CTR之Session行为序列建模用户兴趣：DSIN

在前面的文章中，DIN模型 在用户行为序列建模中引入注意力机制来强调加权与target item相关的行为，以实现动态的兴趣表征；而DIEN模型 则在DIN的基础上加入时间性信息，使用注意力机制的GRU来挖掘用户兴趣的演变。

而今天的这篇文章也是继续这个主题，再介绍一个引入将行为序列切分session来对用户兴趣建模的模型：DSIN（Deep Session Interest Network）。

论文：Deep Session Interest Network for Click-Through Rate Prediction
链接：https://arxiv.org/pdf/1905.06482.pdf

这篇论文认为许多研究都忽视了序列的内在结构：序列是由sessions组成，sessions是按照发生时间切分的用户行为。

并且观察到用户的行为在每个session里几乎都是同类(homogeneous)的，而在不同session之间又是混杂(heterogeneous)的，即用户在某一时间内的行为会集中在某一个“类别/主题”上，而在另一个时间段内则集中在另外一个“类别/主题”上。

如下图所示，是一个从真实场景下收集到的数据，下面的数字代表了当前点击商品与第一次点击商品的时间gap（单位为秒），session按照是否超过30min进行切分。

基础观察到这种规律，论文提出了DSIN（Deep Session Interest Network）来通过利用多个历史sessions来建模用户的行为序列。DSIN包含三个关键的组件：

1. 将用户的行为序列切分多个sessions，然后使用带着偏置编码(bias encoding)的自注意力网络来建模多个sessions。自注意力可以捕获session之间的内在交互/相关关系，然后提取每个session的用户兴趣，因为这些不同的sessions可能会彼此相互关联，遵循一种序列化的模式；
2. 接着，使用双向LSTM(Bi-LSTM)来捕获这些不同的历史session兴趣的交互和演变；
3. 最后，考虑不同的session兴趣对target item有着不一样的影响，设计了一个局部激活单元(local activation uint)去聚合它们，去建模行为序列的最终表征

这里的自注意力类似于transformer，将每个session类比token，可以前往这篇文章BERT模型系列大全解读回顾下transformer和自注意力。

在前面的两篇相关文章 CTR之行为序列建模用户兴趣：DIN和CTR之行为序列建模用户兴趣：DIEN中都详细地介绍了Base Model，其主要包括四部分：特征表征(Feature Representation)、Embedding、Multiple Layer Perceptron (MLP)和损失函数。

具体的内容在这里就不再赘述了，但记住几个后面涉及的符号：

• 用户行为embeddings：S=[b_1;...;b_i;...;b_N] \in \mathbb{R}^{N \times d_{model}}
• target item属性(Item Profile)表征embeddings：X^I \in \mathbb{R}^{N_i \times d_{model}}

DSIN结构

如上图所示，DSIN在底层的特征表征和Embedding的后面，MLP的前面，即中间部分加入了四个特殊的网络层：

1. session划分层，将行为序列分割成不同的sessions；
2. session兴趣提取层，提取用户的session兴趣；
3. session兴趣交互层，捕获session兴趣之间的序列关系；
4. session兴趣激活层，考虑(w.r.t) target item，对用户session兴趣应用局部激活单元。这与DIN中attention和DIEN中的GRU with attention一样的思想，来激活与target item更为相关的行为序列或兴趣序列。

session划分层

为了提取用户更为准确的session兴趣，论文将用户行为序列S划分成sessions集合Q，第k个session表示为：

Q_k=[b_1;...;b_i;...;b_T] \in \mathbb{R}^{T \times d_{model}}

• T是session保留的行为数量，b_i是session里的第i个行为。
• 用户sessions的分割是以时间间隔超过30min的相邻行为。即当两个相邻的行为时间超过30min的话，会以它们为界限，前面一个行为保留在当前session，后面一个行为会开启一个新的session。该做法出自《Framewise phoneme classification with bidirectional LSTM networks》的做法。

session兴趣提取层

在同一个session里的行为之间是强相关的。另外，在一个session里，用户那些随意的行为会让session兴趣偏离它原本的表现。

为了捕获同一个session的行为之间的内在关系，降低那些不相关的行为的影响，论文使用了多头自注意力，并且进行了一些优化工作。

为了利用序列的顺序相关信息，自注意力机制给输入embeddings加入了位置编码。

而sessions的顺序相关信息和不同表征子空间的偏置同样需要被捕获，论文在位置编码的bias加入了bias encoding BE \in \mathbb{R}^{K \times T \times d_{model}}，具体如下式：

• w^K \in \mathbb{R}^K 是session的偏置向量，k是session的索引
• w^T \in \mathbb{R}^T 是session中的位置的偏置向量，t是行为在session里的索引
• w^C \in \mathbb{R}^{d_{model}} 是行为embedding中的单位(unit)位置的偏置向量，c是unit在embedding中的索引

加入偏置编码之后，用户的行为sessions Q 则更新为：

Q=Q+BE

多头自注意力

在推荐系统中，用户的点击行为是被许多多样的因素影响的，比如颜色、风格和价格等。多头自注意力可以捕获不同表征子空间的相关性。论文中使用的多头自注意力跟标准的Transformer其实是一样的结构。

让 Q_k=[Q_{k1};...;Q_{kh};...;Q_{kH}]，其中Q_{kh} \in \mathbb{R}^{T \times d_h}是Q_k的第h个head，H是heads的数量，d_h=\frac{1}{h}d_{model}

那么，第h个head的计算如下式：

其中，W^Q,W^K,W^V 是线性矩阵。

接着，所有heads的向量进行拼接，喂给前馈网络层（feed-forward network，FFN）：

其中，W^O是线性矩阵，并且同样保留残差连接和layer normalization。

那么，用户的第k个session兴趣I_k 如下式：

I_k=Avg(I_k^Q)

需要注意的是，自注意力的参数在不同的sessions中是共享的。

session兴趣交互层

用户的session兴趣与上下文的其他sessions是有着顺序相关性的，对动态的变化进行建模可以丰富session兴趣之间的相关性信息。

而LSTM则是善于捕获这种顺序相关性，能够建模session兴趣之间的交互。

其中，\sigma(\cdot)是sigmoid函数，i，f，o，和 c 分别是输入门控，遗忘门控，输出门控和cell向量，与I_t有着相同的size。

双向则意味着存在一个前向的RNN和后向的RNN，那么，其隐状态 H 计算如下式：

H_t=\overrightarrow{h_{ft}} \oplus \overleftarrow{h_{bt}}

其中，\overrightarrow{h_{ft}}是前向LSTM的隐状态，\overleftarrow{h_{bt}}是后向LSTM的隐状态。

session兴趣激活层

与target item更相关的用户的session兴趣会对用户是否点击起着更为重要的影响。那么，用户session兴趣对于target item的权重计算问题便随之而来。

注意力机制 使用source和target的软对齐已经被证明是一种有效的权重分配方法，论文也使用该方法，考虑target item，session兴趣的自适应表征计算如下式：

同理，融合了上下文信息的session兴趣表征计算如下式：

最后，用户属性(User Profile)和item属性(Item profile)的embedding向量，与U^I,U^H进行拼接和压平(flatten)，输入到最后的MLP层。

基线对比

AUC公式

1. 论文认为在推荐系统中，用户的行为序列是由多个历史sessions构成，在不同的session中展现了不同的兴趣；
2. 然后，使用多头注意力来捕获session行为的内存相关性，并且提取每一个session兴趣
3. 另外，用户的session兴趣是序列化的，并且彼此相关联，因此用适合序列结构的双向LSTM来捕获session之间的交互和session兴趣的变化；
4. 最后再使用注意力机制来激活那些与target item更为相关的session兴趣；
5. 不过对于某些场景，比如新闻推荐类似的信息流场景，用户大部分并不是主动行为，那么点击的序列可能就不具备很强的连续性了，因此不满足一个session内的点击都是同类(homogeneous)的，这种场景下DSIN就并不一定适用了。

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