深度学习实战案例：构建基于 DSSM 双塔模型的电影推荐系统

一、推荐的技术方法

推荐系统简单来说就是， 高效地达成用户与意向对象的匹配。而技术上实现两者匹配，简单来说有两类方法：

1.1 基于分类方法

分类的方法很好理解，预测用户对该类别是否有偏好。

• 可以训练一个意向物品的多分类模型，预测用户偏好哪一类物品。
• 或者将用户+物品等全方面特征作为拼接训练二分类模型，预测为是否偏好（如下经典的CTR模型，以用户物品特征及对应的标签 0或 1 构建分类模型，预测该用户是否会点击这物品，）。

基于分类的方法，精度较高，常用于推荐的排序阶段（如粗排、精排）。

技术提升

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方式①、添加微信号：pythoner666，备注：来自 CSDN +DSSM 双塔模型
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1.2 基于相似度方法

利用计算物与物或人与人、人与物的距离，将物品推荐给喜好相似的人。

• 如关联规则推荐，可以将物与物共现度看做为某种的相似度；
• 协同过滤算法可以基于物品或者基于用户计算相似用户或物品；
• 以及本文谈到的双塔模型，是通过计算物品与用户之间的相似度距离并做推荐。

利用相似度的方法效率快、准确度差一些常用于推荐中的粗排、召回阶段。

2. DSSM双塔模型

2.1 DSSM模型的原理

DSSM(Deep Structured Semantic Models)也叫深度语义匹配模型，最早是微软发表的一篇应用于NLP领域中计算语义相似度任务的文章。
DSSM深度语义匹配模型原理很简单：获取搜索引擎中的用户搜索query和doc的海量曝光和点击日志数据，训练阶段分别用复杂的深度学习网络构建query侧特征的query embedding和doc侧特征的doc embedding，线上infer时通过计算两个语义向量的cos距离来表示语义相似度，最终获得语义相似模型。这个模型既可以获得语句的低维语义向量表达sentence embedding，还可以预测两句话的语义相似度。

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2.2 DSSM模型结构

DSSM模型总的来说可以分成三层结构，分别是输入层、表示层和匹配层。

• 输入层 将用户、物品的信息转化为数值特征输入；
• 表示层 进一步用神经网络模型学习特征表示；
• 匹配层 计算用户特征向量与物品特征向量的相似度；

结构如下图所示：

3.双塔模型部分代码

• 读取电影数据集（用户信息、电影信息、评分行为信息），数据格式处理、特征序列编码、数据拼接,并做评分的归一化处理作为模型学习的相似度目标（注：这里也可以另一个思路对评分做阈值划分，按照一个分类任务来解决）

import pandas as pd
import numpy as np
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers
import matplotlib.pyplot as plt

### 1. 读取电影数据集（用户信息、电影信息、评分行为信息）

df_user = pd.read_csv("./ml-1m/users.dat",
                      sep="::", header=None, engine="python",encoding='iso-8859-1',
                      names = "UserID::Gender::Age::Occupation::Zip-code".split("::"))

df_movie = pd.read_csv("./ml-1m/movies.dat",
                       sep="::", header=None, engine="python",encoding='iso-8859-1',
                       names = "MovieID::Title::Genres".split("::"))

df_rating = pd.read_csv("./ml-1m/ratings.dat",
                        sep="::", header=None, engine="python",encoding='iso-8859-1',
                        names = "UserID::MovieID::Rating::Timestamp".split("::"))


import collections

# # 每个电影只保留频率最高（代表性）的电影题材标签
def get_highrate_genre(x):
    sub_values = {
    
    }
    for genre in x.split("|"):
        sub_values[genre] = genre_count[genre]
    return sorted(sub_values.items(), key=lambda x:x[1], reverse=True)[0][0]

df_movie["Genres"] = df_movie["Genres"].map(get_highrate_genre)
df_movie.head()


# #### 给特征列做序列编码
def add_index_column(param_df, column_name):
    values = list(param_df[column_name].unique())
    value_index_dict = {
    
    value:idx for idx,value in enumerate(values)}
    param_df[f"{
      
      column_name}_idx"] = param_df[column_name].map(value_index_dict)


add_index_column(df_user, "UserID")
add_index_column(df_user, "Gender")
add_index_column(df_user, "Age")
add_index_column(df_user, "Occupation")
add_index_column(df_movie, "MovieID")
add_index_column(df_movie, "Genres")

# 合并成一个df
df = pd.merge(pd.merge(df_rating, df_user), df_movie)
df.drop(columns=["Timestamp", "Zip-code", "Title"], inplace=True)

num_users = df["UserID_idx"].max() + 1
num_movies = df["MovieID_idx"].max() + 1
num_genders = df["Gender_idx"].max() + 1
num_ages = df["Age_idx"].max() + 1
num_occupations = df["Occupation_idx"].max() + 1
num_genres = df["Genres_idx"].max() + 1

num_users, num_movies, num_genders, num_ages, num_occupations, num_genres

# #### 评分的归一化

df["Rating"] = df["Rating"].map(lambda x : (x-min_rating)/(max_rating-min_rating)) # 评分作为两者的相似度
# df["is_rating_high"] = (df["Rating"]>=4).astype(int)  # 可生成是否高评分作为分类模型的类别标签
df.sample(frac=1).head(3)
# 构建训练集特征及标签
df_sample = df.sample(frac=0.1)  # 训练集抽样
X = df_sample[["UserID_idx","Gender_idx","Age_idx","Occupation_idx","MovieID_idx","Genres_idx"]]
y = df_sample["Rating"]

• 构建双塔模型，训练预测用户/产品间的相似度。进一步可以提取用户、产品的特征表示方便后续直接结算相似度。

def get_model():
    """搭建双塔DNN模型"""

# 输入
user_id = keras.layers.Input(shape=(1,), name="user_id")
movie_id = keras.layers.Input(shape=(1,), name="movie_id")
genre = keras.layers.Input(shape=(1,), name="genre")

# user 塔
user_vector = tf.keras.layers.concatenate([
    layers.Embedding(num_users, 100)(user_id), 
    layers.Embedding(num_ages, 2)(age), 
    layers.Embedding(num_occupations, 2)(occupation)
])
user_vector = layers.Dense(32, activation='relu')(user_vector)
user_vector = layers.Dense(8, activation='relu', 
                           name="user_embedding", kernel_regularizer='l2')(user_vector)

# item 塔
movie_vector = tf.keras.layers.concatenate([
    layers.Embedding(num_genres, 2)(genre)
])
movie_vector = layers.Dense(32, activation='relu')(movie_vector)
movie_vector = layers.Dense(8, activation='relu', 
                            name="movie_embedding", kernel_regularizer='l2')(movie_vector)

# 每个用户的embedding和item的embedding作点积
dot_user_movie = tf.reduce_sum(user_vector*movie_vector, axis = 1)
dot_user_movie = tf.expand_dims(dot_user_movie, 1)

output = layers.Dense(1, activation='sigmoid')(dot_user_movie)

return keras.models.Model(inputs=[user_id, gender, age, occupation, movie_id, genre], outputs=[output]) 

model = get_model()
model.compile(loss=tf.keras.losses.MeanSquaredError(), 
              optimizer=keras.optimizers.RMSprop())
fit_x_train = [
    X["UserID_idx"], 
    X["Age_idx"],
    X["Occupation_idx"],
    X["MovieID_idx"],
    X["Genres_idx"]
]

history = model.fit(
    x=fit_x_train,
    y=y,
    batch_size=32,
    epochs=5,
    verbose=1
)

# ### 3. 模型的预估-predict
# 输入前5个样本并做预测

inputs = df[["UserID_idx","Gender_idx","Age_idx","Occupation_idx","MovieID_idx", "Genres_idx"]].head(5)
display(df.head(5))

# 对于（用户ID，召回的电影ID列表），计算相似度分数
model.predict([
    inputs["Age_idx"],
    inputs["Occupation_idx"],
    inputs["MovieID_idx"],
    inputs["Genres_idx"]
])

# 可以提取模型中的user或movie item 的embedding
user_layer_model = keras.models.Model(
    inputs=[model.input[0], model.input[1], model.input[2], model.input[3]],
    outputs=model.get_layer("user_embedding").output
)

user_embeddings = []
for index, row in df_user.iterrows():
    user_id = row["UserID"]
user_input = [
    np.reshape(row["UserID_idx"], [1,1]),
    np.reshape(row["Gender_idx"], [1,1]),
    np.reshape(row["Age_idx"], [1,1]),
    np.reshape(row["Occupation_idx"], [1,1])
]
user_embedding = user_layer_model(user_input)

embedding_str = ",".join([str(x) for x in user_embedding.numpy().flatten()])
user_embeddings.append([user_id, embedding_str])
df_user_embedding = pd.DataFrame(user_embeddings, columns = ["user_id", "user_embedding"])
df_user_embedding.head()

输入前5个样本并做预测，计算用户与电影之间的相似度匹配的分数, 进一步就可以推荐给用户匹配度高的电影。