深度学习推荐系统(五)Deep&Crossing模型及其在Criteo数据集上的应用

在2016年， 随着微软的Deep Crossing， 谷歌的Wide&Deep以及FNN、PNN等一大批优秀的深度学习模型被提出， 推荐系统全面进入了深度学习时代， 时至今日， 依然是主流。 推荐模型主要有下面两个进展：

• 与传统的机器学习模型相比， 深度学习模型的表达能力更强， 能够挖掘更多数据中隐藏的模式

• 深度学习模型结构非常灵活， 能够根据业务场景和数据特点， 灵活调整模型结构， 使模型与应用场景完美契合

深度学习推荐模型，以多层感知机(MLP)为核心， 通过改变神经网络结构进行演化。

1 Deep&Crossing模型原理

1.1 Deep&Crossing模型提出的背景

• Wide&Deep 模型的提出不仅综合了记忆能力和泛化能力，而且开启了不同网络结构融合的新思路。

• 在 Wide&Deep 模型之后，有越来越多的工作集中于分别改进Wide&Deep模型的 Wide部分或是 Deep 部分。

• 典型的工作是2017年由斯坦福大学和谷歌的研究人员提出的 Deep&Cross模型(简称DCN)。

• Deep&Cross 模型的主要思路是使用 Cross 网络替代原来的 Wide 部分。由于 Deep 部分的设计思路并没有本质的改变，最主要的创新点是Cross 部分的设计思路。

1.2 Deep&Crossing的模型结构

DCN模型的结构非常简洁，从下往上依次为：Embedding和Stacking层、Cross网络层与Deep网络层并列、输出合并层，得到最终的预测结果。

1.2.1 Embedding and stacking layer

Embedding层作用依然是把稀疏离散的类别型特征变成低维密集型。

然后需要将所有的密集型特征(数值型特征)与通过embedding转换后的特征进行联合（Stacking）。

1.2.2 Cross NetWork模型

举例说明

可以看到

• x1中包含了所有的x0的1,2阶特征的交互。第l层特征对应的最高的叉乘阶数为l+1

• Cross网络的参数是共享的， 每一层的这个权重特征之间共享， 这个可以使得模型泛化到看不见的特征交互作用， 并且对噪声更具有鲁棒性。

• Deep Network及组合层比较简单，不再赘述。

1.3 Deep&Crossing模型代码复现

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torchclass CrossNetwork(nn.Module):"""Cross Network"""def __init__(self, layer_num, input_dim):super(CrossNetwork, self).__init__()self.layer_num = layer_num# 定义网络层的参数self.cross_weights = nn.ParameterList([nn.Parameter(torch.rand(input_dim, 1))for i in range(self.layer_num)])self.cross_bias = nn.ParameterList([nn.Parameter(torch.rand(input_dim, 1))for i in range(self.layer_num)])def forward(self, x):# x是(batchsize, dim)的形状， 先扩展一个维度到(batchsize, dim, 1)x_0 = torch.unsqueeze(x, dim=2)x = x_0.clone()xT = x_0.clone().permute((0, 2, 1))     # （batchsize, 1, dim)for i in range(self.layer_num):x = torch.matmul(torch.bmm(x_0, xT), self.cross_weights[i]) + self.cross_bias[i] + x   # (batchsize, dim, 1)xT = x.clone().permute((0, 2, 1))   # (batchsize, 1, dim)x = x.squeeze(2)  # (batchsize, dim)return xclass Dnn(nn.Module):"""Dnn part"""def __init__(self, hidden_units, dropout=0.):"""hidden_units: 列表， 每个元素表示每一层的神经单元个数， 比如[256, 128, 64], 两层网络， 第一层神经单元128， 第二层64， 第一个维度是输入维度dropout: 失活率"""super(Dnn, self).__init__()self.dnn_network = nn.ModuleList([nn.Linear(layer[0], layer[1]) for layer in list(zip(hidden_units[:-1], hidden_units[1:]))])self.dropout = nn.Dropout(p=dropout)def forward(self, x):for linear in self.dnn_network:x = linear(x)x = F.relu(x)x = self.dropout(x)return xclass DCN(nn.Module):def __init__(self, feature_info, hidden_units, layer_num, embed_dim=8,dnn_dropout=0.):"""feature_info: 特征信息（数值特征， 类别特征， 类别特征embedding映射)hidden_units: 列表， 隐藏单元的个数(多层残差那里的)layer_num： cross network的层数embed_dim: embedding维度dnn_dropout: Dropout层的失活比例"""super(DCN, self).__init__()self.dense_features, self.sparse_features, self.sparse_features_map = feature_info# embedding层， 这里需要一个列表的形式， 因为每个类别特征都需要embeddingself.embed_layers = nn.ModuleDict({'embed_' + str(key): nn.Embedding(num_embeddings=val, embedding_dim=embed_dim)for key, val in self.sparse_features_map.items()})# 统计embedding_dim的总维度# 一个离散型(类别型)变量 通过embedding层变为10纬embed_dim_sum = sum([embed_dim] * len(self.sparse_features))# 总维度 = 数值型特征的纬度 + 离散型变量经过embedding后的纬度dim_sum = len(self.dense_features) + embed_dim_sumhidden_units.insert(0, dim_sum)# 1、cross Network# layer_num是交叉网络的层数， hidden_units[0]表示输入的整体维度大小self.cross_network = CrossNetwork(layer_num, hidden_units[0])# 2、Deep Networkself.dnn_network = Dnn(hidden_units,dnn_dropout)# 最后一层线性层，输入纬度是（cross Network输出纬度 + Deep Network输出纬度）self.final_linear = nn.Linear(hidden_units[-1] + hidden_units[0], 1)def forward(self, x):# 1、先把输入向量x分成两部分处理、因为数值型和类别型的处理方式不一样dense_input, sparse_inputs = x[:, :len(self.dense_features)], x[:, len(self.dense_features):]# 2、转换为long形sparse_inputs = sparse_inputs.long()# 2、不同的类别特征分别embeddingsparse_embeds = [self.embed_layers['embed_' + key](sparse_inputs[:, i]) for key, i inzip(self.sparse_features_map.keys(), range(sparse_inputs.shape[1]))]# 3、把类别型特征进行拼接,即emdedding后，由3行转换为1行sparse_embeds = torch.cat(sparse_embeds, axis=-1)# 4、数值型和类别型特征进行拼接x = torch.cat([sparse_embeds, dense_input], axis=-1)# cross Networkcross_out = self.cross_network(x)# Deep Networkdeep_out = self.dnn_network(x)#  Concatenatetotal_x = torch.cat([cross_out, deep_out], axis=-1)# outoutputs = F.sigmoid(self.final_linear(total_x))return outputsif __name__ == '__main__':x = torch.rand(size=(1, 5), dtype=torch.float32)feature_info = [['I1', 'I2'],  # 连续性特征['C1', 'C2', 'C3'],  # 离散型特征{'C1': 20,'C2': 20,'C3': 20}]# 建立模型hidden_units = [128, 64, 32]net = DCN(feature_info, hidden_units,layer_num=2)print(net)print(net(x))

DCN((embed_layers): ModuleDict((embed_C1): Embedding(20, 8)(embed_C2): Embedding(20, 8)(embed_C3): Embedding(20, 8))(cross_network): CrossNetwork((cross_weights): ParameterList((0): Parameter containing: [torch.FloatTensor of size 26x1](1): Parameter containing: [torch.FloatTensor of size 26x1])(cross_bias): ParameterList((0): Parameter containing: [torch.FloatTensor of size 26x1](1): Parameter containing: [torch.FloatTensor of size 26x1]))(dnn_network): Dnn((dnn_network): ModuleList((0): Linear(in_features=26, out_features=128, bias=True)(1): Linear(in_features=128, out_features=64, bias=True)(2): Linear(in_features=64, out_features=32, bias=True))(dropout): Dropout(p=0.0, inplace=False))(final_linear): Linear(in_features=58, out_features=1, bias=True)
)
tensor([[0.9349]], grad_fn=<SigmoidBackward0>)

2 Deep&Crossing模型在Criteo数据集的应用

数据的预处理可以参考

深度学习推荐系统(二)Deep Crossing及其在Criteo数据集上的应用_undo_try的博客-CSDN博客

2.1 准备训练数据

import pandas as pdimport torch
from torch.utils.data import TensorDataset, Dataset, DataLoaderimport torch.nn as nn
from sklearn.metrics import auc, roc_auc_score, roc_curveimport warnings
warnings.filterwarnings('ignore')

# 封装为函数
def prepared_data(file_path):# 读入训练集，验证集和测试集train_set = pd.read_csv(file_path + 'train_set.csv')val_set = pd.read_csv(file_path + 'val_set.csv')test_set = pd.read_csv(file_path + 'test.csv')# 这里需要把特征分成数值型和离散型# 因为后面的模型里面离散型的特征需要embedding， 而数值型的特征直接进入了stacking层， 处理方式会不一样data_df = pd.concat((train_set, val_set, test_set))# 数值型特征直接放入stacking层dense_features = ['I' + str(i) for i in range(1, 14)]# 离散型特征需要需要进行embedding处理sparse_features = ['C' + str(i) for i in range(1, 27)]# 定义一个稀疏特征的embedding映射， 字典{key: value},# key表示每个稀疏特征， value表示数据集data_df对应列的不同取值个数， 作为embedding输入维度sparse_feas_map = {}for key in sparse_features:sparse_feas_map[key] = data_df[key].nunique()feature_info = [dense_features, sparse_features, sparse_feas_map]  # 这里把特征信息进行封装， 建立模型的时候作为参数传入# 把数据构建成数据管道dl_train_dataset = TensorDataset(# 特征信息torch.tensor(train_set.drop(columns='Label').values).float(),# 标签信息torch.tensor(train_set['Label'].values).float())dl_val_dataset = TensorDataset(# 特征信息torch.tensor(val_set.drop(columns='Label').values).float(),# 标签信息torch.tensor(val_set['Label'].values).float())dl_train = DataLoader(dl_train_dataset, shuffle=True, batch_size=16)dl_vaild = DataLoader(dl_val_dataset, shuffle=True, batch_size=16)return feature_info,dl_train,dl_vaild,test_set

file_path = './preprocessed_data/'feature_info,dl_train,dl_vaild,test_set = prepared_data(file_path)

2.2 建立Deep&Crossing模型

from _01_DeepAndCrossing import DCN# 建立模型
hidden_units = [128, 64, 32]net = DCN(feature_info, hidden_units,layer_num=len(hidden_units))

# 测试一下模型
for feature, label in iter(dl_train):out = net(feature)print(feature.shape)print(out.shape)print(out)break

2.3 模型的训练

from AnimatorClass import Animator
from TimerClass import Timer# 模型的相关设置
def metric_func(y_pred, y_true):pred = y_pred.datay = y_true.datareturn roc_auc_score(y, pred)def try_gpu(i=0):if torch.cuda.device_count() >= i + 1:return torch.device(f'cuda:{i}')return torch.device('cpu')def train_ch(net, dl_train, dl_vaild, num_epochs, lr, device):"""⽤GPU训练模型"""print('training on', device)net.to(device)# 二值交叉熵损失loss_func = nn.BCELoss()optimizer = torch.optim.Adam(params=net.parameters(), lr=lr)animator = Animator(xlabel='epoch', xlim=[1, num_epochs],legend=['train loss', 'train auc', 'val loss', 'val auc'],figsize=(8.0, 6.0))timer, num_batches = Timer(), len(dl_train)log_step_freq = 10for epoch in range(1, num_epochs + 1):# 训练阶段net.train()loss_sum = 0.0metric_sum = 0.0for step, (features, labels) in enumerate(dl_train, 1):timer.start()# 梯度清零optimizer.zero_grad()# 正向传播predictions = net(features)loss = loss_func(predictions, labels.unsqueeze(1) )try:          # 这里就是如果当前批次里面的y只有一个类别， 跳过去metric = metric_func(predictions, labels)except ValueError:pass# 反向传播求梯度loss.backward()optimizer.step()timer.stop()# 打印batch级别日志loss_sum += loss.item()metric_sum += metric.item()if step % log_step_freq == 0:animator.add(epoch + step / num_batches,(loss_sum/step, metric_sum/step, None, None))# 验证阶段net.eval()val_loss_sum = 0.0val_metric_sum = 0.0for val_step, (features, labels) in enumerate(dl_vaild, 1):with torch.no_grad():predictions = net(features)val_loss = loss_func(predictions, labels.unsqueeze(1))try:val_metric = metric_func(predictions, labels)except ValueError:passval_loss_sum += val_loss.item()val_metric_sum += val_metric.item()if val_step % log_step_freq == 0:animator.add(epoch + val_step / num_batches, (None,None,val_loss_sum / val_step , val_metric_sum / val_step))print(f'final: loss {loss_sum/len(dl_train):.3f}, auc {metric_sum/len(dl_train):.3f},'f' val loss {val_loss_sum/len(dl_vaild):.3f}, val auc {val_metric_sum/len(dl_vaild):.3f}')print(f'{num_batches * num_epochs / timer.sum():.1f} examples/sec on {str(device)}')

lr, num_epochs = 0.001, 10
train_ch(net, dl_train, dl_vaild, num_epochs, lr, try_gpu())

2.4 模型的预测

y_pred_probs = net(torch.tensor(test_set.values).float())
y_pred = torch.where(y_pred_probs>0.5,torch.ones_like(y_pred_probs),torch.zeros_like(y_pred_probs)
)
y_pred.data[:10]