深度学习系列：阿里DIN模型的原理和代码实现

2023-11-11

一、前言

今天介绍阿里巴巴的DIN网络，不得不说，阿里妈妈的大佬是真的多，经常都会更新非常多的创造性的东西，比如DIN中使用的自适应正则化技术以及Dice激活函数以及注意力机制的使用，并且值得注意的是DIN网络中使用的注意力机制还挺多的，哈哈哈，下面就来介绍一下阿里妈妈推荐部门大佬们的主要工作吧；

论文地址：https://arxiv.org/abs/1706.06978

代码地址：https://github.com/zhougr1993/DeepInterestNetwork

二、算法原理

（1）深度兴趣网络主要考虑到用户兴趣的变化性，用户当前的兴趣可能只和历史信息中的一部分有关，并且考虑了用户兴趣的广泛性，比如一位用户浏览了运动类食品类书籍类的物品，那么这几类之间的关系就不是很大了，为了解决这类似的问题就提出了DIN网络；

（2）下图介绍了阿里推荐的流程：采集用户历史行为信息；通过matching获得候选广告；排序ranking得到每个广告的概率进行排序；记录用户在当前广告下点击与否作为标签；

模型的整体框架如下：先看一个basemodel吧，basemodel就是将用户特征，进行sum pooling输入给全连接层，和sigmoid函数得到一个输出的结果；

阿里巴巴的模型则是，利用注意力机制对用户的兴趣进行进行一个加权最后再使用一个sum pooling；

其中，va代表的是候选广告的嵌入向量，ej是用户历史中的兴趣；通过注意力机制来表示用户对于不同历史信息中的关注的重点部分；

（3）采用的特征：包括用户信息，用户行为信息，商品信息等等；其中包含了很多多值离散特征，多值离散特征就下一篇文章介绍一下怎处理吧；

（4）Dice函数（Data Adaptive Activation Function）是根据Pleakyrelu激活函数演化而来的，它的分割点不是严格的零点，而是根据数据来进行变化的，两者图像如下图所示；

Dice函数的公式如下所示，其中sigmoid函数中e的指数其实就是批量归一化算法；

（5）自适应正则：在实际的用户数据中，会出现部分用户feature id出现频率很高从而导致噪声的增加，这对训练的结果也是有很大影响的，所以自适应正则的目的就是解决这个问题，方法就是根据用户feature id的出现频次来决定正则化的强度；

根据论文中的公式：公式（4）代表L2正则化，其中D代表embedding的维度，K代表整个特征空间数量， $I$ 代表是否x中有特征id j， $n_{j}$ 代表特征id j出现的频次；如果 $n_{j}$ 越小那么正则权重就越大，相应的就达到了将正则强度加大的目的，如果 $n_{j}$ 越小那么结果则反之，随后的表示则如图中所示；

（6）测试指标：如下是推荐系统中常用的评价指标，

改进后的评价指标公式如下图所示，

经过测试可以得知，第二种评价指标更符合要求一点；

三、算法效果

论文比较了在不同数据集上模型的表现，模型的测试结果如下图所示；

四、代码实现

代码实现部分，只实现了dice函数和注意力机制的部分；

（1）Dice函数实现部分，代码严格按照论文中公式实现；

import tensorflow as tf
from tensorflow.python.keras import backend as K
from tensorflow.python.keras.initializers import Zeros
from tensorflow.python.keras.layers import Layer, BatchNormalization
class Dice(Layer):
    def __init__(self, axis=-1, epsilon=1e-9, **kwargs):
        self.axis = axis
        self.epsilon = epsilon
        super(Dice, self).__init__(**kwargs)
        
    def build(self, inputs_shape, **kwargs):
        self.bn = BatchNormalization(self.axis, self.epsilon)
        self.alphas = self.add_weight(name='dice_bias', shape=(inputs_shape[-1], ), initializer=Zeros(), dtype=tf.float32)
        super(Dice, self).build(inputs_shape)
        
    def call(self, inputs, **kwargs):
        bn_inputs = self.bn(inputs)
        p = tf.sigmoid(bn_inputs)
        return self.alphas * (1 - p) * inputs + p * inputs

（2）如下是din中attention部分

import tensorflow as tf
from tensorflow.python.keras import backend as K

class din_att(Layer):
    def __init__(self, **kwargs):
        super(din_att, self).__init__(**kwargs)
    
    def call(self, inputs, **kwargs):
        query, keys, keys_len= inputs#(batch, 1, embed_size), (batch, T, embed_size), (batch)中的值其实是T；
        keys_len = keys.get_shape()[1]
        
        querys = K.repeat_elements(query, keys_len, axis=1)
        #din中原始代码的实现方法；
        atten_input = tf.concat([querys, keys, querys - keys, querys * keys], axis=-1)#(batch, T, 4 * embed_size)
        #经过三层全连接层；
        dnn1 = tf.layers.dense(atten_input, 80, activation=tf.nn.sigmoid, name='dnn1')
        dnn2 = tf.layers.dense(dnn1, 40, activation=tf.nn.sigmoid, name='dnn2')
        dnn3 = tf.layers.dense(dnn2, 1, activation=None, name='dnn3')#(batch, T, 1)
        
        outputs = tf.transpose(dnn3, (0, 2, 1))#(batch, 1, T)
        
        #mask
        keys_mask = tf.sequence_mask(keys_len, tf.shape(keys)[1])#(batch, T), bool;
        keys_mask = tf.expand_dims(keys_mask, axis=1)#(batch, 1, T)
        padding = tf.ones_like(outputs) * (-2 ** 32 + 1)#(batch, 1, T)
        outputs = tf.where(keys_mask, outputs, padding)#the position of padding is set as a small num;
        
        #scale
        outputs = outputs / (tf.shape(keys)[-1] ** 0.5)
        outputs = tf.nn.softmax(outputs)#(batch, 1, T)
        
        #weighted sum_pooling
        outputs = tf.matmul(outputs, keys) #(batch, 1, embedding)
        return outputs

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