推荐系统遇上深度学习(七十四)-[天猫]MIND：多兴趣向量召回

本文介绍的论文是：《Multi-Interest Network with Dynamic Routing for Recommendation at Tmall》

关于召回阶段的算法，以youtube DNN为代表的向量化召回方式是目前的主流算法之一，但是目前的大多数算法仅仅将用户的兴趣表示成单个的Embedding，这是不足以表征用户多种多样的兴趣的，同时容易造成头部效应。因此本文提出了MIND，同时生成多个表征用户兴趣的Embedding，来提升召回阶段的效果，一起来学习一下。

1、背景

在天猫的推荐过程中，推荐系统也被拆分为召回和排序阶段。

本文重点关注召回阶段的算法。召回阶段的目标是得到数千个跟用户兴趣紧密相关的商品候选集。在天猫场景下，用户每天都要与成百上千的商品发生交互，用户的兴趣表现得多种多样。如下图所示，不同的用户之间兴趣不相同，同时同一个用户也会表现出多样的兴趣：

因此，对于用户兴趣的建模显得至关重要。目前召回阶段主流的算法是协同过滤和向量化召回。协同过滤面临稀疏性的问题。而向量化召回方法如youtube dnn，将用户的兴趣表示成一个固定长度的向量。

但在天猫场景下，对于用户多样化的兴趣，一个Embedding往往是不够的，除非这个Embedding的长度足够大，具有足够的表征能力。除此之外，只有一个Embedding会造成一定的头部效应，召回的结果往往是比较热门领域的商品（头部问题），对于较为小众领域的商品，召回能力不足。

解决上述问题的方法也很简单，搞多个用户Embedding就好了嘛，而本文要介绍的MIND，正是通过生成多个表征用户兴趣的Embedding，来提升召回阶段的效果，一起来学习一下。（昨天听了俊林老师的讲座，这个方向也是他比较看好的）

2、MIND

2.1 问题概述

召回阶段的目标是对于每个用户u∈U的请求，从亿级的商品池I中，选择成百上千的符合用户兴趣的商品候选集。每条样本可以表示成三元组（I_u,P_u,F_i)，其中I_u是用户u历史交互过的商品集合，P_u是用户画像信息，比如年龄和性别，F_i是目标商品的特征，如商品ID、商品品类ID。

那么MIND的核心任务是将用户相关的特征转换成一系列的用户兴趣向量：

而目标商品向量F_i也被转换为一个Embedding：

当得到用户和商品的向量表示之后，通过如下的score公式计算得到topN的商品候选集：

整个MIND的框架如下：

接下来，详细介绍MIND中的各部分。

2.2 Embedding Layer

如上图，MIND的输入中包含三部分，用户的画像信息P_u、用户历史行为I_u和目标商品F_i。每个部分都包含部分的类别特征，类别特征会转换为对应的embedding。对用户画像信息部分来说，不同的embedding最终拼接在一起。而对于用户历史行为I_u中的商品和目标商品F_i来说，商品ID、品牌ID、店铺ID等转换为embedding后会经过avg-pooling layer来得到商品的embedding表示。

2.3 Multi-Interest Extractor Layer

接下来是最为关键的 Multi-Interest Extractor Layer，这里借鉴的是Hiton提出的胶囊网络。有关胶囊网络，下面的图可以帮助你快速理解（图片来源于知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/68897114）：

可以看到，胶囊网络和传统的神经网络较为类似。传统神经网络输入一堆标量，首先对这堆标量进行加权求和，然后通过非线性的激活函数得到一个标量输出。而对胶囊网络来说，这里输入的是一堆向量，首先对这组向量进行仿射变换，然后进行加权求和，随后通过非线性的"squash"方程进行变换，得到另一组向量的输出。

而MIND中的Multi-Interest Extractor Layer，与胶囊网络主要有两个地方不同：

1）在胶囊网络中，每一个输入向量和输出向量之间都有一个单独的仿射矩阵，但是MIND中，仿射矩阵只有一个，所有向量之间共享同一个仿射矩阵。主要原因是用户的行为数量长度不同，使用共享的仿射矩阵不仅可以减少参数，同时还能对应另一处的改变，即不同用户输出向量的个数K是基于他历史行为长度自适应计算的：

上面基于用户历史行为长度自适应计算输出向量个数K'的策略，对于那些交互行为较少的用户来说，可以减少这批用户的存储资源。

2）为了适应第一个改变，胶囊网络中权重的初始化由全部设置为0变为基于正太分布的初始化。

下图是整个Multi-Interest Extractor Layer的过程：

通过Multi-Interest Extractor Layer，得到了多个用户向量表示。接下来，每个向量与用户画像embedding进行拼接，经过两层全连接层（激活函数为Relu）得到多个用户兴趣向量表示。每个兴趣向量表征用户某一方面的兴趣。

2.4 Label-aware Attention Layer

在上一步得到用户兴趣向量之后，由于不同用户的兴趣向量个数不同，通过Label-aware Attention Layer对这些向量进行加权（只应用于训练阶段），类似DIN中的做法：

而计算公式为：

上图中的Q相当于目标商品的embedding，K和V都是用户的兴趣向量。值得注意的一点是，在softmax的时候，对得到的attention score，通过指数函数进行了一定的缩放。当p接近0时（这里应该是假设了向量的内积大于1吧），对softmax是一种平滑作用，使得各attention score大小相近，当p>1且不断增加时，对softmax起到的是一种sharpen作用，attention score最大那个兴趣向量，在sofamax之后对应的权重越来越大，此时更类似于一种hard attention，即直接选择attention score最大的那个向量。实验表明hard attention收敛速度更快。

2.5 Training & Serving

在训练阶段，使用经过Label-aware Attention Layer得到的用户向量和目标商品embedding，计算用户u和商品i交互的概率（这里和youtube DNN相似，后文中说也进行了采样）：

而目标函数（而非损失函数）为：

而在线上应用阶段，只需要计算用户的多个兴趣向量，然后每个兴趣向量通过最近邻方法（如局部敏感哈希LSH）来得到最相似的候选商品集合。同时，当用户产生了一个新的交互行为，MIND也是可以实时响应得到用户新的兴趣向量的。

3、实验结果

接下来看下实验结果。

对于离线实验，文中使用MIND和BASE模型（如youtube DNN）等进行了对比，结果如下：

而在线上实验时，为了进行对比，不同的召回模型都使用同样的排序模型作为下游，并比较了一周内不同实验组的CTR：

可以看到，无论是线上还是线下实验，MIND都取得了不错的效果。

4、总结

目前召回阶段，有几个值得不错的方向，比如MIND中的用户兴趣多Embedding拆分和基于Graph的召回，大伙不妨可以尝试一下。