推荐系统的发展演进历史和模型的目标及优缺点

推荐系统发展历程

梳理推荐系统的模型进化历程，明白模型改进了什么，有什么缺点。做到心中有一副big picture，才能明白未来模型的趋势。

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前言

前期已经详细展示了各种推荐模型的原理和详解。本次按照时间线把各个模型串联起来。

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一、模型进化历程

• 1、90年代，推荐算法主要是协同过滤算法，产生了基于用户（UserCF）、基于物品（ItermCF）的协同过滤算法。

  • 优点：模型最简单，计算快。
  • 模型缺点：行为数据非常稀疏，模型欠拟合

• 2、2006年，产生了基于矩阵分解的协同过滤算法

  • 优点：有点embedding的意思，但是没有明确提出embedding技术。改善了模型数据的稀疏性，可以为没有行为数据的物品和用户做推荐，
  • 实践：利用MF协同过滤算法，为校园BBS论坛推荐用户关心的top10热点帖子。
  • 缺点：只能用到行为数据一个特征，没有充分利用其他信息。

• 3 、LR模型：针对协同过滤只能用一个特征的缺点，那时传统机器学习大行其道，很自然就能想到最简单的线性回归模型LR。以及一些树决策树模型，比如GBDT、randomforest等。其中以线性回归LR为代表。

  • 优点：能利用多维度特征数据 ，计算速度快，目前仍有召回层采用此方法。
  • 缺点：
    • 1、模型过于简单，表达力不强
    • 2、特征之间相互独立，未能充分挖掘特征组合的特性。

• 3、2010年，产生FM模型，针对LR模型未充分挖掘特征之间的相关性，引入了特征交叉的概念，借鉴了二阶多项式模型，引入了特征之间的二阶交叉项。
  然后利用矩阵分解等优化手段，最终优化后表达式
  
  让FM可以达到线性时间的训练和预测，精度高于LR。FM
  后面再2017年，台湾人提出了对FM的改进模型FFM，引入了field的概念，FFM把相同性质的特征归于同一个field，有点特征降维和特征正交化的意思。FFM 由于引入了场，使得每两组特征交叉的隐向量都是独立的，可以取得更好的组合效果。

• 2013年，谷歌提出Word2vec模型，提出了embedding概念，开启了全新是视角，后被广泛应用到推荐系统，后续产生了Iterm2vec等一系列算法，为后续模型的发展，奠定了基础。

  • 优点：全新视角，用稠密向量表示物品，让计算物品间的相似性成为可能。
  • 缺点：只能处理类似时序性的序列，有些没有很强时序性，比如人际关系网这种图型结构，表达能力有限。

• 2014年，进一步在Word2vec embedding基础上，产生了Graph Embedding算法，比如DeepWalk，采用随机游走的方式，去捕获关联物品间的机构化信息。

  • 优点：对图结构有了表达能力
  • 缺点： 仅仅考虑了图节点间的链接权重，未进一步挖掘图结构的结构信息，比如中兴节点，周围节点。
  • 后续2016年斯坦福大学提出了Node2vec，通过调整随机游走的权重，从而体现网络的同质性（DFS）和结构性（BFS）。

• 同年2014年，Facebook提出了GBDT+LR模型，开启了组合模型的概念，充分利用各个模型的优点，进行强强联合，从而达到当个模型更好的准确率，性能提升3%。此时的GBDT决策树有点特征自动组合交叉的意思。GBDT+LR在当时比赛中也常见。

  • 优点：在当时算是传统机器学习中最好的模型。2014年中国人陈天奇发明的XGboost算法，目前应该是决策树模型的天花板，至今在各个数据比赛中依然常见，用XGboost+LR模型结合，模型的精度还是会比单个XGboost更好，我的cdsn论文中有描述。
  • 实践：实习时，采用此模型做了一个网上鲜花店的顾客兴趣商品top10推荐。效果不错。
  • 缺点：传统学习算法到达了性能瓶颈，再优化很难，未能充分挖掘物品之间的内在联系信息。

• 2016年，谷歌提出了wide&deep模型正式把深度神经网络引入到推荐系统，运用在了app推荐场景中。也成了后续改进模型的baseModle。整体有点集成学习的思想，wide部分是一个线性模型，利用了线性模型的记忆功能，deep部分是个3层的神经网络，对稠密后的特征向量进行自动特征提取，因此具有泛化能力，最后集成wide和deep部分，联合训练，得到最终的结果。

  • 优点：实现了对记忆和泛化能力的统一建模，提供了一种很好的思想，为后续模型改进提供了思路。
  • 缺点：Wide部分还是需要人为的特征工程，人工地设计特征叉乘。

• 2017年，华为提出了DeepFM，也就是用FM替换了Wide&deep中的LR部分，这也是很容易想到的对LR模型是升级部分，但FM模型的特征交叉仅限于二阶交叉，因此此模型的创新性不大。

  • 优点：升级了Wide&Deep模型
  • 缺点：特征交叉仅限二阶，特征提取还不够充分。

• 2017年，微软提出了DCN模型，尝试告别人工做特征交叉，提出了一种用cross network替换wide&deep模型的LR部分，cross network有点类似残差网络的结构，下一层元素等本层元素乘以第一层元素，然后再加上本次元素，因此，cross network设计多少层，就能做到多少阶的特征交叉。此外，相比于wide@Deep，DCN的cross部分和deep部分的输入是相同的，实验表明，cross部分能帮助deep部分收敛。

  • 模型优点：cross network自动做特征交叉。
  • 模型缺点：这种特征交叉是bit（位）界别的，不是向量级别的。特征向量作为一个整体才更能表达一个特征维度，拆分成bit，可能会失去向量整体的意思表达。

• 2017年，新加坡国立大学提出了NeutralCF，也就是著名的双塔结构，即采用神经网络来优化最初的协同过滤算法。优化点有两个：1、基于矩阵分解的协同过滤算法，最后用点积计算相似度，点积计算相似度还是太简单了，把点积替换成了MLP，2、MLP可以下推分别放置在物品侧和用户侧，最后模型就成著名的双塔结构，塔顶的输出就是物品侧和用户侧的embedding向量，存储起来，线上服务时，直接取embedding相似性作为推荐结果。

  • 模型优点：对传统协同过滤进行了升级，且易于部署。
  • 缺点：模型还是过于简单，特征利用率低，
  • 只能使用一个特征，而 NeutralCF可以在矩阵分解得到的向量后，追加其他特征，最后送进MLP中，这个模型待求证。

• 2017年，阿里巴巴提出DIN模型，场景的出发点是觉得把用户的embedding向量固定成一个，很难发现用户和目标商品的相关性，如果用户embedding向量能跟着待推荐商品的变化而变化，就更能精准的把握用户的兴趣向量，也就能推荐的越准确，baseModel就是把用户embedding，历史物品的平均池化embedding，和待推荐的目标物品embedding，加上场景信息embedding，concate成一个长长的向量，然后送进MLP进行学习训练，DIN的创新点在于引入了激活单元，也就是历史物品和待推荐物品的相关性，因为用户的历史物品和目标物品的关联性不同，权重自然就应该不同，因此单纯用average pooling会损失一些信息，所以我们先用一个激活单元，先算的目标商品和历史商品之间的权重，然后再用权重进行pooling，有效的抽取到用户的兴趣。

  • 优点：引入了用户向量随商品变动的机制，用户向量更加灵活，兴趣更能提取。
  • 缺点： 没有抓取用户历史物品的时序特性，同时，模型存在冷启动问题。

• 2018年，针对冷启动问题，阿里提出了EGES，也就是在deepwalk生成graph embedding时，加入了补充信息，即side information，很好的解决了冷启动问题，工程实践很很强，因为物品除了id类属性，还有自身固有属性，比如所属商品分类等，也是重要信息，全新的商品加入时，用KNN选出最近邻的N个商品，做average pooling，就能很好的表示出新商品的embedding，当然，阿里的EGES还引入了注意力机制，因为每个属性的重要程度不一样，所以把每个属性的权重，也加入到模型进行训练，最后的到根据权重相加的embedding。

  • 优点：很好的解决冷启动问题，工程实践强，graph embedding方法主流就有Deepwalk、Node2vec、EGES。
  • 缺点：目前没有发现明显缺点。

• 2019年，阿里巴巴对DIN未抽取时序特性进行了升级，得到DIEN，其实很好理解，对于时序性特征，最常见的处理手段是通过RNN、LSTM、GRU的专门处理时序的模型，其中以GRU最常见，因为模型最简单，门控信号就只有更新门和重置门，而效果上和具有 遗忘门、输入门、输出门的3门LSTM效果相差不大。但阿里的创新点在于在GRU的基础上添加了注意力attention机制，相当于在GRU中多添加了一个门叫attention门，最终输出用的是历史商品embedding是这个带attention的GRU的输出，达到了即抓住了用户历史序列特性，有抓住了历史物品和目标物品的相关性。可以模拟用户兴趣随时间的变化，所以叫兴趣进化网络。

  • 优点：改进DIN无法抽取时序性特征的弱点。
  • 缺点： 把历史序列当成一个大集合，没有进行细分，也就是没有考虑用户兴趣变迁的过程。

• 干货来了。推荐系统一直都在借用NPL中的算法，包括Word2vec，现在NPL也在快速发展，已经没有人用Word2vec了，因为Word2vec无论是CBOW还是skip-gram，都仅仅是按词频提取了局部信息，无法获取语境，比如apple，可以表示苹果，也可以代表一个公司，Word2vec把词用一个embedding向量表示，就无法根据上下语境来推测具体含义，因此，我们需要以更宏观、全局的角度去获取语境信息。

  • 于是有了Seq2Seq模型，首次引入了encoder和decoder，编码器和解码器的概念，是基于RNN模型的序列输入序列输出模型，比Word2vec有10%的效果提升。但是RNN天生的缺点是会遗忘，原始的RNN记忆能力更差，具有输入门、输出门、遗忘门的LSTM会把记忆大致分成长期记忆和短期记忆，效果会好点，简化的更新门和重置门的GRU计算量会稍微好点，当遗忘特性依然存在，后来有了双向RNN，都是在改进遗忘特性。
  • 另外RNN是串行模型，无法并行计算，所以计算效率也是短板。
  • 接着，人们摒弃了RNN，发现了attention和self-attention，现在NPL已经没人用RNN了，attention的优点是不会遗忘，并且可以并行计算。每次计算都会和之前的状态计算相关性，然后把之前状态按权重累加，做到了: 全局浏览、重点关注，所以叫attention注意力机制。当然计算量也会比Seq2Seq高，有三个权重矩阵需要训练，分别为$W_K$,$W_Q$,$W_V$,计算复杂度是encoder和decoder维度乘积。如果全局使用一个$W_K$,$W_Q$,$W_V$叫单头attention，如果使用多个$W_K$,$W_Q$,$W_V$矩阵，类似于卷积神经网络中的不用卷积核去提取信息，得到不同的结果。最后把不同的attention结果拼接起来，则叫多头attention。多头attention可以理解为叠加多次单头attention的结果。
  • 接着，模型进一步演化成了Transformer，现在，Transformer才是NPL领域的标准，Transformer利用6层attention和selfattention，配合全连接层来搭建encoder和decoder，摒弃了RNN结构，比seq2seq效果提升了5%。然后发展了bert，bert主要是用来预训练transformer的encoder模块，主要思想是随机遮挡单词进行预测，以及随机拼接句子进行是否相邻的判断。目前，NPL最好的模型就是bert。
  • 但是bert也有缺点：1、模型复杂，训练非常耗时，2、bert无法准确捕获序列时序位置信息。
  • 2021年的AAAI论文中，很多就是基于bert进行进一步简化和改进，比如fastBert、lightBert、miniBert等等。另外还有对位置信息的捕获改进，比较出名的就是图形分类的Ait模型，直接把位置信息加入到了bert最后得到的向量中，一起训练，目前Ait模型性能已经超过最好的基于深度CNN模型的Alxnet。这一点也给我了一些启发，后面详细说下。
  • 介绍了NPL，对推荐系统有什么改进呢？

• 2019年，阿里巴巴对DIEN进一步优化，得到了DSIN，重点是引入了session的概率和引入attention机制，因为用户的兴趣，在一段时间内可能会重点关注同一类物品，也就是一个session内是物品基本相似的，同质的，而在不同的时间段也就是不同session内是有较大差距的，也就是异构的，显然之前的模型一股脑把历史行为序列杂糅在一起，没有准确抓住这种兴趣随时间变迁的规律。session最初出现在Airbnd模型中，也不是阿里原创，DSEN处理过程为：1、把历史行为数据按时间段，比如30分钟，拆分成一个个session，2、每个session提取一个 兴趣向量， 3、每个session的兴趣向量用attention机制，获得每个兴趣向量在全局中的embedding向量。4、attention的缺点是无法准确捕获时序性和位置信息，自然会想到用处理时序新的LSTM、GRU等模型处理，这里创新点在于于用了BI-LSTM，也就是双向（前向和后向都进行LSTM，然后进行拼接），这样更能发现序列间的内在相关性。5、最后把历史session兴趣向量和目标商品进行权重计算，得到相关性，最后累加一起，得到最终商品的embedding向量。

  • 优点：引入了attention机制和session处理，对用户历史序列进行了更细粒度处理，当然能挖掘到更多规律。
  • 缺点： 模型复杂，时效性差。因为BI-LSTM也是串行模型，无法高效的并行计算。
  • 个人可优化DSIN的点：
    • 1.直接去掉BI-LSTM，因为BI-LSTM部分主要用来弥补attention获得的embedding向量无法包含位置信息的缺点，那为何不直接把位置信息叠加进attention后的embedding向量，一起训练，这样模型直接学习到位置信息，还可以并行计算。这里可参照ViT模型的处理技巧，Vit是首次把Transformer运用在图片分类中，于2021年发表，ViT模型在大数据上已经超越了基于CNN的ResNet等模型，在ViT模型中，把位置信息直接编码，然后叠加到attention得到的向量上，这种方法被检验有效。另外BI-LSTM本身用在推荐模型在某些顺序时序性场景就有点不切合，比如用户买了笔记本电脑，大概率会买无线鼠标来配合使用电脑，这种先后顺序很好理解，而反方向LSTM则会理解为，用户先买了鼠标，然后为了配合鼠标使用，买了电脑，这明细不合适。给买了笔记本电脑的用户推荐鼠标，CVR会较高，而给买了鼠标的用户推荐笔记本电脑，CVR未必高。
    • 2.session的划分，按照时间窗口，难免会产生边界效应或者叫兴趣割裂，用户浏览一个兴趣商品的时间可长可短，用固定时间窗去分割，明显不是最佳方式。我们重要的是抓住用户兴趣变化的点。我想到的办法是用近期物品的embedding和以前一个时间窗中所有物品做相关性计算，如果近期的几个物品和以往物品相关性小于某个阀值，则可以切分为不用的session。
    • 3、降噪处理，根据步骤二中那近期物品和历史物品进行相关性计算，还可以发现噪声，比如用户无意间点击了一下广告，然后又回到主兴趣上来，此时用户无意点击的广告信息，就可以当做噪音进行丢弃处理，或者当做第二兴趣特征，平行训练，这个需要依据依据业务特点进行确定。
    • 目前正在模型的改进和验证中，可考虑在国内期刊投稿。

• 重点介绍工程性很强的YoutubeNet及升级方式：

  • 2016年，YoutubeNet因为极强的工程落地性，成了经典模型，目前知乎、山烛视频等知名互联网都在使用，模型设计也很巧妙，用来预测用户对视频的播放时长。很能切合实际的业务场景。
  • 实践：上市公司信息推荐app中，业务目标是：1、让用户对公司信息能深入阅读，防范风险，2、让用户能接触到更多用户感兴趣的上市公司，从而投资时能把资金分散到各个上市公司，避免鸡蛋放在一个篮子里，从而降低投资风险。
  • 商业模式：收取交易手续费，提高用户投资金额就能获得更多手续费。但更重要的是让用户能充分了解投资目标的基本面情况，降低投资风险。
  • 技术解读：预测对上市公司信息的阅读时长，越长表示用户越感兴趣。
  • 选型：业务场景和YouTube模型契合，和阿里的DIN、DIEN、DSIN不契合。
  • YouTubeNet 创新点：

    • 离线得到用户embedding和物品embedding的设计很巧妙，先用用户历史序列embedding做avg-pooling，然后结合用户的属性信息，送进3层神经网络，最后softmax预测目标视频，巧在把最后softmax层对应的权重向量作为物品最终的embedding向量，而把softmax前一层的神经元输出作为用户embedding，这样确保了用户和物品embedding向量在同一个向量空间。

    • 召回层直接用局部敏感哈希或者用Facebook开源的Faiss库来快速召回物品。

    • 其次，线上模型部分，训练时加权逻辑回归作为最终输出，预测时用指数进行输出，经过公式的推导和近似处理，发现指数输出刚好是目标视频的观看时长。

• YouTubeNet模型的改进：实际中我们对模型进行了改进，用阿里EGES计算历史物品的embedding向量，这样很好的解决了冷启动问题，同时加入了物品更多的补充信息side information，物品的embedding向量也更准确。

二、常见问题

1.EGES是单独训练还是联合训练？

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总结

提示：这里对文章进行总结：
本文主要多推荐算法常见模型进行一个简单的梳理，里面很多细节都可以拿出来问。彻底搞懂一个很重要。