基于改進(jìn)神經(jīng)協(xié)同過濾模型的電影推薦系統(tǒng)

王 駿，虞 歌

(杭州師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 311121)

0 引 言

在2006年之前，矩陣分解法采用的是數(shù)學(xué)上的SVD法，不僅占用大量?jī)?nèi)存，而且時(shí)間復(fù)雜度高。Simon Funk發(fā)表了一個(gè)算法(稱為Funk-SVD)，提供了矩陣分解的新思路，矩陣分解變成分解為兩個(gè)低階矩陣，并縮小低階矩陣相乘之積與原來矩陣的差距。這個(gè)算法后來被Netflix Prize的冠軍Koren稱為(latent factor model, LFM)，使得矩陣分解算法在海量數(shù)據(jù)中的個(gè)性化信息推薦應(yīng)用成為可能。

隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，谷歌在2016年推出Wide&Deep網(wǎng)絡(luò)[1]后，在特征嵌入層之上加入多層感知機(jī)(multi-layer perceptron，MLP)，使得模型泛化能力更強(qiáng)。何向南等進(jìn)一步提出多層感知機(jī)與廣義矩陣分解(genera-lized matrix decomposition，GMF)結(jié)合的神經(jīng)協(xié)同過濾模型[2](neural collaborative filtering，NCF)，使模型的推薦能力得到更大提升[2]。

神經(jīng)協(xié)同過濾模型的多層感知機(jī)層把用戶特征向量與物品特征向量?jī)?nèi)積產(chǎn)生的向量送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中學(xué)習(xí)得到高階隱含特征信息，廣義矩陣分解層把用戶特征向量與物品特征向量進(jìn)行內(nèi)積產(chǎn)生的向量當(dāng)?shù)碗A特征組合信息，最后模型得到的信息綜合了高階隱含特征信息和低階特征組合信息[3]。可是使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)抽象的隱含信息總會(huì)丟失一部分信息，而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然有強(qiáng)大的擬合能力，可是具有解釋性差的特點(diǎn)，單一的信息來源難以滿足復(fù)雜的推薦問題。

本文基于神經(jīng)協(xié)同過濾模型，把原GMF結(jié)構(gòu)改為BPR[4]結(jié)構(gòu)來挖掘排序信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，排序信息與低階特征組合信息相比，有更好的推薦結(jié)果。在改進(jìn)的神經(jīng)協(xié)同過濾模型上，結(jié)合使用電影類型因子、電影流行度等輔助信息優(yōu)化推薦結(jié)果，建立個(gè)性化電影推薦系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)電影推薦仿真。使用MovidLens-100K和 MovidLens-1M 數(shù)據(jù)集的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的神經(jīng)協(xié)同過濾模型(本文稱為B-NCF模型)在推薦結(jié)果的命中率和歸一化折扣累積增益[5]上都優(yōu)于神經(jīng)協(xié)同過濾模型。

1 相關(guān)知識(shí)

1.1 神經(jīng)協(xié)同過濾模型

神經(jīng)協(xié)同過濾模型(NCF)中，輸入層上面是嵌入層,它是一個(gè)全連接層，將來自輸入層的稀疏表示映射為稠密向量[2](dense vector)。NCF模型用兩條路線來對(duì)用戶和物品建模(用戶ID和物品ID兩個(gè)輸入)，需要通過GMF和MLP兩個(gè)路線，把他們各自的運(yùn)算得到的信息連接起來。GMF應(yīng)用了一個(gè)線性內(nèi)核來模擬潛在的特征交互；MLP使用非線性內(nèi)核從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)高階特征交互信息[3]。

神經(jīng)協(xié)同過濾模型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 神經(jīng)協(xié)同過濾模型結(jié)構(gòu)

1.2 貝葉斯個(gè)性化排序算法

貝葉斯個(gè)性化排序(Bayesian personalized ranking，BPR)算法[4]是實(shí)現(xiàn)最大化后驗(yàn)概率優(yōu)化排序的算法，在UAI 2009被采用，至今仍然是很重要的推薦系統(tǒng)算法。推薦排序算法[6]大體分為3種，第一種是逐點(diǎn)方法(pointwise approach)，第二種是成對(duì)方法(pairwise approach)，還有一種是列表方法(listwise approach)。貝葉斯個(gè)性化排序算法屬于第二種方法，利用概率統(tǒng)計(jì)方法對(duì)元素進(jìn)行兩兩之間排序。

假設(shè)任意用戶u在電影p與n同時(shí)存在的情況下選擇了電影p，我們就認(rèn)為p排序在n前面，如此記錄這三元組 (u,p,n)。 所有 (u,p,n) 組合用集合D表示，>u代表用戶u對(duì)應(yīng)的所有商品的全序關(guān)系，則優(yōu)化目標(biāo)是最大化后驗(yàn)概率p(θ|>u)。 根據(jù)貝葉斯公式，貝葉斯個(gè)性化排序算法最終的最大對(duì)數(shù)后驗(yàn)估計(jì)函數(shù)如式(1)所示

(1)

2 基于神經(jīng)協(xié)同過濾的改進(jìn)模型

本文在基于神經(jīng)協(xié)同過濾模型基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的神經(jīng)協(xié)同過濾模型B-NCF。B-NCF模型在NCF模型基礎(chǔ)上使用BPR結(jié)構(gòu)代替神經(jīng)協(xié)同過濾網(wǎng)絡(luò)的GMF結(jié)構(gòu)挖掘排序信息，如圖2所示。

圖2 B-NCF模型結(jié)構(gòu)

2.1 嵌入層(embedding layer)

輸入層上面是嵌入層，它是一個(gè)全連接層，用于將數(shù)據(jù)映射為特征向量。其中用戶ID(Uid)映射為用戶特征向量，用戶已經(jīng)評(píng)分的電影ID(Pid)和用戶沒有評(píng)分的電影ID(Nid)映射為電影特征向量。容易看出，三元組 (u,p,n) 中任意用戶u對(duì)電影p感興趣的概率大于電影n。

Uid，Pid與Nid都分別經(jīng)過BPR嵌入層和MLP嵌入層映射為向量，然后后綴為Emb的向量去BPR層，后綴為MLP的向量去MLP層，分別命名為Uid_MLP，Uid_Emb，Pid_MLP，Pid_Emb，Nid_MLP，Nid_Emb。

根據(jù)BPR算法的使用方法，算法模型訓(xùn)練好后，BPR嵌入層的權(quán)重可以看作用戶隱因子矩陣和電影隱因子矩陣，使用BPR嵌入層權(quán)重可以計(jì)算出任意用戶u對(duì)任意一部電影的排序得分。

2.2 多層感知機(jī)層(MLP Layer)

如圖2中MLP層所示,Pid_MLP，Nid_MLP，Uid_MLP向量拼接成新的向量進(jìn)入MLP層經(jīng)過多層感知機(jī)產(chǎn)生高階特征信息。

在神經(jīng)協(xié)同過濾模型的多層感知機(jī)層基礎(chǔ)上，增加了批標(biāo)準(zhǔn)化[7](batch normalization，BN)層與丟棄(Dro-pout)層，其中，BN層統(tǒng)一各層的方差加快模型的收斂速度，Dropout層提高泛化性防止過擬合。

多層感知機(jī)層輸出高階特征信息φMLP， 表達(dá)式[2]如式(2)所示

(2)

2.3 貝葉斯個(gè)性化排序?qū)?BPR layer)

如圖2中BPR層所示，Uid_Emb，Pid_Emb，Nid_Emb向量進(jìn)入BPR層產(chǎn)生排序信息。

貝葉斯個(gè)性化排序的目標(biāo)是最大化電影p總排在電影n前面這個(gè)集合排列的概率，為了最大化這個(gè)概率就要最小化BPR loss。我們希望這個(gè)概率越大越好，對(duì)于BPR loss是越小越好[4]，BPR loss表達(dá)式如式(3)所示

(3)

2.4 輸出層(output layer)

(4)

通過減小預(yù)測(cè)值(Model Prediction)與真實(shí)屬性值(Target)的交叉熵來迭代更新模型參數(shù)，表達(dá)式[2]如式(5) 所示

(5)

3 模型更新步驟

改進(jìn)神經(jīng)協(xié)同過濾模型所有參數(shù)更新步驟如下[9]：

輸入：3組數(shù)據(jù)Uid、Pid和Nid，學(xué)習(xí)率α， 正則項(xiàng)系數(shù)λ, 隱空間的維度K。

輸出：用戶BPR嵌入層權(quán)重矩陣W，電影BPR嵌入層權(quán)重矩陣H。

(1)初始化所有嵌入層權(quán)重。

(2)在BPR層，Uid_Emb*Pid_Emb與Uid_Emb*Nid_Emb作差，由sigmoid激活函數(shù)變換得到[0,1]值再與1作差，差值作為排序信息BPR loss。BPR 層輸出排序信息與MLP層信息拼接成新的向量。

(3)新向量通過sigmoid激活函數(shù)轉(zhuǎn)為取值在[0,1]的預(yù)測(cè)值，同時(shí)把評(píng)分表中任意用戶的大于或等于4分的電影屬性值設(shè)為1其余電影屬性值設(shè)為0，通過減小預(yù)測(cè)值(model prediction)與真實(shí)屬性值target的交叉熵來迭代更新模型參數(shù)。如果損失函數(shù)收斂，則模型訓(xùn)練結(jié)束，輸出W和H，否則回到步驟(2)。

(4)迭代更新完成后，就可以根據(jù)BPR嵌入層權(quán)重計(jì)算出任意用戶u對(duì)任意一部電影的排序得分。

4 電影推薦系統(tǒng)

本文提出的電影推薦系統(tǒng)由兩部分組成，推薦得分也由兩部分信息生成。以神經(jīng)協(xié)同過濾模型為基礎(chǔ)的B-NCF模型生成排序得分，再綜合流行度、電影類型因子等輔助信息得到推薦得分。電影推薦得分生成如圖3所示，訓(xùn)練過程中，把命中率和歸一化折扣累積增益表現(xiàn)最好的那一次更新過程中的BPR嵌入層權(quán)重輸出(圖中假設(shè)權(quán)重是 0～9 的整數(shù))，訓(xùn)練得到的權(quán)重可以看作對(duì)應(yīng)的用戶隱因子矩陣和電影隱因子矩陣(item latent matrix)，假設(shè)給用戶ID為1的用戶推薦電影，從用戶隱因子矩陣取第一行作用戶隱因子向量(user latent vector)，與電影隱因子矩陣相乘得到相應(yīng)的排序得分(rank score)，通過輔助信息電影流行度(popularity score)和用戶評(píng)分(genre score)微調(diào)推薦得分(recommended score)。最后按推薦得分大小排序輸出前5部電影以及對(duì)應(yīng)推薦得分。

圖3 電影推薦得分生成

一個(gè)用戶會(huì)喜歡多種類型電影，一部電影可以屬于多種類型，根據(jù)用戶觀看同一類型電影占所看電影數(shù)量比例，得到電影類型因子，公式如式(6)所示

(6)

同理，電影流行度是根據(jù)電影已經(jīng)評(píng)價(jià)人數(shù)占總評(píng)價(jià)用戶人數(shù)的比例，再加1得到。本文的最終推薦得分如式(7)所示

RecommendedScore=
PopularityScore*RankScore*GenreScore

(7)

最后根據(jù)排序得分前5名輸出包含對(duì)應(yīng)電影信息的推薦電影列表。

5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

5.1 數(shù)據(jù)來源

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集：MovieLens-100K，數(shù)據(jù)集里面包括u.data、u.info、u.item、u.genre、u.user、u.occupation等文件，其中u.data文件包含943個(gè)用戶對(duì)于1682部電影的100 000個(gè)評(píng)分(分值為[1,5]之間的整數(shù))；每個(gè)用戶至少評(píng)級(jí)20部電影；u.user文件包含用戶的人口統(tǒng)計(jì)信息(年齡，性別，職業(yè)，郵編)；u.item文件包括電影名，電影ID，上映日期，IMDB電影網(wǎng)對(duì)應(yīng)電影主頁網(wǎng)址，所屬的電影類型(恐怖，犯罪，喜劇等)。

由MovieLens-100K的評(píng)分(u.data)文件抽取80%數(shù)據(jù)做訓(xùn)練數(shù)據(jù)集生成99 057對(duì)偏序?qū)?，Uid、Pid為評(píng)分用戶ID和評(píng)分電影ID，Nid為未評(píng)分電影ID，99 057對(duì)(Uid,Pid,Nid)偏序?qū)ψ鲇?xùn)練數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，剩下的20%數(shù)據(jù)提供真實(shí)屬性值用作測(cè)試集，訓(xùn)練好的模型輸入測(cè)試集來計(jì)算改進(jìn)模型的命中率和歸一化折扣累積增益。

MovieLens-1M數(shù)據(jù)集含有來自6040名用戶對(duì)3706部電影的100萬條評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)，分為3個(gè)表：評(píng)分表、用戶信息表和電影信息表，同理得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)994 169對(duì)(Uid,Pid,Nid)偏序?qū)蜏y(cè)試集。

5.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

使用聯(lián)想筆記本電腦，內(nèi)存為8 GB，CPU為Intel酷睿i53230M，CPU主頻為2.4 GHz，硬盤容量為1 TB；操作系統(tǒng)是Windows10，使用PyCharm編譯程序，使用Python版本是3.6.3，Tensorflow版本為1.10.0。

5.3 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

排名列表的性能由命中率(hit rate,HR)和歸一化折扣累積增益(normalized discounted cumulative gain，NDCG)衡量。

命中率公式如式(8)所示

(8)

式中： |GT| 代表所有測(cè)試集合，分子是推薦列表中屬于測(cè)試集合的數(shù)量。

NDCG基于列表排名位置折損因子體現(xiàn)，它的思想主要是位置在推薦列表越靠前的推薦內(nèi)容，其相關(guān)度應(yīng)該越高，具體表達(dá)式如式(9)所示

(9)

其中，累加項(xiàng)的分子部分是效用函數(shù)或叫做增益(Gain)，分母是關(guān)于位置的一個(gè)折損因子，Z是一個(gè)歸一化因子，表示理想的推薦列表的折損累計(jì)增益(discounted cumulative gain,DCG)。NDCG取值范圍在0到1區(qū)間，分值越高代表推薦越好。N是列表排名個(gè)數(shù)，本文取前10個(gè)輸出進(jìn)行HR和NDCG評(píng)價(jià)，取N=10。

5.4 模型參數(shù)設(shè)置

每批次訓(xùn)練數(shù)據(jù)量(Batchsize)定為256，訓(xùn)練輪數(shù)(Epoch)為50。

在嵌入層,生成服從均值為0,方差為0.1的正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)初始化嵌入層權(quán)重，用戶嵌入層輸入維度為用戶數(shù)量和電影嵌入層輸入維度為電影數(shù)量，隱空間的維度K都為10。

在MLP層，使用BN層對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層神經(jīng)元數(shù)量默認(rèn)依次為64、32、16、8，丟棄率為0.2，MLP各層輸出都使用Relu激活函數(shù)。

在輸出層，BPR層輸出值與MLP層輸出值默認(rèn)賦予 1∶1 的權(quán)重，直接拼接在一起產(chǎn)生新向量。使用sigmoid激活函數(shù)產(chǎn)生預(yù)測(cè)值，衡量預(yù)測(cè)值與真實(shí)值差距的損失函數(shù)使用交叉熵函數(shù)，學(xué)習(xí)率為0.001。該層權(quán)重初始化使用lecun uniform函數(shù)。優(yōu)化器使用Adam[8]優(yōu)化器，Adam優(yōu)化器被廣泛認(rèn)為在不同情況下工作性能都比較優(yōu)秀的優(yōu)化器。

5.4.1 MLP層的隱藏層數(shù)與預(yù)測(cè)因子個(gè)數(shù)

更多隱藏層數(shù)能夠加強(qiáng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取信息能力，在合適范圍內(nèi)增加層數(shù)提升模型性能，但是超出范圍會(huì)導(dǎo)致過擬合，導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力降低；神經(jīng)協(xié)同過濾模型的最后一層隱藏層決定了模型的性能,所以將其作為預(yù)測(cè)因子[2](predictive factors)，使用 [0,16,32,64,128] 的中間各層神經(jīng)元數(shù)量和 [8,16,32] 的預(yù)測(cè)因子數(shù)量進(jìn)行了模型評(píng)估。所用數(shù)據(jù)集同為MovieLens-1M，訓(xùn)練50輪，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1 和表2。

表1 不同隱藏層和不同神經(jīng)元NDCG

表2 不同隱藏層和不同神經(jīng)元HR

模型穩(wěn)定性有待改進(jìn)，訓(xùn)練前訓(xùn)練集NDCG和HR都低的情況下容易訓(xùn)練出低分值NDCG和HR，嘗試別的優(yōu)化器情況也不見好轉(zhuǎn)。因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)每組條件都是取多次出現(xiàn)結(jié)果并求平均值作為表現(xiàn)。在隱藏層為 [8,16,32,64]， 雖然偶有低分表現(xiàn)，可是概率小得多。由表1和表2可以看到，隨著隱藏層增加模型表現(xiàn)越來越好，但在五層隱藏層的時(shí)候開始出現(xiàn)性能下降。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐漸學(xué)習(xí)到有用的信息。預(yù)測(cè)因子并沒有隨著數(shù)量增加提升模型的性能，因此對(duì)比表1和表2，本文選擇使用 [8,16,32,64] 作為隱藏層,不僅因?yàn)楸憩F(xiàn)好，而且待更新參數(shù)比五層隱含層 [8,16,32,64,128] 少。

5.4.2 BPR排序信息和MLP層信息混合比例

在輸出層，BPR排序信息和MLP層信息以一定權(quán)重結(jié)合形成新的向量。所用數(shù)據(jù)集同為MovieLens-1M，在訓(xùn)練50輪，得到表3結(jié)果。

由表3可以看到偏離1∶1越遠(yuǎn)的比例，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的NDCG和HR都逐漸減小，最佳的比例在1∶1附近，本文選擇1∶1作為BPR排序信息和MLP層信息混合比例。

表3 不同比例拼接得到的NDCG和HR

5.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.5.1 模型對(duì)比

本文選取了神經(jīng)協(xié)同過濾(NCF)模型，貝葉斯個(gè)性化排序(BPR)模型，多層感知機(jī)(MLP)模型和廣義矩陣分解(GMF)模型作為對(duì)照，主要的參數(shù)設(shè)置和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與B-NCF模型相同。訓(xùn)練50輪，取不同算法在 MovieLens-100K 和MovieLens-1M數(shù)據(jù)集中多次表現(xiàn)的平均值，見表4和表5。

表4 不同模型在 MovieLens-100K分析比較

表5 不同模型在MovieLens-1M分析比較

由表4和表5可知，B-NCF模型平均能帶來至少 4%HR 和20%NDCG提升，由于使用了BPR排序算法，NDCG 的提升相當(dāng)明顯?？傮w來說，GMF模型、BPR模型和MLP模型在兩個(gè)數(shù)據(jù)集的表現(xiàn)差不多，推薦水平相當(dāng)，NCF模型總體性能比BPR、MLP和GMF模型要好，B-NCF 模型是這幾個(gè)模型中表現(xiàn)最好的，而且訓(xùn)練更新的參數(shù)量只比神經(jīng)協(xié)同過濾模型多不到2%。綜合來看，B-NCF 模型雖然HR和NDCG得到提升，可是沒有犧牲更多的計(jì)算資源去提升推薦性能。

5.5.2 在不同數(shù)據(jù)集表現(xiàn)

圖4和圖5為訓(xùn)練50輪，B-NCF在數(shù)據(jù)集MovieLens-100K和MovieLens-1M的HR@10和NDCG@10曲線圖(縱坐標(biāo)起點(diǎn)是0.6)。

圖4 在MovieLens-100K數(shù)據(jù)集的表現(xiàn)

圖5 在MovieLens-1M數(shù)據(jù)集的表現(xiàn)

由圖4和圖5可以看到，在不同數(shù)據(jù)集，B-NCF模型的HR和NDCG都在0.65以上，保持著較高的水平，而且在訓(xùn)練輪數(shù)接近10的時(shí)候，HR和NDCG都趨向穩(wěn)定，模型收斂速度很快，而且訓(xùn)練數(shù)據(jù)集越大，模型學(xué)習(xí)能力越強(qiáng)。

5.6 電影推薦仿真

本文挑選評(píng)分列表中的第一個(gè)用戶給電影推薦系統(tǒng)進(jìn)行推薦仿真，使用MovieLens-100K數(shù)據(jù)，該用戶評(píng)分電影272部，是一位24歲的男性工程師，喜歡黑色(Film-Noir)電影，喜劇(Comedy)電影，動(dòng)畫(Animation)電影以及流行的好萊塢電影，基于該用戶的各項(xiàng)推薦得分見表6(只截取排序得分最大的前5部電影)。電影推薦系統(tǒng)給該用戶推薦結(jié)果見表7。

表6 各項(xiàng)得分情況

電影推薦系統(tǒng)給該用戶推薦結(jié)果見表7。

表7 電影推薦結(jié)果

6 結(jié)束語

通過上述研究可以看到，從挖掘信息的深度來看，基于神經(jīng)協(xié)同過濾模型的B-NCF模型，提高了推薦的命中率和歸一化折扣累積增益，而且只增加了極少計(jì)算資源，在信息來源的廣度上看，基于B-NCF模型的電影推薦系統(tǒng)還綜合考慮了輔助信息來拓寬信息來源的多樣化，使得電影推薦更加個(gè)性化。

本文研究重點(diǎn)是推出基于B-NCF模型的電影推薦系統(tǒng)，對(duì)于B-NCF模型的最優(yōu)參數(shù)并沒有做細(xì)致研究，輔助信息只選擇了電影流行度和電影類型因子，更多的推薦因素可以得到更好的個(gè)性化推薦結(jié)果，本文不再展開討論。B-NCF模型穩(wěn)定性有待提高，初始訓(xùn)練集低NDCG和低HR容易訓(xùn)練出低NDCG和HR的推薦結(jié)果。可以通過篩選合適訓(xùn)練集，比如訓(xùn)練集初始HR和NDCG高于預(yù)設(shè)閾值才啟動(dòng)運(yùn)算推薦，否則重新生成訓(xùn)練集，來減少出現(xiàn)低NDCG和HR的推薦情況。

今后的研究工作，會(huì)關(guān)注深度學(xué)習(xí)在推薦系統(tǒng)的各個(gè)方向的應(yīng)用，比如注意力機(jī)制[10]在用戶興趣偏好上的應(yīng)用，對(duì)抗生成網(wǎng)絡(luò)[11]模擬產(chǎn)生推薦列表。