推荐系统实践系列 | 一、推荐系统流程设计

推荐系统主要解决的是信息过载问题，目标是从海量物品筛选出不同用户各自喜欢的物品，从而为每个用户提供个性化的推荐。推荐系统往往架设在大规模的业务系统之上，不仅面临着用户的不断增长，物品的不断变化，而且有着全面的推荐评价指标和严格的性能要求（Netflix 的请求时间在 250 ms 以内，今日头条的请求时间在 200ms 以内），所以推荐系统很难一次性地快速计算出用户所喜好的物品，再者需要同时满足准确度、多样性等评价指标。

为了解决如上这些问题，推荐系统通常被设计为三个阶段：召回、排序和调整，如下图所示：

• 在召回阶段，首先筛选出和用户直接相关或间接相关的物品，将原始数据从万、百万、亿级别缩小到万、千级别；
• 在排序阶段，通常使用二分类算法来预测用户对物品的喜好程度（或者是点击率），然后将物品按照喜好程序从大到小依次排列，筛选出用户最有可能喜欢的物品，这里又将召回数据从万、千级别缩小到千、百级别；
• 最后在调整阶段，需要过滤掉重复推荐的、已经购买或阅读的、已经下线的物品，当召回和排序结果不足时，需要使用热门物品进行补充，最后合并物品基础信息，将包含完整信息的物品推荐列表返回给客户端。

这里以文章推荐系统为例，讲述一下推荐系统的完整流程，如下图所示：

1. 同步业务数据 为了避免推荐系统的数据读写、计算等对应用产生影响，我们首先要将业务数据从应用数据库 MySQL 同步到推荐系统数据库 Hive 中，这里利用 Sqoop 先将 MySQL 中的业务数据同步到推荐系统的 HDFS 中，再关联到指定的 Hive 表中，这样就可以在推荐系统数据库 Hive 中使用用户数据和文章数据了，并且不会对应用产生任何影响。
2. 收集用户行为数据 除了用户数据和文章数据，我们还需要得到用户对文章的行为数据，比如曝光、点击、阅读、点赞、收藏、分享、评论等。我们的用户行为数据是记录在应用服务器的日志文件中的，所以可以利用 Flume 对应用服务器的日志文件进行监听，一方面将收集到的用户行为数据同步到 HDFS 中，并关联到 Hive 的用户行为表，每天更新一次，以供离线计算使用。另一方面将 Flume 收集到的用户行为数据同步到 Kafka，实时更新，以供在线计算使用。
3. 构建离线画像和特征

• 文章画像由关键词和主题词组成，我们首先读取 Hive 中的文章数据，将文章内容进行分词，根据 TF-IDF 模型计算每个词的权重，将 TF-IDF 权重最高的 K 个词作为关键词，再根据 TextRank 模型计算每个词的权重，将 TextRank 权重最高的 K 个词与 TF-IDF 权重最高的 K 个词的共现词作为主题词，将关键词和主题词存储到 Hive 的文章画像表中。接下来，利用 Word2Vec 模型，计算得到所有关键词的平均向量，作为文章的词向量，存储到 Hive 的文章向量表中，并利用 BucketedRandomProjectionLSH 模型计算得到文章的相似度，将每篇文章相似度最高的 K 篇文章，存储到 Hbase 的文章相似表中。这样我们就得到了每篇文章的画像、词向量以及相似文章列表。
• 构建离线用户画像 我们可以将用户喜欢的文章的主题词作为用户标签，以便后面根据用户标签来推荐符合其偏好的文章。首先读取用户行为数据和文章画像数据，计算在用户产生过行为的所有文章中，每个主题词的权重，不同的行为，权重不同，计算公式为：用户标签权重 =（用户行为分值之和）x 时间衰减，这样就计算得到了用户的标签及标签权重，接着读取用户数据，得到用户基础信息，将用户标签、标签权重及用户基础信息一并存储到 Hbase 的用户画像表中。到这里我们已经通过机器学习算法，基于用户和文章的业务数据得到了用户和文章的画像，但为了后面可以更方便地将数据提供给深度学习模型进行训练，我们还需要将画像数据进一步抽象为特征数据。
• 构建离线文章特征 由于已经有了画像信息，特征构造就变得简单了。读取文章画像数据，将文章权重最高的 K 个关键词的权重作为文章关键词权重向量，将频道 ID、关键词权重向量、词向量作为文章特征存储到 Hbase 的文章特征表。
• 构建离线用户特征 读取用户画像数据，将权重最高的 K 个标签的权重作为用户标签权重向量，将用户标签权重向量作为用户特征存储到 Hbase 的用户特征表。

1. 多路召回

• 基于模型的离线召回 我们可以根据用户的历史点击行为来预测相似用户，并利用相似用户的点击行为来预测对文章的偏好得分，这种召回方式称为 u2u2i。获取用户历史点击行为数据，利用 ALS 模型计算得到用户对文章的偏好得分及文章列表，读取并过滤历史召回结果，防止重复推荐，将过滤后的偏好得分最高的 K 篇文章存入 Hbase 的召回结果表中，列族为 als，表明召回类型为 ALS 模型召回，并记录到 Hbase 的历史召回结果表。
• 基于内容的离线召回 我们可以根据用户的历史点击行为，向用户推荐其以前喜欢的文章的相似文章，这种方式称为 u2i2i。读取用户历史行为数据，获取用户历史发生过点击、阅读、收藏、分享等行为的文章，接着读取文章相似表，获取与发生行为的每篇文章相似度最高的 K 篇文章，然后读取并过滤历史召回结果，防止重复推荐，最后将过滤后的文章存入 Hbase 的召回结果表中，列族为 content，表明召回类型为内容召回，并记录到 Hbase 的历史召回结果表。
• 基于内容的在线召回 和上面一样，还是根据用户的点击行为，向用户推荐其喜欢的文章的相似文章，不过这里是用户实时发生的行为，所以叫做在线召回。读取 Kafka 中的用户实时行为数据，获取用户实时发生点击、阅读、收藏、分享等行为的文章，接着读取文章相似表，获取与发生行为的每篇文章相似度最高的 K 篇文章，然后读取并过滤历史召回结果，防止重复推荐，最后将过滤后的文章存入 Hbase 的召回结果表中，列族为 online，表明召回类型为在线召回，并记录到 Hbase 的历史召回结果表。
• 基于热门文章的在线召回 读取 Kafka 中的用户实时行为数据，获取用户当前发生点击、阅读、收藏、分享等行为的文章，增加这些文章在 Redis 中的热度分数。
• 基于新文章的在线召回 读取 Kafka 中的实时用户行为数据，获取新发布的文章，将其加入到 Redis 中，并设置过期时间。

1. 排序

不同模型的做法大致相同，这里以 LR 模型为例。

• 基于 LR 模型的离线训练 读取 Hive 的用户历史行为数据，并切分为训练集和测试集，根据其中的用户 ID 和文章 ID，读取 Hbase 的用户特征数据和文章特征数据，将二者合并作为训练集的输入特征，将用户对文章是否点击作为训练集的标签，将上一次的模型参数作为 LR 模型的初始化参数，进行点击率预估训练，计算得出 AUC 等评分指标并进行推荐效果分析。
• 基于 LR 模型的在线排序 当推荐中心读取 Hbase 的推荐结果表无数据时，推荐中心将调用在线排序服务来重新获取推荐结果。排序服务首先读取 Hbase 的召回结果作为测试集，读取 Hbase 的用户特征数据和文章特征数据，将二者合并作为测试集的输入特征，使用 LR 模型进行点击率预估，计算得到点击率最高的前 K 个文章，然后读取并过滤历史推荐结果，防止重复推荐，最后将过滤后的文章列表存入 Hbase 的推荐结果表中，key 为 lr，表明排序类型为 LR 排序。

1. 推荐中心

• 流量切分（ABTest） 我们可以根据用户 ID 进行哈希分桶，将流量切分到多个桶，每个桶对应一种排序策略，从而对比不同排序策略在线上环境的效果。
• 推荐数据读取逻辑 优先读取 Redis 和 Hbase 中缓存的推荐结果，若 Redis 和 Hbase 都为空，则调用在线排序服务获得推荐结果。
• 兜底补足（超时截断） 当调用排序服务无结果，或者读取超时的时候，推荐中心会截断当前请求，直接读取 Redis 中的热门文章和新文章作为推荐结果。
• 合并信息 合并物品基础信息，将包含完整信息的物品推荐列表返回给客户端。

参考资料

https://space.bilibili.com/61036655/channel/detail?cid=91348 https://www.bilibili.com/video/av68356229