的 真實(shí)標(biāo)簽，p(yi)是預(yù)測(cè)出樣本i的概率。

本文采用的優(yōu)化算法是自適應(yīng)梯度算法(Adaptive Gradient, AdaGrad)，該優(yōu)化算法記錄了歷史梯度的逐元素累積平方和，并使用該累積和的平方根的逆作為學(xué)習(xí)率權(quán)重，解決了不同參數(shù)應(yīng)該使用不同的更新速率的問(wèn)題，自適應(yīng)地為各個(gè)參數(shù)分配不同的學(xué)習(xí)率，具體如式(10)、式(11)所示

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 數(shù)據(jù)集

本文的數(shù)據(jù)集來(lái)源于某短視頻平臺(tái)官方公開的數(shù)據(jù)集，通過(guò)脫敏和采樣處理后，該數(shù)據(jù)集包含20000個(gè)真實(shí)用戶和106444個(gè)視頻產(chǎn)生的7317882條歷史數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括14天內(nèi)用戶查看評(píng)論、點(diǎn)贊、點(diǎn)擊頭像和轉(zhuǎn)發(fā)視頻等歷史行為數(shù)據(jù)表和含視頻作者、背景音樂(lè)、視頻簡(jiǎn)介、關(guān)鍵字、標(biāo)簽和多模態(tài)內(nèi)容等視頻信息表。本文選取前13天的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，第14天的數(shù)據(jù)作為測(cè)試集。

3.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本文的實(shí)驗(yàn)代碼是利用Python3基于深度學(xué)習(xí)框架Pytorch1.5和Tensorflow2.5進(jìn)行開發(fā)，所用操作系統(tǒng)為Windows10，實(shí)驗(yàn)所用服務(wù)器為4核32 GB顯存的Tesla V100。

3.3 基線模型

(1)Wide&Deep[5]。Wide&Deep模型是由谷歌研究人員提出的，該模型巧妙地將線性模型和深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行融合，不僅考慮了低階特征攜帶的信息，也考慮了高階特征的交互信息。

(2)MMOE[17]。多任務(wù)學(xué)習(xí)模型(Modeling Task Relationships in Multi-task Learning with Multi-gate Mixture-of-Experts, MMOE)也是由谷歌研究員提出的，主要是解決傳統(tǒng)的多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)在任務(wù)相關(guān)性不強(qiáng)的情況下效果不佳的情況，常被用于推薦系統(tǒng)任務(wù)中。

(3)DeepFM[6]。模型在Wide&Deep的基礎(chǔ)上，將線性模型替換為FM模型，無(wú)需手動(dòng)交叉特征且可以同時(shí)學(xué)習(xí)到低階和高階特征的交互信息。

3.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在CTR預(yù)測(cè)任務(wù)中，A UC(Area Under Curve)是最常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，它反映的是整體樣本間的排序能力，但實(shí)際上有時(shí)這并不能真正反映模型的好壞，這是因?yàn)锳 UC并沒有考慮到不同用戶或不同場(chǎng)景下的情況。為此，阿里團(tuán)隊(duì)提出了G AUC[18]用來(lái)衡量不同用戶對(duì)不同廣告之間的排序能力。針對(duì)復(fù)雜的短視頻應(yīng)用場(chǎng)景，不同的用戶對(duì)于推送的視頻進(jìn)行點(diǎn)贊、轉(zhuǎn)發(fā)等行為的情況是錯(cuò)綜復(fù)雜的，因此，本文采用G AUC作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文首先計(jì)算不同用戶下的A UC 的平均值uAUC

其中，n為測(cè)試集中用戶的個(gè)數(shù)。 A UCi為第i個(gè)用戶預(yù)測(cè)結(jié)果的AUC。

為了區(qū)分不同行為的重要性，本文統(tǒng)計(jì)用戶過(guò)去13天內(nèi)點(diǎn)擊視頻的次數(shù)用來(lái)表征用戶的活躍度，本文對(duì)篩選出來(lái)的活躍度高的用戶的歷史行為進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)用戶查看評(píng)論、點(diǎn)贊、點(diǎn)擊頭像和轉(zhuǎn)發(fā)行為在用戶歷史行為序列的占比依次降低，因此本文對(duì)將要預(yù)測(cè)的用戶查看評(píng)論、點(diǎn)贊、點(diǎn)擊頭像、轉(zhuǎn)發(fā)行為這4個(gè)行為的u AUC分配不同的權(quán)重，進(jìn)行加權(quán)平均，最后得到最終的G AUC值。計(jì)算如式(14)所示。

其中，ωi={4,3,2,1}表示權(quán)重值，i=1,2,3,4依次代表了用戶查看評(píng)論、點(diǎn)贊、點(diǎn)擊頭像和轉(zhuǎn)發(fā)視頻4個(gè)點(diǎn)擊行為。

3.5 參數(shù)設(shè)置

本文通過(guò)調(diào)用genism函數(shù)庫(kù)來(lái)使用Word2Vec模型，將用戶的歷史行為序列輸入至Word2Vec模型，進(jìn)而提取用戶的序列特征。向量維數(shù)為16表示生成16維的用戶序列特征向量，sg=1表示采用Skip-Gram算法，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 Word2Vec模型參數(shù)

多模態(tài)視頻特征數(shù)據(jù)包含經(jīng)過(guò)脫敏后的視頻描述的文本識(shí)別信息、視頻圖像的圖像識(shí)別信息和視頻背景音樂(lè)的語(yǔ)音識(shí)別信息，為了利用PCA算法將512維多模態(tài)視頻特征向量降維成32維稠密的向量，本文通過(guò)調(diào)用scikit-learn的decomposition模塊進(jìn)行PCA降維，將n_components設(shè)置為32，表示降維至32維，其余參數(shù)為默認(rèn)值。

對(duì)于DNN網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置，本文采用4層全連接層，每層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為(256, 256, 256, 128)；每個(gè)field的稠密嵌入維數(shù)為16；batch_size的大小為256；激活函數(shù)為ReLU；優(yōu)化器為Adagrad；dropout為0.3。

3.6 實(shí)驗(yàn)分析

本文將基線模型和本模型進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，Wide&Deep模型的效果最差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于DeepFM的效果。MMOE多任務(wù)模型對(duì)于用戶的多行為點(diǎn)擊預(yù)測(cè)任務(wù)有著一定的優(yōu)勢(shì)，相較于Wide&Deep模型GAUC提升了2.2%。Deep-FM模型是在Wide&Deep的基礎(chǔ)上，將線性模型部分換成了FM，可以同時(shí)自動(dòng)低階和高階的特征交互，效果有著明顯的提升，相較于MMOE模型，DeepFM模型的GAUC提高了0.5%。本文提出的模型在DeepFM的基礎(chǔ)上加入用戶行為序列信息，學(xué)習(xí)用戶的動(dòng)態(tài)興趣偏好，相較于DeepFM模型，本模型的GAUC提高了1.4%。

表2 模型性能比較

3.7 超參數(shù)研究

在模型的訓(xùn)練過(guò)程中，本文發(fā)現(xiàn)某些超參數(shù)的大小對(duì)模型性能影響較大。因此，本文選擇了以下幾個(gè)超參數(shù)進(jìn)行研究。

3.7.1 DNN網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)

隨著DNN網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)的增加能在一定程度上增強(qiáng)模型的學(xué)習(xí)能力和泛化性能，但如果網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)過(guò)大會(huì)出現(xiàn)模型過(guò)擬合的問(wèn)題，影響模型的性能。具體如圖3(a)所示。

3.7.2 dropout的大小

dropout是指在深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程中，對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元，按照一定的概率將其暫時(shí)從網(wǎng)絡(luò)中丟棄。dropout可以比較有效地緩解模型過(guò)擬合的問(wèn)題，在一定程度上達(dá)到正則化的效果。本文將dropout從0增加到0.6，可以看出模型在dropout為0.3時(shí)，性能達(dá)到最好。如圖3(b)所示。

圖3 USCP模型的超參數(shù)研究

3.7.3 batch_size的大小

batch_size即1次訓(xùn)練所抓取的數(shù)據(jù)樣本數(shù)量，適當(dāng)?shù)腷atch_size能使模型更快地收斂到全局最優(yōu)值。本文通過(guò)不斷地調(diào)整batch_size的大小從而使模型更好的收斂，發(fā)現(xiàn)模型在batch_size為270時(shí)達(dá)到最優(yōu)的性能。具體如圖3(c)所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

在推薦系統(tǒng)領(lǐng)域，用戶的興趣偏好是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，根據(jù)用戶的行為的變化學(xué)習(xí)出用戶的興趣變化，可以提高推薦質(zhì)量。本文提出了基于用戶行為序列的多行為點(diǎn)擊預(yù)測(cè)模型，該模型可以同時(shí)學(xué)習(xí)到用戶與視頻的低階和高階特征信息，并且對(duì)用戶的歷史行為進(jìn)行序列化建模，構(gòu)造用戶的序列特征，進(jìn)而表征出用戶的興趣變化。最后，本文在某短視頻平臺(tái)上公開的數(shù)據(jù)集進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，比較了不同的方案，結(jié)果證明本文提出的模型的性能都優(yōu)于其他幾個(gè)模型。后續(xù)，本文會(huì)將用戶的興趣進(jìn)行細(xì)粒劃分，進(jìn)一步探究用戶的興趣表示。