前言

在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)世界，推薦系統(tǒng)在內(nèi)容分發(fā)領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色。如何盡可能的提升推薦系統(tǒng)的推薦效果，是每個(gè)推薦算法同學(xué)工作的核心目標(biāo)。在愛奇藝海外推薦業(yè)務(wù)，引入 TensorFlow Ranking (TFR) 框架，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了研究和改進(jìn)，顯著提升了推薦效果。本文將分享 TFR 框架在海外推薦業(yè)務(wù)中的實(shí)踐和應(yīng)用。

01 算法的迭代：從傳統(tǒng) CTR 預(yù)估到 LTR

長(zhǎng)期以來(lái)，在推薦系統(tǒng)排序階段廣泛應(yīng)用的 CTR 預(yù)估算法的研究重點(diǎn)在于，如何更加準(zhǔn)確的估計(jì)一個(gè)用戶對(duì)于一個(gè) item 的點(diǎn)擊概率。在這類算法中，我們將一組同時(shí)曝光在用戶面前的 items，當(dāng)做一個(gè)一個(gè)單獨(dú)的個(gè)例看待，將用戶的特征、環(huán)境特征和一個(gè)一個(gè) item 的特征分別組合成為一條條訓(xùn)練數(shù)據(jù)，將用戶對(duì)這個(gè) item 的反饋（點(diǎn)擊、未點(diǎn)擊、播放時(shí)長(zhǎng)等）作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)的標(biāo)簽。這樣看似合理的問題抽象其實(shí)并不能準(zhǔn)確的表征推薦場(chǎng)景。

嚴(yán)格來(lái)講，排序問題的本質(zhì)（尤其是以瀑布流形式呈現(xiàn)的業(yè)務(wù)）并不是研究估計(jì)一個(gè)用戶對(duì)于一個(gè)單獨(dú)的 item 的點(diǎn)擊概率，而是研究在一組 items 同時(shí)曝光的情況下，用戶對(duì)這組 items 中哪個(gè)的點(diǎn)擊概率更大的問題。

Learning-To-Rank (LTR) 算法正是為解決這個(gè)問題而出現(xiàn)的。LTR 算法在訓(xùn)練時(shí)采用 pairwise 或者 listwise 的方式組織訓(xùn)練數(shù)據(jù)，將一組同時(shí)曝光在用戶面前的 items，兩兩 (pairwise) 或者多個(gè) (listwise) items 和用戶特征環(huán)境特征共同組成數(shù)據(jù)對(duì)，作為一條條的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。相應(yīng)的，在評(píng)估模型的指標(biāo)上，LTR 算法更多采用 NDCG、ARP、MAP 等能夠反映 items 順序影響的指標(biāo)。

同時(shí)，由于 LTR 算法的這種訓(xùn)練數(shù)據(jù)組織形式，使得這類算法在用戶量相對(duì)不大的場(chǎng)景下，更容易取得比較好的效果。同樣得益于這種數(shù)據(jù)組織形式，也很方便的實(shí)現(xiàn)更好的負(fù)樣本采樣。

注：關(guān)于推薦業(yè)務(wù)中采樣和模型評(píng)估指標(biāo)之間還有一個(gè)有趣的研究可以參考，2020 KDD Best Paper Award ，On Sampled Metrics for Item Recommendation

02 框架的設(shè)計(jì)：TensorFlow Ranking

TensorFlow Ranking (TFR) 是 TensorFlow 官方開發(fā)的 LTR 框架，旨在基于 TensorFlow 開發(fā)和整合 LTR 相關(guān)的技術(shù)，使開發(fā)人員可以更加方便的進(jìn)行 LTR 算法的開發(fā)。

在實(shí)際使用過程中，可以體會(huì)到 TFR 框架為我們帶來(lái)的收益?？蚣軆?nèi)抽象出了訓(xùn)練中不同層級(jí)的類，并開發(fā)了相關(guān)的 loss 函數(shù)，以方便我們進(jìn)行 pairwise 和 listwise 的訓(xùn)練，同時(shí)整合了 arp、ndcg 等模型評(píng)估的 metrics，再結(jié)合 TensorFlow 高階 api (Estimator)，可以非常方便快捷的進(jìn)行開發(fā)，而不用掙扎于各種實(shí)施上的細(xì)節(jié)。

如上圖所示，藍(lán)色框圖中是在使用 TensorFlow Estimator 時(shí)，model_fn 參數(shù)內(nèi)需要自己設(shè)計(jì)和開發(fā)的算法模型模塊。在這個(gè) model_fn 中，需要自行設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu) (Scoring Function)，然后用模型計(jì)算的 logit 和 label 來(lái)計(jì)算 Loss 和 Metrics，最后利用 Optimizer 來(lái)進(jìn)行模型的優(yōu)化。圖中，紅色虛曲線下方的部分為使用 TFR 框架的整個(gè)流程。

從圖中可以看出，其實(shí) TFR 框架主要是做了兩方面的工作：

把原有 model_fn 中 Scoring Function 和 Loss、Metrics 的計(jì)算進(jìn)行了拆分，然后將原有流程中我們自行實(shí)現(xiàn)的 Loss 和 Metrics 替換為 TFR 框架中的 LTR 相關(guān)的 Loss 和 Metrics。

為了配合 TFR 框架中的 LTR 相關(guān)的 Loss 和 Metrics 來(lái)實(shí)現(xiàn) LTR 的訓(xùn)練，訓(xùn)練數(shù)據(jù)需要以 listwise 的形式組織。但由于需要使用原有 model_fn 中 Scoring Function，在數(shù)據(jù)輸入的部分通過 LTR 框架中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)來(lái)對(duì)模型輸入的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使得以 listwise 形式組織的數(shù)據(jù)能夠利用 Scoring Function 來(lái)計(jì)算 logit。

所以，在 TFR 框架中，從數(shù)據(jù)到模型訓(xùn)練完整的流程是：訓(xùn)練數(shù)據(jù)-->用戶定義 feature_columns-->transform_fn 特征轉(zhuǎn)換-->Scoring Function 計(jì)算 score-->ranking_head 的 loss_fn 計(jì)算 loss–->ranking_head 的 eval_metric_fns 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)–->optimizer 進(jìn)行優(yōu)化。

從使用層面看，TFR 框架就是做了上面兩件事，看起來(lái)似乎并不復(fù)雜。但是從框架開發(fā)的角度上看，為了實(shí)現(xiàn)上述流程，TFR 框架內(nèi)在 losses.py 和 metrics.py 中開發(fā)了多個(gè) LTR 相關(guān)的 Loss 和 Metrics，在 data.py 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了讀取和解析以 listwise 形式組織數(shù)據(jù)的 tfrecords 文件的工具，還在 feature.py 中開發(fā)了兼容 TensorFlow 特征轉(zhuǎn)換函數(shù)的特征處理工具。最后通過 head.py 和 model.py 中的類對(duì)上述功能進(jìn)行了層層封窗和抽象，并與 TensorFlow Estimator 很好的結(jié)合起來(lái)。

具體一些來(lái)看，代碼組織上，TFR 框架主要這樣實(shí)現(xiàn)的：

第一：

tfr 通過 tfr.model.make_groupwise_ranking_fn 來(lái)對(duì) Estimator 的 model_fn 進(jìn)行了整體的封裝。我們?cè)械幕?TensorFlow 的開發(fā)，在 Estimator 的 model_fn 這個(gè)參數(shù)內(nèi)需要定義包括 Loss、Metrics 在內(nèi)的完整的模型函數(shù)，但是在tfr這里就不需要了，make_groupwise_ranking_fn 會(huì)整體返回一個(gè) Estimator 接收的 model_fn。

第二：

tfr.model.make_groupwise_ranking_fn 函數(shù)的第一個(gè)參數(shù) group_score_fn，這里是需要傳入我們?cè)O(shè)計(jì)和開發(fā)的模型結(jié)構(gòu) (Scoring Function)，但是這個(gè)模型是之前我們提到的，只需要計(jì)算出 logit 的模型。

第三：

tfr.model.make_groupwise_ranking_fn 函數(shù)的第三個(gè)參數(shù) transform_fn，對(duì)應(yīng)調(diào)用 feature.py 中開發(fā)了兼容 TensorFlow 特征轉(zhuǎn)換函數(shù)來(lái)對(duì)以 listwise 形式組織的數(shù)據(jù)（由 data.py 中的工具讀取進(jìn)來(lái)的 Dataset）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，確保輸入 Scoring Function 的數(shù)據(jù)格式正確。

第四：

tfr.model.make_groupwise_ranking_fn 函數(shù)的第四個(gè)參數(shù) ranking_head，對(duì)應(yīng)調(diào)用了 tfr.head.create_ranking_head 函數(shù)，里面的三個(gè)參數(shù)分別定義了 loss、metrics 和 optimizer。loss 和 metrics 分別從 TFR 的 losses.py 和 metrics.py 中選擇我們需要的，而 optimizer 還是使用 TensorFlow 中的 optimizer。

以上就是 TFR 框架的整體架構(gòu)，其實(shí)這個(gè)框架整體設(shè)計(jì)和代碼實(shí)現(xiàn)，還是非常優(yōu)雅和巧妙的。

03 遇到的問題和實(shí)踐

TFR 框架的精巧設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)解決了我們基于 TensorFlow 做 LTR 算法中的 80% 到 90% 的問題。但是作為一個(gè) 2019 年才發(fā)布第一個(gè)版本的框架，TFR 還是存在一些待優(yōu)化的地方。

在分享 TFR 框架上的實(shí)踐前，首先介紹一下 TFR 框架的版本情況，目前 TFR 框架發(fā)布的版本中，0.1.x 版本支持 TensorFlow 1.X 版本，而 0.2.x 和 0.3.x 版本都只支持 TensorFlow 2.X 版本?？紤]到 TensorFlow 2.X 版本還存在一些不確定性（如前段時(shí)間爆出使用 Keras 功能 API 創(chuàng)建的模型自定義層中的權(quán)重?zé)o法進(jìn)行梯度更新的問題。

(https://github.com/tensorflow/tensorflow/issues/40638)，目前大量的算法開發(fā)人員其實(shí)還在用 TensorFlow 1.X 版本。我們目前也在使用 TensorFlow 1.X 版本，所以本文介紹的內(nèi)容，描述的問題和給出的解決方案，都是基于 TensorFlow 1.14 版本，對(duì)應(yīng)最新的 TFR 0.1.6 版本。

我們最開始使用 TFR 框架是 2019 年年中的時(shí)候，當(dāng)時(shí) TFR 框架的最新版本是 0.1.3。在使用的過程中，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)版本無(wú)法支持 sparse/embedding features。但是推薦的特征中，稀疏特征是不可或缺的一部分，并且可能大部分特征都是稀疏的，所以我們不得不放棄使用。但是很快，在稍后發(fā)布的 0.1.4 版本中這個(gè)問題就得到了解決。

我們正式開始使用 TFR 框架是從 0.1.4 版本開始的。但是到目前最新的 0.1.6 版本，還是有兩個(gè)我們不得不用的特性還是沒有在 TFR 0.1.x 版本上得到支持：

訓(xùn)練過程中無(wú)法實(shí)施正則化

如前所述，TFR 框架通過 make_groupwise_ranking_fn 來(lái)對(duì) Estimator 的 model_fn 進(jìn)行了整體的封裝。

我們自己設(shè)計(jì)和開發(fā)的模型 (Scoring Function)，定義了網(wǎng)絡(luò)，輸入輸出節(jié)點(diǎn)，最后只需要輸出一個(gè) logit。這個(gè)和傳統(tǒng) TensorFlow Estimator 下 model_fn 模型開發(fā)不一樣，傳統(tǒng)的模型不僅僅要輸出一個(gè) logit，模型里面還需要定義如何計(jì)算 loss，怎樣優(yōu)化等內(nèi)容。但是 TFR 框架將這部分內(nèi)容已經(jīng)進(jìn)行了封裝和整合，所以這里的 score_fn 就不需要這些了。這就帶來(lái)一個(gè)問題，原來(lái)的模型設(shè)計(jì)中，我們可以直接拿出網(wǎng)絡(luò)中需要正則化的參數(shù)，放在 loss 的計(jì)算中進(jìn)行優(yōu)化就可以了。但是使用 TFR 框架后，由于模型的設(shè)計(jì)和正向的計(jì)算在我們自己設(shè)計(jì)的模型函數(shù)中，而 loss 的計(jì)算在 TFR 框架內(nèi)（ranking_head 中的 loss_fn）進(jìn)行，這樣就沒辦法加入正則化項(xiàng)了。

已經(jīng)有人提出了這個(gè)issue(https://github.com/tensorflow/ranking/issues/52)，但是也沒有很好的解決方案。

當(dāng)我們使用比較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，正則化是我們優(yōu)化過程中必不可少的一環(huán)。不加入正則化項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化，將無(wú)法避免的陷入到嚴(yán)重的過擬合中，如下圖所示：

為了能夠方便的利用 TFR 框架其他功能，我們深入 TFR 框架源碼中試圖解決正則化問題。正如上面分析，TFR 框架無(wú)法實(shí)施正則化的原因在于，模型 (Scoring Function) 是我們自己設(shè)計(jì)和開發(fā)的，但是 loss 的計(jì)算是 TFR 框架幫我們封裝好的。所以解決這個(gè)問題的核心就是如何在我們自己開發(fā)的模型中取出需要正則化的參數(shù)并傳遞給 TFR 框架中計(jì)算 loss 的部分就可以了。在 TFR 框架中，我們的模型計(jì)算好的 logit，是通過 ranking_head 的 create_estimator_spec 方法，把 logit，labels 與 TFR 框架中定義的 loss 函數(shù)整合一起，來(lái)完成整個(gè)優(yōu)化過程的。而在 0.1.5 版本的 TFR 框架中，這個(gè) create_estimator_spec 方法其實(shí)已經(jīng)支持傳入 regularization_losses 了（估計(jì)未來(lái)版本一定會(huì)支持），而由于初始化 ranking_model 對(duì)象（我們的 Scoring Function）。

GroupwiseRankingModel 不支持我們拿到自己模型的正則化項(xiàng)，所以才無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

理論上，只要我們重寫 TFR 源碼中 _GroupwiseRankingModel 類的 compute_logits 方法，就能夠讓 TFR 支持正則化了。具體的代碼上如何處理可以參考這里（如何解決 TensorFlow Ranking 框架中的正則化問題）。在加入正則化項(xiàng)后，跟上圖同樣的模型訓(xùn)練時(shí)就沒有那么嚴(yán)重的過擬合現(xiàn)象了：

特征輸入不支持 Sequence Features

前邊介紹過，在 TFR 框架中，模型輸入的特征分為 context_features 和 example_features，分別對(duì)應(yīng)于一次請(qǐng)求公共的特征（上下文特征、用戶特征等）和 item 獨(dú)有的特征。以 listwise 形式組織的數(shù)據(jù)（一般是由 data.py 中的工具讀取 tfrecords 文件生成的 Dataset）需要經(jīng)過 TFR 的特征轉(zhuǎn)換函數(shù) (_transform_fn) 轉(zhuǎn)換后，再送入到我們的模型 (Scoring Function) 中。

而目前的特征轉(zhuǎn)換函數(shù) (_transform_fn) 只支持 numeric_column、categorical_column 等經(jīng)典類型特征的轉(zhuǎn)換，尚不支持 sequence_categorical_column 類型特征的轉(zhuǎn)換。要解決的 TFR 無(wú)法支持 SequenceFeatures 問題，主要是對(duì) transform_fn 特征轉(zhuǎn)換這一步進(jìn)行調(diào)整。

在 transform_fn 中，特征轉(zhuǎn)換時(shí)用到的 tfr.feature.encode_listwise_features 和 tfr.feature.encode_pointwise_features 函數(shù)都在 feature.py 中定義。

這兩個(gè)函數(shù)的作用是在 listwise 或者 pointwise 模式下利用用戶定義的 feature columns 生成輸入模型的 dense tensors。這兩個(gè)函數(shù)都是調(diào)用 encode_features 函數(shù)來(lái)具體執(zhí)行 feature columns 生成輸入模型的 dense tensors，而 encode_features 函數(shù)只支持 numeric_column、categorical_column 等經(jīng)典類型特征的轉(zhuǎn)換，尚不支持 sequence_categorical_column 類型特征的轉(zhuǎn)換。通過這里的分析，我們可以看到特征轉(zhuǎn)換的過程全部是在 feature.py 中完成的，因此，解決 TFR 框架支持 SequenceFeatures 的問題核心思路就是修改 feature.py 中的幾個(gè)涉及特征轉(zhuǎn)換的函數(shù)，使這些函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn) sequence_categorical_column 類型特征的轉(zhuǎn)換。

我們用到的 sequence_categorical_column 類型特征都在 context_features 中，所以我們的思路是，在處理特征的轉(zhuǎn)換時(shí)，我先將 sequence_categorical_column 從其中拿出來(lái)，處理完經(jīng)典特征的轉(zhuǎn)換后，單獨(dú)增加一段處理 sequence_categorical_column 轉(zhuǎn)換的代碼。待轉(zhuǎn)換完成后，再合并回 context_features 中，最終仍然保持 context_features 和 example_features 兩部分輸入到模型中。具體的代碼上如何處理可以參考這里。（讓 TensorFlow Ranking 框架支持 SequenceFeatures）

以上兩個(gè)問題的解決方案都涉及到 TFR 框架對(duì)源碼的修改。稍有不慎很容易引起穩(wěn)定性兼容性問題以及意想不到的 bug。為了盡量保障代碼的穩(wěn)定可靠，我們主要考慮了兩個(gè)主要的代碼組織原則：

第一，盡量縮小代碼改動(dòng)的范圍，所有的改動(dòng)都在盡可能少的幾個(gè)函數(shù)內(nèi)完成，不涉及 TFR 框架的其他模塊代碼。

第二，對(duì)于不涉及上述兩個(gè)問題的項(xiàng)目要做到完全的兼容。對(duì)于不使用 feature columns 的項(xiàng)目或者不使用正則化（應(yīng)該很少），保證原有邏輯和計(jì)算結(jié)果不變。

04 實(shí)驗(yàn):LTR 模型和原生模型的效果對(duì)比

究竟 TFR 框架訓(xùn)練的 LTR 排序模型對(duì)比同樣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的原生模型，能夠帶來(lái)多大的效果提升呢，我們也專門做了線上實(shí)驗(yàn)來(lái)分析。選取了一個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，取出三個(gè)流量組分別做以下模型：

BaseB：沒有排序服務(wù)，為每個(gè)召回渠道配置優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)按照優(yōu)先級(jí)給出推薦結(jié)果。

Ranking：TensorFlow 原生 Estimator 開發(fā)的排序算法。

TfrRankingB：基于TFR框架開發(fā)的 LTR 排序算法。

其中，TfrRankingB 相比較于 Ranking，模型結(jié)構(gòu)完全一致，也就是采用同一個(gè) Scoring Function，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集也完全一致。但是由于 TfrRankingB 采用 TFR 框架訓(xùn)練的 LTR 模型，模型優(yōu)化上有以下幾處不同：

以上的幾處不同是模型訓(xùn)練方式和評(píng)估指標(biāo)上的不同，這也正是采用 TFR 框架帶給我們的。而訓(xùn)練數(shù)據(jù)和模型本身，包括正則化項(xiàng)在內(nèi)，TfrRankingB 和 Ranking 是完全一樣。兩個(gè)模型訓(xùn)練后，與 BaseB 一起在線上真實(shí)流量環(huán)境下測(cè)試完整 4 天，其中 day_1 和 day_2 為平日，day_3 和 day_4 是休息日。線上實(shí)驗(yàn)考查用戶的 CTR（點(diǎn)擊率）、UCTR（用戶點(diǎn)擊率）和 LPLAY（長(zhǎng)播放占比），效果如下：

考慮到業(yè)務(wù)保密性，我們對(duì)橫縱坐標(biāo)的具體取值不做展示。但是結(jié)論顯而易見：

在 CTR 和 UCTR 指標(biāo)上，TfrRankingB 顯著優(yōu)于 Ranking，Ranking 顯著優(yōu)于 BaseB。

在 LPLAY 指標(biāo)上，TfrRankingB 優(yōu)于 Ranking，Ranking 優(yōu)于 BaseB。

總結(jié)

使用 TFR 框架后，可以非常方便的基于 TensorFlow 開發(fā) LTR 模型或者將現(xiàn)有模型改造為 LTR 模型。同時(shí)，TFR 框架的模塊設(shè)計(jì)、代碼邏輯都非常巧妙，諸如高內(nèi)聚低耦合等大家常常掛在嘴邊的規(guī)范也實(shí)實(shí)在在的落在了代碼上。在接下來(lái)的工作中，逐步將現(xiàn)有的 TensorFlow 1.X 版本升級(jí)到 2.X 版本，并觀察 TFR 框架對(duì) TensorFlow 2.X 的支持情況。

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