基于多維隱藏特征的電商推薦系統排名設計與實現研究

魏一丁

[摘 要]利用8天左右的淘寶用戶數據，基于Keras框架完成電商推薦系統排名部分構建。該系統采用了多層深度學習框架，使用用戶ID、商品ID、類目ID、用戶行為類型與行為時間作為隱藏特征來源輸入，映射成高密度低維向量，利用ReLU與Softmax等激活函數生成推薦模型，預測誤差率0.21。

[關鍵詞]隱藏特征;推薦系統;排名;深度學習;Keras

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.12.073

[中圖分類號]TP391.3[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194（2020）12-0-04

1 ? ? 基于多維隱藏特征電商推薦系統的相關研究

對于在線電商平臺來說，主要目的是最高效率地撮合交易，高性能的推薦系統不可或缺，可以讓買賣雙方在最短時間內找到對方，并實現交易。有關推薦系統的算法包括傳統推薦算法和當前基于深度學習的算法。當前有3類基于內容、協同過濾和混合的推薦方法，其中協同過濾推薦方法由GoldBerg等人提出，基于項目或基于用戶，通過矩陣的點乘積計算得分實現。目前，推薦算法引入了深度學習算法，大致說來：基于深度神經網絡的DNN適用于隱藏多層的數據維度，卷積神經網絡CNN訓練參數較少，圖卷積GNN適合推薦質量要求較高以及關注序列信息的循環(huán)神經網絡RNN與LSTM等，每種方法都有不同的側重場景。

推薦系統一般分為召回階段和排序階段。在召回時，快速使用簡單維度的數據將百萬級用戶商品等數據過濾成百級。在排序期，充分利用多維度的數據來精細化篩選，輸出個、十位數級。在上述兩個階段中，核心在于嵌入（Embedding）生成，旨在將高維數據映射到低維數據域，降低了計算復雜度。當前的嵌入方法包括：LLE、Laplacian Eigenmaps、Graph、HOPE的因式分解型，DeepWalk、node2Vec的隨機行走型，還有GCN等深度學習型。其中，每個社交媒體根據自身數據分布情況和特點選取數據維度生成嵌入。目前，成熟的社交媒體平臺采用的架構基本一致，只是在算法選擇、網絡層設計有所不同。Youtube采用前述，全部使用DNN方式，在召回時不再使用LSH，而是使用Spill-tree這種改進版的鄰域搜索方法。Instagram采用的PinSage架構，一種基于GNN的方式。衡量推薦系統的指標包括A/B測試、精準率和響應時間等，而目前各類開源架構、開放Python功能包，在所考慮的各項指標中基本能夠滿足實際方面的需求。比較成熟的是Keras框架，基本囊括了大多數算法和網絡層。此外，一些新興的算法，也可以通過引包方式實現。

相對于評論文字、星級評價這些顯性的特征，用戶在線狀態(tài)、在線時長、觀看次數、點擊數、購買頻次、加購、收藏數則是隱性特征，需要一種可量度的方式來構建用戶與商品的關聯。本研究側重隱藏特征，從用戶ID、商品ID、行為類型與行為時間構建嵌入Embedding，通過Keras的DNN，實現生成推薦。

2 ? ? 研究方法及過程

本文選取基于淘寶平臺2017年11月25日01：21：10-2017年12月3日17：38：11的數據，合計1億多條。將原始數據清洗，并按照2∶8的比例隨機分成訓練集、測試集（圖1）。

假設：研究側重于精細化排序部分，簡單地將億條數據按用戶ID大于100的條目進行刪除，得到1萬多條數據，近似于召回的結果。

沿用Keras的Embedding方法，使用“ReLU”“Softmax”函數進行激活，編譯器為“adam”，選取“mean_squared_error”指標評估。嵌入映射部分，選用用戶ID、商品ID、行為類型、時間戳等作為隱藏多維數據。其中，行為類型包括【展現-1】、【加購-2】、【收藏-3】、【購買-4】。

特征工程：給定某個用戶ID，能夠準確預測與之相近的商品ID?；诖蚍诌壿嫞擃A測假設展現對應1分，加購對應2分，收藏對應3分，購買對應4分，分數越高則越是期望推薦的商品。于是將數據集做一個處理，分別用評分1～4代替原有行為類型，嵌入部分如圖1所示。其中，用戶ID等數據分別表示嵌入，經過Flatten之后，合并輸入第一層。ReLU分別有5層，從1 028位到32位，最后通過分類函數Softmax輸出（圖2）。

這4類輸入參數均具有一對多的關系，用戶可以連接任何一個商品，商品可以連接任何一個行為類型，行為類型也可以連接任何一個時間戳（圖3）。但實際情況是，某些連接出現頻次更高，可以在任何兩個隱藏特征層之間，越粗的線條，代表頻次高;用權重代表，即模型在學習過程中更新的權重系數，可以代表某個具體特征的權重，圖4就代表了商品的權重系數。

將商品ID嵌入item_Embedding用PCA方式表示（圖5），圖5a的輸入包括所有數據維度，圖5b的輸入只有用戶ID與商品ID。橫軸占較大比例。

其學習過程曲線，橫軸代表迭代次數，縱軸代表誤差率，可以看出其逐漸達到最小誤差點，最終的誤差率維持在0.17（圖6）。通過減少輸入參數，只保留用戶ID與商品ID，誤差曲線類似。

將得到的模型存儲，并用驗證集校驗，發(fā)現其預測誤差率為21%，即準確率79%。模型參數（圖7）通過對比其他參數設置可以發(fā)現：學習深度越深越廣，誤差率越小。有Softmax激活函數比沒有的情況誤差率減小10%。

3 ? ? 結 語

越多的數據維度參與學習就會得到越豐富的特征向量，建立的預測模型越精準。Keras框架可以實現快速設計模型，通過使用自身的Embedding方法，可以輕松實現高維空間向低維空間的映射。將用戶行為類型設置為不同的等級，按照4個數據維度的網絡關系（圖3）進行多次迭代，發(fā)現各個節(jié)點的權重系數，最終形成網絡模型，可以進行推薦。電商推薦系統是提升精準度的關鍵環(huán)節(jié)，可以用于召回與排序，有很多的推薦算法可以實現，但是在具體實踐中，需要考慮用戶的屬性與數據維度。依據用戶評論文字和評分會造成稀疏矩陣和冷啟動問題，這里不進一步展開。因此這就意味著賣家需要靠評價提高自身獲取流量的權重。這往往帶來虛假交易等現象，浪費了平臺很多資源，甚至花費更高的成本去監(jiān)管。隨著推薦系統的成熟，快速匹配相似度高的交易已經成為趨勢。電商平臺將隱藏維度的數據引入推薦系統中，模型會深刻地描繪用戶畫像。

主要參考文獻

[1]周萬珍，曹迪，許云峰，等.推薦系統研究綜述[J].河北科技大學學報，2020（1）：76-87.

[2]David Goldberg，David.Nichols，Brian M，et al.Using Collaborative Filtering to Weave an Information Tapestey[J].Communications of the ACM，1992，35（12）：61-70.

[3]Goyal P，Ferrara E.Graph Embedding Techniques，Applications，and Performance：A Survey[J].Knowledge Based Systems，2018，151：78-94.