Embedding 在Airbnb房源排序中的应用（KDD2018 best paper）

Airbnb 的这篇论文《Real-time Personalization using Embeddings for Search Ranking at Airbnb》拿了KDD 2018 的best paper，初次看到这篇文章还是觉得很吃惊的，这么简单地一篇文章也能拿best paper。但细看之后觉得还是有不少工程上可以借鉴学习的地方。在介绍这篇文章之后先讨论一下如何用Word2vec在推荐中做Item Embeddings。

Word2vec 用于Item Embeddings

Word2vec 用于做词向量相信大家都比较熟悉了，研究生阶段我利用Word2vec的变形在双语词嵌入上做了一些尝试。工作之后才开始接触推荐系统，知道了有人利用Word2vec来做 Item Embeddings，放到item向量学习当然也可以说Node2vec或者 Graph Embeddings。开始我是有点质疑这样做的有效性，Word2vec 能用无监督的方式得到词向量，主要在于语言是有"结构性"的，是有“规律可循”的。例如“吃饭“总是在一起出现，或者说”吃面“，”吃肉“。就是因为有这样的规律，所以才能用word2vec训练语言模型下（也可以参考词向量的分布式假设）。但是在推荐中有这样的规律吗？从统计的角度上说，看了某个item1会经常去看另外某个item2。答案当然是存在，这是item-based CF的基本思路。所以Word2vec做ICF类召回还是很有效的。

推荐系统中，Word2vec以及它变种方法用于召回越来越常见了，很多人也夸张的说：万物皆可 Embedding，基本思路都是利用用户的点击历史看作一个"句子"，但是慢慢地在我心中有个疑问，为什么在做推荐的时候没有人想到使用负样本呢？因为用word2vec 学习item 向量时，利用上下文预测中心的item，并且选取一些负样本训练，模型其实认为点了item1就不会点它的负样本item1_neg了。（当然这里也必须选取一些负样本，如果没有负样本这里最终优化到每个item embedding都相等且norm=1，就能使得word2vec的交叉熵loss为0了。）既然在推荐系统的中有负样本，为啥不能利用到word2vec 中训练呢？在nlp中由于是无监督学习，所以只能随机的选取一些其它词来作为负样本。推荐系统与自然语言存在的差异是，我们能搜集到负样本，也应该加以利用。一方面随机选取负样本有概率落在正样本上，另一方面，这样的负样本不是更加置信吗，也更加具有”区分度“。我解释一下这里的“区分度”，如果用户喜欢看了一个”Dota游戏“的视频，这个时候负采样一个”娱乐“视频是完全没有问题的吧，但是这个视频上下文中还有一个”CS游戏“的视频我也没看，（这在推荐系统中常见，因为推荐系统会通过用的兴趣”游戏“召回这些视频）这样如果我选”CS游戏“的视频作为负样本是不是比”娱乐“的更好呢，因为我就是不喜欢CS而喜欢Dota，这样训练的Embeddings更加具有区分度。

上述这个问题一直是我的疑问，当然还没有时间去验证，结果看到这篇文章，完全解决了我之前的疑惑。这篇文章从这些方面说明了很多问题，并且结合了很多在Airbnb场景下的工程问题，仍然值得仔细研究。

Airbnb 中的 Embedding

Listing Embeddings

首先指明一下这里的Listing 就是推荐系统中的item。

Airbnb与其他得到embedding 的方式类似，利用用的点击历史，然后上下文预测的方式训练listing embedding。

公式如下：

利用Skip-Gram + 负采样的方式训练上述公式， $\text{v}_l$ 是listing 的表示向量， $\text{v}_c'$ 是网络参数， $D_n$ 是负采样的样本集合。

当然Airbnb不仅仅是这样做，因为有些房子不仅是用户点击过，而且是用户booked的，这里只有一个listing。也就是说在airbnb的场景中，用户看了很多房源之后最后booked了一个房源。既然是这样，airbnb希望充分利用起这样的监督信息。如Figure1，中心的listing不仅去预测它的上下文还去预测一个booked listing。这是一个global context，并且在这个序列中一直是不变的。所以它的优化目标添加了一项：

值得注意的是这里使用的参数 $v_{l_b}'$ 与上述的 $v_c'$ 不一样，这其实可以看作是两个不同的task，一个只是在学习中心listing与周围listing的关系，而另一个task想学习的是这一串序列所有的listing与最后的booked linsting有另外一种关系，很显然这是不一样的。另外 $v_{l_b}$ 这里的参数量还是挺大的，是看了l然后最后选了b的所有集合大小。

这样当然还不够，为了学习更强的差异性，也就是用户会看某个房源，但不会看相同市场的其它房源，注意之前负采样是所有里面随机，而这里是选用相同的市场的其它的房源。当然这两种关系仍然是不同的，所以添加一项负采样，并且参数都不一样，如下：

最后总结这个优化目标：

$v_l$ 是中心房源的向量， $v'$ 都表示网络参数
$D_p$ 是房源对(l,c)集合,l，c在都在一个窗口内。
$D_n$ 是房源对(l,c)的负采样集合。
$l_b$ 是用户看过这一系列房源最终预定的房源。一个序列只有一个。
$D_{m_n}$ 是与 $l$ 同一个市场的负采样集合。

$v_{m_n}'$ 是参数量大小就是每个市场下房源的集合，如果每个房源只属于一个市场，那么它就和房源字典 $V$ 大小相同。

基于embedding 的相似房源推荐

有了每个房源的embedding 表示之后，之后可以将它利用在i2i的召回上，简单上来说就是通过用户的点击历史来推荐与这些房源相似的房源，这个相似度是通过向量的距离来计算的。

值得一提的是，Airbnb有两点比较特别

1.分市场找到最相似的房源
2.不仅利用了点击历史 $H_c$ ，而且利用未点击的记录 $H_s$ ，

所以它定义了两个相似：

由于Airbnb的场景是推荐房源，所以限制推荐候选房源所属地非常重要。第二点计算跳过的房源相似分，这样相当于一种负反馈的机制，也就说对于那些用户跳过的房源，只要候选房源与他们相似，就不容易被推荐。

房源冷启动问题

冷启动一直是推荐系统很重要问题，这里给了一种冷启动的方法，对于新的listing embedding，因为没有用户行为数据，它利用3个相同类别，相似价格的listing embedding求平均得到。

user-type 和listing-type embedding

仅仅有两个房源之间的相似性还不够，Airbnb希望能直接学习user embedding和listing embedding，然后计算它们的相似性来直接影响排序模型。

首先他们将用户和listing都分别聚类，具有相似特征的user会聚到同一个user-type，而具有相似特征listing聚到相同的listing-type。这里的相似特征指的是基础属性，例如用户最近booked3个房子，用户年龄等等。最终表示成这样的一个id：SF_lg1_dt1_f p1_pp1_nb1_ppn2_ppn3_c2_nr3_l5s3_g5s3，每两个下划线中间表示一个基础特征，所有基础特征相同的user都映射到相同的id。listing的映射也是同理。这样做的目的主要是因为某些user listing的稀疏性，很多用户和listing的行为数较少，比如一个user只有3次点击历史，这样的user直接放进模型中肯定学的不好，但是又不能忽视这样的user，因为这直接决定了embedding 的覆盖量。所以Airbnb想出这种方式来提高覆盖量，listing 的做法也是类似的道理。