【技术分享】推荐系统之序列化建模

本文原作者：王伟，经授权后发布。

导语

近些年推荐系统领域已经有不少序列化建模的实践，本文将选择部分论文进行简单的分析和整理，旨在产生指引的作用。

背景

        传统推荐系统从content-based和social-based等基本模式所衍生出的多种多样的方法，都是将user-item所产生的behavior作为独立信息看待。然而现实生活中，用户的行为前后都存在极强的关联性甚至因果性。典型的在电商推荐场景，当用户买了一款手机之后，接下来如果推荐手机周边配件等物品则显得更合理一点，基于用户历史行为的序列化建模可以很好的解决这类问题。

写在前面

• 本文重点将放在这些方法设计思路的一些亮点上，诸如Transformer、Bi-LSTM等基本概念的理论细节不再涉及并默认大家都已经了解。
• 从最初的MC+MF方法，到后来深度学习兴起后的RNN-Based，再到近两年Google发表 ‘Attention is All You Need’后，Attention-Based的铺天盖地。经典paper的演进之路，在时间上反应了技术方法的革新与流行。不过我们真正要在进行业务实践时，不妨做一些更全面的考量和尝试。
• 混合结构模型实际上是“领域信息”的先验带入，“mlp可以拟合任意函数”仅仅是理论理想主义的一种表达。不过当我们要在业务上尝试应用这些复杂模型的时候，对业务场景和工具的深入理解变的至关重要。

2015 GRU4REC：Session-based Recommendations with Recurrent Neural Networks

背景与动机

        传统序列化推荐方法只考虑了用户的last behavior，没有使用到完整的session行为序列信息，作者引入RNN-based方法直接解决这个问题。

模型与特点

GRU4REC是一个单纯基于GRU的session sequence->next step的序列化预测模型（不同于sequence->target类型的序列化建模），每一个step 的输入经过embedding layer给到GRU，得到next step的预测。

        文章提出了一种Session-parallel mini-batch的方法，通过session粒度的并行极大加快了RNN-based模型的训练。这个工程层面的优化很巧妙，相当于将session样本分别放入BatchSize个队列中，step-by-step的进行训练。任意一个队列中出现session切换时，相应的GRU state将会被重置然后重新从序列起始开始训练（训练时构建BatchSize个GRU单元，每条队列对应的GRU有自己的hidden state，共享W/b网络参数）。

        每个step作为新的input，next batch step作为target，batch中其他session的target作为当前session的负样本。这种处理方式，既兼顾到效率（batch loss的计算转换为了一次矩阵乘法），同时也达到了从高流行度物品集中进行负采样的效果。

        文章指出pointwise的方式并不是最适合推荐ranking这种场景，提出了BPR和TOP1两种pairwise的loss。这里注意下，对于我们做推荐的同学应该都知道pointwise、pairwise和listwise这三种LTR的范式，在需要做ranking的场景我们并不需要对item做出一个准确的score预估，只要能得到尽可能好的排序顺序即可。Pairwise的loss function往往具有平坦底部，能够显著减低推荐排序模型的学习难度，建议多考虑。

小结

        GRU4Rec算是开创了RNN-based的session行为推荐方法，相比较于未来混合结构的序列模型，单一RNN的结构就比较简单。但是其在工程实践方面的优化以及loss的思考上确实很不错，开阔大家的思路。

2018 SASRec：Self-Attentive Sequential Recommendation

背景与动机

       传统MC方法仅考虑用户last behavior的影响，模型简单在稀疏数据场景效果更好。RNN-based的方法，能够处理长的用户行为序列，模型复杂在数据丰富并且支持复杂计算的场景更好。SASRec作为Attention-based方法，在两类方法的优缺点上做到一定的兼顾和平衡。

模型与特点

        因为self-attention model没有任何关于序列的结构化信息，所以SASRec在embedding layer加入position embedding，给模型引入了结构信息。

        “We modify the attention by forbidding all links between Qi and Kj (j > i) ”。整体结构脱胎于Transformer，不同点在于在Self Attention Layer保证了left-to-right unidirectional architectures，进行一层Mask处理就好了。

小结

        Transformer在序列化推荐上的应用，对于Self Attention的改造值得学习。

2018 DIEN: Deep Interest Evolution Network for Click-Through Rate Prediction

背景与动机

       这篇文章是阿里DIN的升级版，提出一个观点是用户兴趣是随时间而发生变化的。

模型与特点

       Behavior Layer，behavior序列/category特征做embedding。

       Interest Extractor Layer，区别于一般的直接用behavior embedding表达兴趣(类似DIN)，这里使用GRU来提取用户的潜在兴趣表达&行为之间的依赖。然而GRU的hidden state只能捕捉行为间的依赖，不能有效的表达兴趣。However, the hidden state ht which only captures the dependency between behaviors can not represent interest effectively. As the click behavior of target item is triggered by final interest, the label used in Ltarget only contains the ground truth that supervises final interest’s prediction, while history state ht (t < T) can’t obtain proper supervision. As we all know, interest state at each step leads to consecutive behavior directly. 所以论文提出auxiliary loss，使用t+1时刻的behavior embedding bt+1去监督ht（计算loss），除了用next behavior作为正例，从item集合中抽样非next behavior作为负例（模型图左侧示意） 。增加auxiliary loss后，有以下几个好处：1）GRU hidden state ht可以有效表达用户兴趣 2）降低了GRU模型长序列BP的难度 3）使用embedding layer学到更多语义信息，得到更好的embedding矩阵。

       Interest Evolving Layer，用户在行为序列上表达出的兴趣表现出兴趣迁移的特性。在GRU的每一步引入local activation，强化target相关兴趣的影响力，弱化不相关的部分。

      文章提到3种Attention和GRU结合的方式AIGRU/AGRU/AUGRU，AIGRU通过attention score at标量乘法直接弱化hidden state ht的影响，但input 0也能影响到GRU的hidden state；AGRU用attention score替换了GRU的update gate，也是at标量乘法直接弱化hidden state ht的影响，但是失去了分布式表达不同维度差异化的表达；AUGRU能够减弱兴趣漂移的干扰，让相关性高的兴趣能平滑的evolve，最后采用了AUGRU。

小结

       DIEN对attention和GRU的结合做了比较多的工作，这篇文章值得仔细学习和参考。

2018 Caser：Personalized Top-N Sequential Recommendation via Convolutional Sequence Embedding

背景与动机

       主要还是解决MC类方法，只考虑last behavior而没有考虑序列pattern的问题。虽然RNN-Based和Attention-Based方法一定程度上能够解决这类问题，但文章提出的基于CNN思路很不错值得学习下。

模型与特点

        在用户行为序列上滑窗产生样本，前L个行为作为input，接下来T个行为作为target。

        L个input行为经过embedding layer得到L*d的矩阵（d是latent dimension size），将其看做一张二维图像，分别用水平和垂直两个convolution kernel来捕捉用户行为序列里面的结构信息。

        最后和user representation concat到一起全连接，预测next T-targets。

小结

        没有直接作为典型的left-to-right unidirectional 结构来处理，而是整个作为结构化的信息交给CNN来进行特征提取。CNN-Based的序列化建模方法，个人认为是一个很不错的尝试，值得在应用中考虑。

2019 BERT4Rec：Sequential Recommendation with Bidirectional Encoder Representations from Transformer

背景与动机

        这是阿里在电商推荐上对大热BERT的一次尝试。文章挑战了left-to-right unidirectional 结构的表达能力，以及其在实际推荐场景的合理性。Introduction中举了一个例子，用户在浏览多个口红时的顺序并没有太多的作用，作者Bidirectional model更为合适。

模型与特点

        将用户行为序列看做文本序列，但BERT不能直接用双向信息做序列预测（会造成信息泄露），于是在文章中序列化建模的问题转变成了Cloze task。随机mask掉user behavior sequence中部分item，然后基于sequence中的上下文来预测被mask掉的item。 Cloze Task随机对sequence mask来构造样本的机制，使得BERT4Rec可以产生大量的样本用于training。

        为了training task保持一致，预测时在user behavior sequence最后加上special token [mask]，然后进行mask predict即等价于预测next item。为了使得模型更好的match predict task，特意构造出只mask sequence最后一个item这样的样本用于训练。

小结

1. 文章实际上依靠position embedding来产生sequence的信息，bidirectional sequential更多的是基于Transformer的context。
2. 对于序列化建模问题的转换，以及训练样本的处理都很值得借鉴。

2019 BST：Behavior Sequence Transformer for E-commerce Recommendation in Alibaba

背景与动机

        文章仍然是Transformer的一个应用，模型简单清晰，部署在TaoBao作为一个排序模型。

模型与特点

        行为时间距离当前时间的diff，作为输入经过embedding layer后和item embedding一起输入到Transformer中，来产生结构化的序列信息。

小结

        对Transformer一个直接的应用，通过引入position embedding弥补序列信息缺失的问题，产生再结合other feature做mlp来进行item预测。引入position信息，是Transformer用到序列化推荐时常用的手法，但是是否能够替代掉真正sequence还需要结合应用场景实践分析。

2019 DSIN：Deep Session Interest Network for Click-Through Rate Prediction

背景与动机

        用户在session内的行为是内聚的，而跨session的行为会出现显著差异。一般的序列化建模，并不会刻意去区分行为序列中不同session之间的差异。DSIN则是构建了一种session层面的序列模型，意图解决这个问题。

模型与特点

        Session Division Layer将用户行为序列切到不同的session中(浅粉色)；

        紧接着session序列中每个session做一个sum polling，再加上bias encoding输入到Transformer（浅黄色）；

        Transformer输出的序列，一方面与待预测item通过激活单元做了一个attention的处理（浅紫色），一方面输入到Bi-LSTM（浅蓝色）；

        经过Bi-LSTM，用户行为才得到真正序列化处理（个人认为transformer处理序列数据，仅仅是将sequence的内聚性做了进一步的加强，所以很多应用还要额外再输入position encoding来强调结构化信息），再和item做activation attention。

小结

        在混合复杂模型里面，个人比较喜欢DSIN的整体设计，从motivation上来看更加有的放矢，值得尝试。

最后几点想说的

1. 序列化建模的文章还有很多，后面会再补充
2. 水平有限，如果有理解不到位的地方还望指正，欢迎交流

参考

1. Rendle S, Freudenthaler C, Schmidtthieme L, et al. Factorizing personalized Markov chains for next-basket recommendation[J]. the web conference, 2010: 811-820.
2. Hidasi B, Karatzoglou A, Baltrunas L, et al. Session-based Recommendations with Recurrent Neural Networks[J]. arXiv: Learning, 2015.
3. Yu F, Liu Q, Wu S, et al. A Dynamic Recurrent Model for Next Basket Recommendation[C]. international acm sigir conference on research and development in information retrieval, 2016: 729-732.
4. Wu C, Ahmed A, Beutel A, et al. Recurrent Recommender Networks[C]. web search and data mining, 2017: 495-503.
5. Kang W, Mcauley J. Self-Attentive Sequential Recommendation[J]. arXiv: Information Retrieval, 2018.
6. Tang J, Wang K. Personalized Top-N Sequential Recommendation via Convolutional Sequence Embedding[C]. web search and data mining, 2018: 565-573.
7. Ni Y, Ou D, Liu S, et al. Perceive Your Users in Depth: Learning Universal User Representations from Multiple E-commerce Tasks[C]. knowledge discovery and data mining, 2018: 596-605.
8. Zhou G, Mou N, Fan Y, et al. Deep Interest Evolution Network for Click-Through Rate Prediction[J]. arXiv: Machine Learning, 2018.
9. Sun F, Liu J, Wu J, et al. BERT4Rec: Sequential Recommendation with Bidirectional Encoder Representations from Transformer.[J]. arXiv: Information Retrieval, 2019.
10. Chen Q, Zhao H, Li W, et al. Behavior Sequence Transformer for E-commerce Recommendation in Alibaba.[J]. arXiv: Information Retrieval, 2019.
11. Feng Y, Lv F, Shen W, et al. Deep Session Interest Network for Click-Through Rate Prediction[J]. arXiv: Information Retrieval, 2019.
12. Lv F, Jin T, Yu C, et al. SDM: Sequential Deep Matching Model for Online Large-scale Recommender System.[J]. arXiv: Information Retrieval, 2019.