推荐系统遇上深度学习(五十四)-使用GAN搭建强化学习仿真环境

京东对于强化学习感觉非常执着啊，咱们在之前已经介绍过三篇京东公开出来的强化学习文章了。今天咱们再来介绍一篇，这一篇中，重点介绍了如何使用GAN搭建一个强化学习的仿真环境。一起来看下吧。

论文名称：《Toward Simulating Environments in Reinforcement Learning Based Recommendations》

论文下载地址：https://arxiv.org/abs/1906.11462

1、背景

在电商领域呢，使用强化学习做推荐，可以带来两方面的好处：
1）通过用户状态的改变，可以不断地实时调整推荐策略
2）可以优化用户的长期收益，例如整个session的收益，而非推荐单个物品的收益

但是，使用强化学习也有一定的限制，主要有：
1）我们通常使用用户对推荐结果的实时反馈来训练强化学习推荐模型，最为有效的方法是使用线上的A／Btest来产生有效的数据，但是使用A／B来收集数据通常需要几周的时间，同时部署一个新的方法也需要工程上耗费更多的资源和精力。
2）同时，如果一个推荐系统没有被充分训练好的话，A／B实验往往会对用户的体验造成一定的损害。
3）在电商领域，商品数量和用户数量都是数目巨大的，导致整个的状态空间和动作空间十分巨大，因此需要极大规模的数据量来保证模型的鲁棒性。尽管日志数据数量非常多，但是对于每个用户来说，数量是极少的。

因此，为了克服上述挑战，解决数据量问题以及线下充分训练问题，这里我们提出了一个基于GAN的强化学习仿真环境。一起来看一下吧。

2、问题陈述

作为强化学习的问题陈述，当然少不了四大基本元素：状态空间、动作空间、奖励、状态转移概率。当然有时候还有折扣系数等等，这里不做介绍。

状态空间S：这里我们定义的用户状态s={i₁,i₂,...,i_N},是用户近期浏览过的N个商品，以及对应的反馈。

动作空间A：动作空间就是可以推荐的物品集合，这里一次动作a只推荐一个商品。

奖励R：当系统基于用户状态s作出动作a时，用户会对推荐的物品作出反馈，这里的反馈包括跳过、点击或者购买该商品，而不同的反馈对应的奖励r(s,a)也是不同的。

状态转移概率P：这里的状态转移概率是确定的，当s={i₁,i₂,...,i_N}，动作为a时，转移到的状态s'={i₂,...,i_N,i_a}，这里感觉论文写的不太准确，因为状态不仅包括推荐了那个商品，还包括用户的反馈，所以这里可能稍微和论文有点出入。

3、基于GAN的仿真环境概述

基于上述的问题定义，本文提出的基于GAN的仿真系统框架如下图所示：

3.1 Generator

Generator的整体结构如下：

Generator是一个encoder-decoder结构，输入的话是用户的浏览序列，即当前的状态，包含N个商品以及用户对商品的反馈。每一时刻的输入包含两部分：

其中e_n是i_n对应的商品的embedding，这里的embedding论文中提到说是经过预训练得到的（感觉按照论文的意思，这块不会随着模型训练进行fine-tuning）。f_n是一个反馈类型展开后的one-hot向量。接下来，反馈类型也将转换为对应的embedding：

这里使用tanh进行激活的原因是e_n中每个元素的取值范围是（-1，1），那么经过转换后，输入变为：

接下来是一个GRU层，经过GRU层之后，得到最终的hidden state输出为h_n，将其视为用户当前的偏好表示：

Deocder阶段的目标是预测下一个要推荐给用户的商品，将用户当前的偏好表示p^E作为输入，经过多层全连接神经网络后得到向量输出，G_θ(s)。这里是得到的一个向量，要想得到一个具体的商品，可以跟所有商品的embedding计算相似度，并选择一个相似度最高的商品。

好了，到目前为止，我们已经介绍了Generator的结构，关于如何训练Generator将在3.3节介绍。接下来先介绍Discriminator的结构。

3.2 Discriminator

Discriminator的整体结构如下：

可以看到，Discriminator左下角的输入部分与Generator是一样的结构，但是与Generator的参数并不相同。GRU部分最后的输出计作p^D。

而右下角的部分则把真实的action对应的item的embedding或者Generator生成的G_θ(s)作为输入，经过两层的全连接层得到输出e^D。

将p^D和e^D进行连接之后，再经过两层全连接层，得到Discriminator的输出，长度为2 * K。其中K代表用户反馈类型的种类：

输出的结果是经过softmax之后的结果：

输出中的前K维表示，如果这个输入是真实的商品（这里的真实商品即用户在当前状态下，下一个实际浏览的商品）的话，用户的每种反馈的概率，后K维表示，如果这个输入是Generator产生的话，用户的每种反馈的概率。

接下来，咱们介绍如何对Generator以及Discriminator进行训练。

3.3 模型训练

对于Discriminator来说，咱们这里共有两个目标，判断这个输入是真实的商品还是Generator产生的，同时，判断用户可能作出的反馈。因此，损失函数也包含两部分。

第一部分的损失函数，我们首先要计算Discriminator把输入判作真实或虚假概率。判作真实的概率计作：

即输出的前K项的和，而判作虚假的概率是：

即输出的后K项的和。有了两部分的概率，可以使用logloss来计算损失：

而为了估计用户每种反馈的概率，第二部分的损失函数设计如下：

第二部分的损失函数又包含两个小部分，这两个小部分都是交叉熵损失，代表用户真实的反馈和Discriminator得到的用户反馈类型分布的差距。如果输入是一个真实的商品a的话，那么会对应一个用户真实的反馈，可以依此来指导模型的训练，如果模型输入是Generator的输出的话，同样会使用用户在下一个商品上的真实反馈指导模型训练，这样相当于进行了一定的数据增强，增加了Discriminator的判别能力，进而提升了Generator的生成能力，不过这部分的贡献需要乘上一个打折系数。

这里为什么说在一定程度上进行了数据增强呢？暂时还没有想明白，欢迎大家在下方留言，一起交流讨论。

进而，Discriminator总的损失计算如下：

对于Generator来说，同样有两部分的损失，一是希望能尽可能骗过Discriminator，使得Discriminator将Generator产生的判别为假的概率越低越好：

二是希望产生的向量G_θ(s)，与真实序列中下一个商品的向量距离越近越好，这里距离使用欧氏距离计算：

因此，总的损失计算结果如下：

好了，模型就介绍到这里了，后面的实验部分咱们就略过了，感兴趣的同学可以看一下。

4、仿真环境使用(猜测)

那么得到一个仿真环境之后，该怎么利用呢？论文这一块没有明确的说明，但可以知道的是，既然是一个仿真环境，那么是为了产生更多的训练数据，来使得真正的强化学习推荐模型训练得更加充分，那么可能的做法就是在G和D都训练充分之后，通过G产生一个推荐的item（这个item可能是与Generator产生的向量最为接近的item），然后通过D的前K维输出来得到用户最可能的反馈，并将其作为一条训练数据来训练真正的强化学习模型。这一块也仅是猜测，同样欢迎大家留言讨论！