简介

本文要介绍的是Google于2016年提出的Wide&Deep模型，此模型的提出对业界产生了非常大的影响，不仅其本身成功地应用在多家一线互联网公司，而且其后续的改进工作也一直延续至今。Wide&Deep模型正如其名，分别包含了Wide部分和Deep部分。其中Wide部分的作用是让模型具有较强的“记忆能力”(memorization)；而Deep部分的作用是让模型具有“泛化能力”(generalization)。正是这样的设计，使得模型兼具了逻辑回归和深度神经网络的优点——能够快速处理并记忆大量历史行为特征，并具有强大的表达能力。原论文在这里。

背景知识

推荐系统可以被认为是一个搜索排名系统，它的输入是一组用户以及上下文信息，输出是物品的排序列表。对于一次查询，推荐任务是从数据库中找到相关的物品，然后根据具体的任务(比如点击率预估或者购买预测)对这些物品进行排名，最后把结果呈现给用户。与一般的搜索排名问题类似，推荐系统中的一项挑战是同时实现记忆(memorization)和泛化(generalization)，Wide&Deep模型正是为了解决这项挑战而提出的。那么我们首先来理解下这两个概念，记忆和泛化。

Memoriization(记忆能力)

下面是原论文中的描述：

Memorization can be loosely defined as learning the frequent co-occurrence of items or features and exploiting the correlation available in the historical data.

“记忆能力”可以被理解成模型直接学习并利用历史数据中物品或者特征的"共现频率"的能力。一般来说，协同过滤、逻辑回归等简单模型具有较强的“记忆能力”。由于这类模型结构简单，原始数据往往可以直接影响推荐结果，产生类似于"如果曾经点击过A，就推荐B"这类规则式的推荐，这相当于模型直接记住了历史数据的分布，并根据这些特点进行推荐。

Generalization(泛化能力)

下面是原论文中的描述：

Generalization, on the other hand, is based on transitivity of correlation and explores new feature combinations that have never or rarely occurred in the past.

“泛化能力”可以被理解为模型传递特征的相关性，以及发掘稀疏甚至从未出现过的稀有特征与最终标签相关性的能力。矩阵分解比协同过滤的泛化能力强，因为矩阵分解引入了隐向量这样的结构，使得数据稀少的用户或者物品也能生成隐向量，从而获得有数据支撑的推荐得分，这就是非常典型的将全局数据传递到稀疏物品上，从而提高泛化能力的例子。

下面以人为例来总结一下记忆和泛化能力，我们人类可以观察日常事件并且记在脑子中，比如我们观察到了“麻雀会飞”和“鸽子会飞”等自然事件。除此之外，我们还可以根据已有记忆进行总结并制定出相应规则(比如“有翅膀的动物会飞”)，并应用到之前未见过的事物。当然也有例外，比如"企鹅不会飞"，因此我们也需要记住一些异常情况，来进一步完善之前制定出的规则。

Wide&Deep模型如何工作

假设我们现在要开发一款点餐app，用户只需要输入它想要的某种食物(query)，点餐app就可以预测出用户最喜欢的食物(item)，并且呈现出来。如果用户下单了app推荐的食物，那么得分为1，否则为0。
我们首先使用Wide模型来处理这个问题，Wide模型希望能够记住对于一次query，究竟哪一个item与之最为匹配。这个模型预测一个消费概率 $P(consumption|query,item)$ ，即对于一个特定的query和推荐的item，它被消费的概率有多大？举个例子，这个模型学到了组合特征"AND(query='fried chicken', item='chicken and waffles')"成功率很高，即如果用户搜索炸鸡，app推荐炸鸡和华夫饼，那么用户消费的概率就很大。组合特征"AND(query='fried chicken', item='chicken fried rice')"却并没有得到用户的青睐，尽管从名字上看，炸鸡和鸡肉炒饭相似度很高，但实际上这两者完全是不同的口味。因此Wide模型是要记住用户之前喜欢什么样的item。下图展示了Wide模型的“记忆过程”。

Wide模型
对于组合特征"AND(query='fried chicken', item='chicken fried rice')"，Wide模型会降低此组合特征的权重，而增大组合特征"AND(query='fried chicken', item='chicken and waffles')"的权重。过了一段时间，用户对app的推荐内容感到疲倦，他们希望app能够推荐一些符合他们口味，但同时又能带来新鲜感的食物。因此我们选择Deep模型来解决这个问题，Deep模型会对每个query和item都生成低维的稠密embedding向量，并且在embedding空间中来查找彼此比较接近的ietm。举个例子，你会发现搜索炸鸡的用户一般也不会介意再吃个汉堡。下图展示了Deep模型示意图，可以看到在Embedding空间中，炸鸡和汉堡彼此距离比较近。

Deep模型

但是Deep模型也有它自身的问题，就是泛化过度，即给用户推荐了不太相关的物品。通过查询历史数据，我们发现实际上存在两种不同的query-item关系。
第一种是精准查询，用户输入了非常精准的食物描述，比如“冰脱脂牛奶拿铁咖啡”，我们不能因为它与“热全脂拉铁咖啡”在Embedding空间中比较相近就推荐给用户。
第二种是宽泛查询，比如用户输入了类似"海鲜"或者“意大利食物”这样的关键字，根据这种具有宽泛意义的关键词可以找到非常多相关的item。

了解到了这些问题之后，一个很自然的想法就是将Wide和Deep模型结合起来使用，如下图：

Wide&Deep模型
如上图所示，对于两个稀疏特征query="fried chicken" 以及 item="chicken fried rice"，我们同时丢入Wide模型(左边)和Deep模型(右边)进行训练。这样模型就兼具了记忆和泛化的能力，从而可以达到更好的推荐效果。

Wide&Deep模型

因此在这里引入本文的主角，Wide&Deep模型，如下图：

Wide&Deep模型

上图左边是Wide模型，右边是Deep模型，中间便是Wide&Deep模型了，下面分别来介绍一下：

Wide部分

Wide模型其实就是一个简单的广义线性模型，公式定义如下：

其中

x

代表原始特征，

\phi(x)

代表的是叉乘特征，

w

是权重矩阵，

b

是偏置。
这里需要介绍一下叉乘特征，叉乘特征是通过特定的变换函数对特征进行组合得来的，其中论文使用的是交叉积变换函数，其定义如下：

其中

c_{ki}

是一个布尔变量，当第

i

个特征值属于第

k

个组合特征时，

c_{ki}=1

，否则为0；

x_{i}

是第

i

个特征的值。例如，对于组合特征"AND(query='fried chicken', item='chicken fried rice')"来说，只有当query中uery='fried chicken'和item='chicken fried rice'这两个特征都为1的时候，组合特征才为1，否则为0。

Deep部分

Deep模型其实就是一个前馈神经网络，网络会对一些稀疏特征(如ID类特征)学习一个低维的稠密Embedding向量，维度通常在O(10)~O(100)之间，然后与一些原始稠密特征一起作为网络的输入，依次通过若干隐层进行前向传播，每一个隐层都执行以下计算：

其中

f

是激活函数，这里选用的是ReLU，

a^{(l)}

b^{(l)}

w^{(l)}

分别是第

l

层的激活值，偏置，以及权重矩阵。

Wide&Deep联合训练

论文特意强调了Wide模型和Deep模型是联合(Joint)训练的，与集成(Ensemble)是不同的，集成训练是每个模型单独训练，再将模型结果汇总。因此每个模型都会学的足够好的时候才会进行汇总，故每个模型相对较大。而对于Wide&Deep的联合训练而言，Wide部分只是为了补偿Deep部分缺失的记忆能力，它只需要使用一小部分的叉乘特征，故相对较小。
Wide&Deep模型采用的Logistic Loss函数，模型的预测值定义如下：

其中

Y

是二值化的类别标签，

\sigma (\cdot)

是Sigmoid激活函数，

\phi(x)

是对原始特征

x

进行交叉积转换后的叉乘特征，

b

是偏置值。

w_{wide}

是所有的wide模型的权重，

w_{deep}

是应用在最后一层神经元的激活值上的权重矩阵。

关于模型训练，论文对Wide部分使用了FTRL算法并且加上了L1正则化，对于Deep部分使用了AdaGrad算法。

实验

作者将Wide&Deep模型运用到了Google Play商店中，当一个用户访问Google Play，会生成一个包含用户和上下文信息的query，推荐系统的精排模型会对于候选池中召回的一系列apps（即item）进行打分，按打分生成app的排序列表返回给用户。

app推荐系统的pipeline包含3个部分，分别是数据生成、模型训练、模型服务。Google Play的app推荐系统管道示意图如下：

论文使用的Wide&Deep模型结构如下：

Wide&Deep模型应用于推荐系统中

实验细节如下：

训练样本约5000亿
Categorical 特征（sparse）会有一个过滤阈值，即至少在训练集中出现m次才会被加入
Continuous 特征（dense）通过CDF被归一化到 [0,1] 之间
Categorical 特征映射到32维embeddings，和原始Continuous特征共1200维作为神经网络的输入
Wide部分只用了一组特征叉乘，即已安装的应用和曝光应用
线上模型更新时，通过“热启动”重训练，即使用上次的embeddings和模型参数初始化

Wide部分的输入仅仅是已安装应用和曝光应用两类特征，其中已安装应用代表用户的历史行为，而曝光应用代表当前的待推荐应用。选择这两类特征的原因是充分发挥Wide部分“记忆能力”强的优势。

通过3周的线上A/B实验，实验结果如下，其中Acquisition表示下载。

实验结果

可以看到，经过3周的实验之后，Wide&Deep模型使Google Play应用商店主页上的app下载量提升了3.9%。

代码实践

网络模型部分分别实现了Wide和Deep模型，然后拼接起来实现了Wide&Deep模型，模型部分代码如下：

import torch
import torch.nn as nn

class Wide(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim):
        super(Wide, self).__init__()
        # hand-crafted cross-product features
        self.linear = nn.Linear(in_features=input_dim, out_features=1)

    def forward(self, x):
        return self.linear(x)

class Deep(nn.Module):
    def __init__(self, config, hidden_layers):
        super(Deep, self).__init__()
        self.dnn = nn.ModuleList([nn.Linear(layer[0], layer[1]) for layer in list(zip(hidden_layers[:-1], hidden_layers[1:]))])
        self.dropout = nn.Dropout(p=config['deep_dropout'])

    def forward(self, x):

        for layer in self.dnn:
            x = layer(x)
            # 如果输出层大小是1的话，这里再使用了个ReLU激活函数，可能导致输出全变成0，即造成了梯度消失，导致Loss不收敛
            x = torch.relu(x)
        x = self.dropout(x)
        return x

class WideDeep(nn.Module):
    def __init__(self, config, dense_features_cols, sparse_features_cols):
        super(WideDeep, self).__init__()
        self._config = config
        # 稠密特征的数量
        self._num_of_dense_feature = dense_features_cols.__len__()
        # 稠密特征
        self.sparse_features_cols = sparse_features_cols

        self.embedding_layers = nn.ModuleList([
            # 根据稀疏特征的个数创建对应个数的Embedding层，Embedding输入大小是稀疏特征的类别总数，输出稠密向量的维度由config文件配置
            nn.Embedding(num_embeddings = num_feat, embedding_dim=config['embed_dim'])
                for num_feat in self.sparse_features_cols
        ])

        # Deep hidden layers
        self._deep_hidden_layers = config['hidden_layers']
        self._deep_hidden_layers.insert(0, self._num_of_dense_feature + config['embed_dim'] * len(self.sparse_features_cols))

        self._wide = Wide(self._num_of_dense_feature)
        self._deep = Deep(config, self._deep_hidden_layers)
        # 之前直接将这个final_layer加入到了Deep模块里面，想着反正输出都是1，结果没注意到Deep没经过一个Linear层都会经过Relu激活函数，如果
        # 最后输出层大小是1的话，再经过ReLU之后，很可能变为了0，造成梯度消失问题，导致Loss怎么样都降不下来。
        self._final_linear = nn.Linear(self._deep_hidden_layers[-1], 1)

    def forward(self, x):
        # 先区分出稀疏特征和稠密特征，这里是按照列来划分的，即所有的行都要进行筛选
        dense_input, sparse_inputs = x[:, :self._num_of_dense_feature], x[:, self._num_of_dense_feature:]
        sparse_inputs = sparse_inputs.long()

        sparse_embeds = [self.embedding_layers[i](sparse_inputs[:, i]) for i in range(sparse_inputs.shape[1])]
        sparse_embeds = torch.cat(sparse_embeds, axis=-1)
        # Deep模块的输入是稠密特征和稀疏特征经过Embedding产生的稠密特征的
        deep_input = torch.cat([sparse_embeds, dense_input], axis=-1)

        wide_out = self._wide(dense_input)
        deep_out = self._deep(deep_input)
        deep_out = self._final_linear(deep_out)

        assert (wide_out.shape == deep_out.shape)

        outputs = torch.sigmoid(0.5 * (wide_out + deep_out))
        return outputs

    def saveModel(self):
        torch.save(self.state_dict(), self._config['model_name'])

    def loadModel(self, map_location):
        state_dict = torch.load(self._config['model_name'], map_location=map_location)
        self.load_state_dict(state_dict, strict=False)

数据集方面采用的是criteo数据集的一个很小的子集，仅仅是为了测试模型功能。测试数据并没有标签，因此模型训练好了之后，直接对测试集进行点击率预估，输出的结果是由0,1组成的向量，代表点击与否，部分结果如下：

后记

此网络模型代码也是借鉴网上的，具体链接记不得了。自己在调试的时候，遇到一个很棘手的问题，就是模型代码设计好了之后，在训练时，无论怎样调整学习率等超参数，损失就是降不下来。自己也搜了很多相关的资料，有很多说的是数据集本身有问题，学习率过小，损失函数不对等等。结果折腾了半天依然没找到原因。最后通过一步一步对比自己的代码，发现WideDeep模型最后是会将Wide和Deep模型各自的两个输出Tensor相加的，这两个Tensor大小都是1。而自己当时觉得为了方便，将输出为1的Linear层直接放到了Deep层里面，其实这样做并没有什么问题，但是由于Deep模型进行前向计算时，每次都会经过ReLU激活函数，当Deep模型最后的输出大小为1的时候，再经过ReLU，很可能导致输出直接变为0，即造成了梯度消失的问题。因此这样无论怎么训练，梯度都无法传递到网络的浅层部分，导致模型参数无法更新，Loss无法降低。通过这次代码调试，自己也算是学到一些技巧了，以后在编写代码的时候要尽可能注意不要犯这样的错误。
完整代码见https://github.com/HeartbreakSurvivor/RsAlgorithms/blob/main/Test/widedeep_test.py.

参考

https://arxiv.org/pdf/1606.07792.pdf
https://ai.googleblog.com/2016/06/wide-deep-learning-better-together-with.html
《深度学习推荐系统》—— 王喆
https://zhuanlan.zhihu.com/p/53361519
https://blog.csdn.net/wuzhongqiang/article/details/109254498

推荐系统之Wide&Deep模型原理以及代码实践

简介

背景知识

Memoriization(记忆能力)

Generalization(泛化能力)

Wide&Deep模型如何工作

Wide&Deep模型

Wide部分

Deep部分

Wide&Deep联合训练

实验

代码实践

后记

参考

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