推荐遇到社交：美图的推荐算法设计优化实践

清疚 2024-04-18 16:43 64阅读 0赞

> 作者：汤斌，美图高级算法专家。曾在腾讯任高级研究员，硕士毕业于哈尔滨工业大学。主要从事推荐算法，点击率预估以及自然语言处理方面的相关研究。在工业界的大规模推荐与排序算法实践上积累了丰富的经验。

在美图公司社交战略部署下，推荐算法存在多方面的挑战，为了解决这些挑战，我们团队从**工具和算法**两个方面分别开展了工作。

在工具上，我们开发了 MML 机器学习平台，提供从数据分析到模型在线服务的全流程开发及部署支持。基于 Tensorflow，我们内部自研了 Bamboo 建模框架，提供了丰富的 SOTA 模型，常用 Layers 以及其它建模所需的组件，模型离线评估等，让算法工程师专注网络结构的设计。

在算法上，我们将推荐排序的演进划分成四个阶段，从线性模型+大规模人工组合特征，到非线性模型+少量人工特征，再到深度学习模型+用户行为序列特征，最后是从单目标优化到多目标优化。推荐排序四个阶段的演进，又可以归纳为三个方面的工作，分别是**模型优化、特征工程，以及多目标优化**。

在过去的一年，我们在美拍，累计提升人均关注 65.06%，人均时长 56.07%。美图秀秀，累计提升人均关注 14.93%，人均时长 10.33%。在这一年的实践中，我们进行了很多的尝试，在这里也和大家分享我们过去的一些尝试和踩过的一些坑，希望能让大家有所收获。

## **推荐算法的技术挑战** ##

目前，美图公司旗下拥有多款社交产品，比如美图秀秀社区、美拍短视频社区等。针对这几款社交产品，不管在内容上还是产品背景上都有着自己的特点。比如美图秀秀从工具向社区转型，如何**让用户进行内容消费并且产生持续消费**成了我们需要重点考虑的问题。而对于美拍，用户本身有很强的内容消费属性，**在留存的基础上如何吸引更多的用户**是当前主要的考虑点。

针对多个不同形态的社交产品，推荐算法存在以下三个方面的挑战：

1.  **场景多，人力少**：多款社交化产品合计十余个推荐场景，在当前的人力下，工作量是比较艰巨的；
2.  **场景、用户差异大**：不同场景下，用户的消费习惯和使用意图，以及内容的属性存在比较大的差异，比如，美图秀秀社区以图文为主，美拍以短视频为主，导致不同场景下的模型不能简单复用；
3.  **产品、目标迭代快**：用户的生活习惯不是一成不变的，我们的社交产品也时刻处在不同的发展阶段，需要根据用户的诉求，以及我们产品的发展需求及时调整推荐算法的优化目标。

为了解决上述挑战，我们分别从工具和算法两个方面入手。在工具上，去年我们开发了 MML 机器学习平台，提供从日志处理到模型在线服务的一站式解决方案。在算法上，我们在美图推荐场景上进行了良好的实践，针对目前存在的问题以及产品的需要，进行了很多有益的尝试，也获取到了一些经验。下面我将从工具和算法这两方面和大家分享下。

## **工具篇：MML 机器学习平台** ##

MML，全称 Meitu Machine Learning Platform，是一站式机器学习服务平台，为用户提供从数据预处理，特征与样本生产，模型构建、训练与评估以及模型在线服务的全流程开发及部署支持。其平台架构图见图一。

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MML 机器学习平台包括三个主要模块：

1.  Spark Feature：负责数据分析、特征工程，以及样本拼接。Spark Feature 基于 Spark SQL 进行开发，用户通过编写 SQL 以及配置样本拼接 JSON，即可实现特征以及样本生产的工作；
2.  Bamboo：基于 tensorflow 开发，负责模型训练、离线效果评估。Bamboo 实现了推荐领域大量的 State of the Art 的模型，并且提供了丰富的 Layers，以简化算法同学的建模工作。在训练方面支持多种并行训练方式，同时通过对代码的优化实现了较高的训练效率；
3.  MML Serving：负责模型的在线服务。底层通过 C++ 实现，在内存和并发上做了大量的优化，支持同时请求多个模型，以及在线热更。灵活的架构让我们能够很方便地接入各种机器学习框架训练的模型。

### **Bamboo** ###

如果说 Spark Feature 和 MML Serving 是 MML 机器学习平台的手和脚，那么 Bamboo 就是 MML 机器学习平台的大脑。Bamboo 负责机器学习模型的训练和效果评估。我们底层采用 tensorflow 开发，对外提供封装好的组件。总的来说，Bamboo 具有以下优点：

1.  便捷：内置了近几年推荐领域的 SOTA 模型，以及建模常用的 Layers，并且内置了部分公共数据集的访问接口，能够支持从本地磁盘，以及 HDFS 读取训练数据。数据、训练、模型评估、模型导出通过配置化实现，算法同学可以专注于模型的设计；
2.  高效：采用 tensorflow 底层 API 和 Estimator 来实现，并遵循 tensorflow 官方性能优化指南，最大限度提升模型训练效率，相比 Keras 以及内部未优化版本，单卡训练效率有数倍提升。同时，能够支持同步、异步等多种并行训练方案；
3.  可扩展：Bamboo 的最初的设计目标是作为 tensorflow 的补充，因此在整个设计过程充分考虑了扩展性，能够支持采用 Bamboo 提供的 API 或者使用 tensorflow 原生 API。良好的分层设计，方便使用方进行模块的复用和重构。

### **MML Serving** ###

MML Serving 决定了模型能否上线提供服务以及在线服务的效率。去年下半年，我们上线了采用 C++ 开发的新版 MML Serving，通过内存和并发的优化，让我们整体预估耗时减少了 50%，服务初始化耗时减少了 50%，内存使用量降低了 77%。通过压测发现，服务在高并发下，整体表现稳定。另外良好的架构设计，可以很方便接入各种第三方机器学习库，目前已经内置了对 tensorflow 和 xgboost 模型的支持。

### **平台收益** ###

MML 机器学习平台上线后，生产力得到了极大的释放。可以简单归纳为四个方面的收益：

1.  开发效率的显著提升：平台上线前，算法同学需要同时开发样本拼接、模型训练、在线服务等多个模块的代码，平台上线后，算法同学可以专注于模型网络结构的设计；
2.  模型迭代周期显著降低，模型调研的范畴大幅扩大：平台上线前，算法同学需要花费较多的精力在工程模块的开发上面，而且只能在几个固定的算法框架下进行一些有限的尝试。新框架不仅减少了算法同学的工程负担，同时因为框架的灵活性，使得算法的调研不再局限于几个固定的模式，模型迭代效率得到了极大的提升；
3.  机器成本：新平台效率上的提升，也同样体现在机器资源的节约上面，在美拍热门排序上，接入新平台后，机器节约了一半；
4.  经验沉淀：此前各个业务维护自己的模型代码，经验很难进行交流和复用。新平台很好地解决了这部分问题。

## **算法篇：****美图推荐排序实践** ##

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工具的价值落地到业务中，需要通过算法来实现。美图推荐排序算法大致可以分成四个阶段：第一个阶段是以 LR 为主的线性模型，组合大规模人工特征。第二个阶段发展成了以深度学习为主的非线性模型，以及少量的人工特征。再然后，为了减少人工特征工程的工作，我们开始调研以用户行为序列为主的原始特征，此时线上的主力模型是深度学习模型以及用户行为序列特征。最后一个阶段我们从单目标模型演进到了现在的多目标模型。排序模型四个阶段的演进可以归纳为**模型、特征、优化目标**三个方面的工作，下面我将和大家一一进行介绍。

## **美图推荐排序实践——模型演进** ##

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2018 年，我们上线了第一个基于何向南在 SIGIR 2017 发表的《Neural Factorization Machines for Sparse Predictive Analytics》改进的模型——NFM-v4。相比原论文，我们的主要改进点是通过一个线性变换，将变长稀疏的原始高维特征压缩到一个定长稠密的低维实数空间，从而屏蔽了模型在输入特征处理上的差异，可以将精力更多放在特征的挖掘上。

但是，将几十万维的高维空间直接压缩到几百维，存在一定的信息损失，因此，在 NFM-v4 的基础上，我们通过将部分高维 id 特征单独建模，比较好的解决了这个问题，在业务指标上，也有不错的效果提升，美拍的人均播放时长增加了 4.75%，人均有效行为数增加了 3.45%。

不过，NFM 存在的一个问题是，bi-interaction pooling 认为特征二阶交叉的权重是相等的，这种假设在多数场景下并不符合数据的真实分布。因此，在 NFM 的基础上，我们提出了 Neural Field weighted Factorization Machines（NFwFM）模型，通过引入一个权重向量，来建模二阶交叉特征的权重。通过二阶向量不等权相加，业务指标整体提升较为明显。其中美拍人均播放时长增加 3.78%，播放用户数增加 1.74%，美图秀秀点击率提升了 5.689%，人均使用时长增加 2.53%，新用户点击率增加 2.701%。

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## **美图推荐排序实践——特征工程** ##

从 LR 升级到 NFwFM，我们虽然减少了大量的特征组合上的工作，但是，如何从数据中挖掘对当前业务有效的特征？如何进行特征选择？依旧占据了我们的主要精力。去年，工业界和学术界，都发表了大量关于 User Behaviors Sequence 建模的新工作，随后，我们也开始跟进这一方面的工作，并在我们的业务中进行了尝试，通过端到端的建模，减少我们在特征工程上的工作。

目前，我们主要尝试了三种**用户行为序列建模**的方法，包括 Sum/Mean Pooling 、 RNN 、 Attention 等。在我们的业务场景下，RNN 的离线效果并不理想，原因推测是用户点击 feed 的先后顺序并不存在某种固定的模式，而主要取决于用户对所推荐 feed 的偏好，此外，RNN 的训练耗时也增加比较明显。

Sum/Mean Pooling 的方式虽然简单，但是在长行为序列建模上，效果相比其它两种方式表现得更加优异，因此是我们目前线上建模用户长序列特征的主要手段。

我们也对比了基于 Attention 的方法，离线效果相比 Sum/Mean Pooling 有略微提升，但是考虑到计算复杂度，Attention 只适合于序列长度较短的场景。

在美拍，美图秀秀社区，以及 push 业务都尝试了用户行为序列特征建模，各项业务指标均有较大幅度的提升，美拍人均时长提升了 12%，秀秀的点击率提升了 5%，push 的到达点击率提升了 10%。

随着模型和特征的复杂度显著增加，在线 inference 的耗时已经无法满足业务的要求。为了解决模型推理效率的问题，一方面我们通过 C++ 重写了模型在线推理服务——MML Serving，并在内存和并发上做了大量优化，使得 QPS 和稳定性有了大幅度提升。另一方面，我们实现了多塔网络的模型框架，通过离线预计算 user 和 feed 子网络的输出，并存到 DB 中，在线通过检索 DB 的方式，避免了实时计算 user 和 feed 子网络的庞大计算量。收益也是很明显，其中排序预估耗时从 100+ms 下降到了 7ms，秀秀社区 push 服务预估耗时从单尾号 5 小时降低到了 3 分钟，到达点击率平均提升 23.9%。

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## **美图推荐排序实践——多目标优化** ##

随着产品优化的深入，单一的模型优化目标已经无法准确刻画产品的迭代方向，为了满足多样化的产品需求，我们开始探索多目标优化。整个多目标优化的路线，大概经历了四个阶段：样本 reweight，多目标模型，多模型，多个多目标模型。下面我将对这四个阶段的工作分别进行介绍。

### **多目标优化之样本 reweight** ###

样本 reweight 是一种简单轻量的可用于解决多目标问题的做法，它借鉴了 imbalanced data 的典型做法，在保持模型优化的主目标不变的情况下，通过提高次要目标的正样本占比，来模拟多目标的联合概率分布。

我们在美拍和美图秀秀社区上，对增加关注目标进行了尝试。美拍在播放时长略微上涨的情况下，实现了人均关注 10.06% 的提升。美图秀秀社区关注转化率提升了 12.03%，不过点击率也有略微的下降。

### **多目标优化之多目标模型** ###

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样本 reweight 的方式改变了样本的原始分布，导致主目标存在比较大的预估偏差。同时，因为次要目标是通过主目标的网络结构来实现，无法对各个目标的模型分别进行调优，模型结构优化存在比较大的局限性。因此，我们开始尝试多目标模型建模。

多目标模型通过共享底层的网络输入，实现信息共享，再根据每个目标的数据特点，分别构建各个目标的输出网络，得到每个目标的输出。

在美图的多个社交场景中，我们进行了尝试，并取得了比较大的在线提升。其中，在美拍双列 feed 流场景下，人均关注提升 11.43%，人均播放时长提升 12.45%。美图秀秀首页 feed 流，点击率提升 1.93%，关注率提升 2.9%。美图秀秀下滑 feed 流，关注率提升 9.3%，人均时长提升 10.33%。

### **多目标优化之多模型** ###

虽然多目标模型在业务上取得了比较大的提升，但是仍然存在一些问题。典型的问题包括：

1.  当不同任务的目标相关性较弱，或者损失函数的输出值范围差异较大时，多目标模型的调优存在比较大的困难；
2.  使用多目标模型，会导致不同目标的优化存在比较大的耦合，延迟整体优化进度，在产品要求快速迭代的场景下，这种技术手段不一定能够很好的满足业务需求。

为了解决多目标模型存在的一些问题，我们通过拆分多目标模型的各个目标，得到多个单目标模型，并对每个单目标模型分别进行优化。在美拍双列 feed 流场景下，我们进行了相应的尝试，在人均时长不变的情况下，人均关注提升了 2.98%。通过进一步调整模型的优化目标，人均时长再次提升了 19.37%，人均关注提升了 14.1%。

### **多目标优化之多个多目标模型** ###

当推荐场景的优化目标增加，多模型的方案会存在维护成本高，线上资源开销大，各个任务的模型无法利用其它任务的数据等问题。

综合多模型和多目标模型的优点，采用多个多目标模型是解决多目标任务的有效手段。在美拍场景下，通过同时优化关注、时长、播放等目标，人均关注提升 12.18%，活跃留存提升 25.67%。

## **未来规划** ##

未来，我们将继续完善 MML 机器学习平台的建设，并计划对 Bamboo 项目进行开源。在算法上，我们开始了强化学习在推荐领域的调研，同时，对多目标建模、行为序列特征建模、以及 Embedding 技术等也将持续进行跟进和优化。期待后续能和大家有更多地探讨和交流。

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