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深度学习建模要多少数据(万字长文彻底搞懂CTR建模)

深度学习建模要多少数据(万字长文彻底搞懂CTR建模)粗排的作用与召回类似,主要是进一步减少广告条数。如果广告库中广告数量特别大,比如达到百万量级,因为召回模型必须重点考虑时延问题,只能牺牲精度,如果仅通过召回模块让候选集从百万降低到几百,则不可避免的会导致精度下降过大。这种情况下会在召回和精排中间加入粗排过程,粗排模型的复杂度和精度通常介于召回模型和精排模型之间,目的是在效率和精度上进行权衡取舍。所以广告系统通常会先采用一些耗时低的方案,用精度换时间。从全量广告库中召回几百条广告进入后续模块的竞价过程,这样精排过程只需要针对几百个广告计算 pCTR、pCVR 即可,就可以实现 100ms 内完整全部广告竞价过程。上图为行业内供需之间多种接口与产品的形式(来源于刘鹏的《计算广告》一书),而一个成熟的广告平台通常需要具备上图中的一整套功能。比如需要提供广告主建立广告的投放界面、需要具备 SSP 的与媒体 APP 对接的功能、需要提供可以给媒体

深度学习建模要多少数据(万字长文彻底搞懂CTR建模)(1)

作者:coreyzhong,腾讯 IEG 应用研究员

本文分为三个部分:
Part1 是前菜,帮助没接触过相关内容的同学快速了解我们要做什么、为什么做;
Part2 适合刚刚接触 pCTR 建模想要完成项目的算法同学;
Part3 适合正在做 CTR 建模项目且想要进一步优化效果的算法同学。

Part1计算广告

广告是互联网流量变现的重要手段,也是互联网产品进行推广的重要方式。互联网广告行业经历了合约广告时期、精准定向广告时期、竞价广告时期等多阶段的发展,现在行业内已经普遍采用了自动化竞价的广告投放模式。

在计算广告的投放和交易中,除了用户是被动参与其中,还有媒体和广告主两方进行交易,其中媒体希望通过广告的形式将自己的流量变现,广告主希望通过广告来付费推广自己的产品。同时整个链路中还有针对媒体方设计的供给方产品(SSP)和针对广告主设计的需求方平台(DSP)。

深度学习建模要多少数据(万字长文彻底搞懂CTR建模)(2)

上图为行业内供需之间多种接口与产品的形式(来源于刘鹏的《计算广告》一书),而一个成熟的广告平台通常需要具备上图中的一整套功能。比如需要提供广告主建立广告的投放界面、需要具备 SSP 的与媒体 APP 对接的功能、需要提供可以给媒体 APP 集成的广告 SDK 以及需要提供 DSP 的广告竞价功能等等。其中 DSP 中的广告竞价系统是计算广告中最核心的模块之一,而 CTR 模型也将在这里发挥它的重要作用。

广告竞价系统

计算广告的核心是广告的竞价系统,也就是需要对每一次广告请求,都要在 100ms 内从广告库中选取一个最合适的广告,计算好本次曝光的价格,并返回给媒体。这个过程主要需要经历召回、粗排、精排、出价几个步骤:

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  • 召回

每个优化师都可以随时建立新的广告,通常来讲广告库中的广告数量可以达到几万、几十万、甚至几百万的量级。由于精确计算该次请求中每个广告的 pCTR、pCVR 比较耗时,如果针对广告库中所有广告都计算其 pCTR、pCVR,一方面十分浪费计算资源,而且几乎不可能在 100ms 内将结果返回给媒体。

所以广告系统通常会先采用一些耗时低的方案,用精度换时间。从全量广告库中召回几百条广告进入后续模块的竞价过程,这样精排过程只需要针对几百个广告计算 pCTR、pCVR 即可,就可以实现 100ms 内完整全部广告竞价过程。

  • 粗排

粗排的作用与召回类似,主要是进一步减少广告条数。如果广告库中广告数量特别大,比如达到百万量级,因为召回模型必须重点考虑时延问题,只能牺牲精度,如果仅通过召回模块让候选集从百万降低到几百,则不可避免的会导致精度下降过大。这种情况下会在召回和精排中间加入粗排过程,粗排模型的复杂度和精度通常介于召回模型和精排模型之间,目的是在效率和精度上进行权衡取舍。

  • 精排

到了精排这一步,一般就只剩下几百个广告,我们只需要针对每个广告,调用 pCTR 模型和 pCVR 模型,精确计算 pCTR、pCVR 的值,计算 ECPM 并排序(这一部分下一节介绍)。

  • 出价

通常来讲有了精排给出的 ECPM 值就可以进行曝光和结算了,但是由于精排过程中深度模型无法进行更高层面的全局考虑。通常广告平台为了成本达成、预算平滑等目的的考虑,会在精排之后对 ECPM 进行调整。这一环节中通常策略更多一些。

ECPM 与精排

在竞价系统中,每次请求究竟哪个广告胜出,通常是根据 ECPM 公式来计算。ECPM(Effective Cost Per Mille)是用来衡量一次曝光价值的指标,具体含义为假设该次曝光重复 1000 次的价格(单位为元)。比较基础的计算公式如下:

其中 price 是广告主设定的价格,比如在 oCPA 投放时,用户指定预期每个转化 40 元,那这里的 price 就等于 40;至于 pCTR 和 pCVR 就是此次曝光的点击率和转化率,分别由 pCTR 模型和 pCVR 模型进行估计。

不同的业务会根据自己的业务需求对 ECPM 公式进行修改,比如如果要进行 ROI 的优化,可能会考虑用户 LTV 的影响:

以及例如我们之前与 AMS 的合作项目中,广告主来估计用户的价值分级,回传给广告平台后,广告平台会直接在 ECPM 上乘一个系数;有时广告主需要平滑预算,会将 ECPM 进行进一步修正平滑作为最终出价。但是不论对 ECPM 进行哪些修改,都不影响其含义本质,都是衡量曝光的价值,以及作为双方进行经济结算的重要依据

在精排中,就是要将召回回来的<=300 条广告,分别计算 pCTR 和 pCVR(在这里我们本文的主角即将登场),并根据约定好的 ECPM 公式计算 ECPM,最终进行排序,价高者胜,二价计费

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Part2

前文介绍到整个广告系统的核心任务,就是对每一个曝光机会,从广告库里选择一个最合适的“广告”进行展示(并将广告的一些信息返回给媒体,一般是包括素材 URL、文案、ECPM 等内容)。而什么是所谓“合适”的广告,是根据 ECPM 来衡量的,各方面因素的影响(广告主的意愿、用户的特点等等)都会在 ECPM 公式中得以体现。而本文的主角——pCTR 模型的任务,就是尽可能精准的预估 ECPM 公式中的 pCTR 值。

模型训练 Pipeline

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上图是一个离线模型训练流程的示意图。橙色部分为线上服务部分,蓝色部分为模型离线更新部分

线上预测服务部分
  1. 用户刷手机时,广告 SDK 将广告请求发送到 SSP 系统
  2. SSP 系统根据资源位、反作弊等策略进行请求过滤。并将通过过滤的广告请求发送给 DSP
  3. DSP 接收到广告请求后,先从 redis 中获取特征,并一并发送给 tf.Serving 服务,获取模型预估结果
  4. DSP 根据模型预估结果计算最终 ECPM,并将结果经由 SSP 转发给广告 SDK,最终完成广告展示
离线模型更新部分
  1. 特征计算:运用 Spark/Flink 例行化计算离线/实时特征,保存到 redis 中以供线上服务读取,同时保存到 TDW 表中备份
  2. 样本拼接:DSP 将线上服务中每个请求的特征上报到 TDBank,并落库 TDW。并每天根据曝光、点击上报日志,以 request_id 为 key 拼接样本,并将样本出库到 HDFS
  3. 模型训练:每天定时开始检查 HDFS 上的数据,数据成功出库后触发模型训练,训练完成后以 timestamp 作为“版本号”保存到指定路径中
  4. 模型部署:模型服务采用 Docker tf.Serving 的模式,其中 Docker 容器和 IDC 训练机同时挂在同一个 CFS 路径。所以只需要将新模型 copy 到指定的 CFS 路径下,tf.Serving 即可自动读取版本号最大(即 timestamp 最大)的最新版本的模型进行预测服务
模型优化特征 Embedding

我们的 pCTR 的特征从分布类型看,分为连续类型、离散类型(包含 ID 类型)、序列类型。从特征主体划分,可以分为 User 特征、Item 特征、Scene 特征、交叉特征。

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对于每一个特征,我们都会先将其 embedding 化,然后乘上该特征的 value 或 weight(对于连续特征是 value,对于离散标签特征是标签权重 weight)。最后可以将其 concat 到一起,或单独通过其他网络结构。

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特征预处理

有些特征的特点是分布偏态十分严重,且极差极大。如“用户近 90 天游戏付费金额”,大多数用户该特征都是 0,但是极少量用户的付费金额可能达到数十万。这种情况如果直接让深度模型学习,会导致模型很难收敛,就算收敛了模型效果也大打折扣。对于这种情况需要进行特征预处理,通常业内常采用“归一化”、“标准化”、“截断”:

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但这几种方法都存在一些问题:

  1. 归一化和标准化需要模型单独保留两个参数(归一化需要保存每个特征的 max 和 min,标准化需要保存每个特征的均值和方差)。但是每次模型训练的数据集中统计的这几个参数都是不同的,这样会导致每次更新模型都会有比较大的波动(比如今天没有突然有大 R 付费,那付费特征的 max 就会飙升,导致模型不稳定)。
  2. 归一化和标准化只能解决分布方差大的问题,不能解决偏态严重的问题
  3. 截断的方法损失了大量信息,损失了这部分特殊用户的区分度

为了解决这些问题,我们针对部分需要进行预处理的特征,采用如下公式进行转换:

这样做的目的是尽可能不损失区分度的情况下,对该特征进行压缩,避免模型无法收敛的情况。由于对于不同日期的数据,不论其分布如何,都统一采取同样的预处理方式,所以不会出现模型更新后,分布不稳定的情况。经过多次离线实验,采用该变换公式解决收敛性和稳定性问题的同时,并未导致 AUC 降低,真是一个好办法!

特征交叉
  • 人工交叉

模型自动交叉的优点是不需要人工参与,可以自适应根据数据集来进行交叉。但这对于复杂的交叉关系需要极其大量的数据来进行训练,这是不现实的。人工交叉可以讲一些主观认为有价值的交叉特征直接提炼出来,不需要模型去学习,降低了模型学习的难度。

现阶段我们开发了 30 个“用户交叉特征”和 80 个“用户属性标签交叉特征”,用户交叉特征诸如“该用户在该游戏上的历史点击率”、“该用户在该媒体上的历史点击数”等,描述每个用户对每个广告的交叉特征;用户属性标签交叉特征诸如“该职业用户在该游戏上的历史点击率”、“该年龄段用户在该广告模板上的历史点击率”等,描述一个用户属性标签下所有用户对每个广告的交叉特征。

加入交叉特征后,模型 AUC 提升了 0.006(0.8032->0.8105),点击率相对提升了 5.6%。下图为点击率对比图,蓝色线为对照组,橙色线为加入了交叉特征后的实验组。

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  • 模型结构交叉

在行业内中已经有了大量关于特征自动交叉的研究成果,从 FM 到 FFM 再到 DeepFM,以及后续基于 Attention 的各种交叉变种,本文在这里就不再赘述。我们在模型结构交叉上有过几个版本的迭代:DeepFM、AutoInt 变种、DCN 变种。

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首先第一版特征交叉结构就是采用业内非常常用的 DeepFM 模型,在全量竞胜请求上可以达到 AUC=0.8 左右的效果。虽然此时的绝对 AUC 达到了比较高的值,但因为数据分布不同,不同业务之间对比 AUC 绝对值意义不大。

第二版交叉结构中,采用了 AutoInt 结构中的 Attention Layer,但是我们除此以外还进行了一些调整:

  1. 一方面继续维持了 DeepFM 中的一阶部分,删除 DeepFM 中的二阶部分,你也可以称这种结构为 Wide&AutoInt。这样做是为了提高模型的泛化性
  2. 另一方面并不是所有特征都经过 Attention Layer 进行交叉,而是剔除了一些主观认为不需要交叉的连续型统计类特征(如用户近 3 天被曝光次数),这样做是为了减小模型参数量,加快线上推导速度,同时一定程度上避免过拟合

经过以上改动,模型 AUC 显著大幅提高了 0.01,线上 CTR 相对提升了约 3%。

第三版交叉结构中,采用 DCNv2 的 Cross Layer 替换之前的 Attention Layer,同时保留之前的 Wide 部分,也同样剔除部分变量不进行 Cross Layer 交叉。这一改动使模型 AUC 显著提升了 0.004,CTR 相对提升了 2%。下图为线上点击率对比图

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特征冗余共线

在特征中不可避免的会出现特征之间的共线性,比如“用户近 24h 的点击数”和“用户近 72h 的点击数”,又比如“用户在该媒体上的历史点击率”和“用户近 3 天历史点击率”,不可避免的会有较高的共线性。高度共线的特征会使模型很容易在局部最小值处提前收敛,而且可能会导致模型参数量增加,但没有增加有效的信息,从而出现过拟合现象。

通常处理特征共线的方法是通过大量离线实验,不断地删除可能导致共线的特征(可通过相关系数分析),并观察 AUC 的变化。从而在保证 AUC 不降低的前提下,剔除掉共线性最强的特征。但是这样做仍然存在问题:

  1. 既然剔除了特征,就不可避免的造成信息损失,降低了模型效果的天花板
  2. 加入 A、B、C 三个特征共线,那应该剔除他们三个中的哪个呢?如果仅以剔除后的 AUC 来衡量,可能会在不同天的数据集上得出不同的答案(第一天剔除 A 最好,第二天剔除 C 最高)。即共线特征的重要性,可能是变化的,直接剔除特征无法反应这种变化

针对这种情况,我们借鉴了《GateNet:Gating-Enhanced Deep Network for Click-Through Rate Prediction》中的方案,在模型内部添加一个 Gate 层,本质上是为每个特征增加了一个“可学习的权重”。

读者可能会问:既然深度学习模型本身的学习机制就可以让无关特征的影响降低,从而起到变量筛选的作用,为什么还要单独一个 Gate Layer 来给变量赋权呢?答案就是:“假设空间太大”,一个全连接层的参数量与前后两层节点数的乘积成正比,参数量很大,不容易学习。相比之下 Gate Layer 中的参数量就少了很多,假设空间更小,更容易学习。

考虑到实际上在共线性的情况下,一个特征的权重不仅与自身有关,还与其他特征有关。所以我们采用 Bit-Wise Feature Embedding Gate 结构:

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实验验证,经过改进后模型的效果更好(原文结构 AUC 提升 0.00101,改进结构 AUC 提升 0.00129)。线上 AB 实验显示,新增改进后的 Gate Layer,使得线上点击率提升约 2.37%。下图为线上点击率对比图:

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序列建模

截至目前,我们在特征方面还引入了序列类型的特征:用户点击游戏序列、用户点击游戏品类序列、用户点击创意序列、用户点击广告序列、用户点击计划序列、用户点击广告类型序列这 6 个序列。针对每个序列先对其 Embedding 化,然后分别进行 Max-Poolling 和 DIN-Attention,并最终进行 concat,作为序列建模层的输出。

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通过加入 DIN-Attention 来优化序列建模过程,模型的 AUC 稳定提升了 0.0012。

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多任务建模

在不同的场景中,我们可以采用不同的辅助任务,来辅助 CTR 模型训练。如朋友圈广告中可以进行“点赞”、“评论”等交互动作。在联盟类流量的广告投放中,因为所对接的媒体类型繁杂,很难推行统一的“交互行为”。我们尝试利用预测视频播放的标签来作为辅助任务,视频播放标签分为:“未播放到 75%”、“播放至 75%到 100%之间”、“完成播放”、“其他”这四个标签,其中“其他”主要表示非视频类曝光。模型结构上,我们将 Cross 层的输出和序列建模层的输出进行 concat,然后经过一个MMoE层,后为两个任务分别接两个 FC 层形成子塔。

经过以上优化,模型离线 AUC 稳定提升了 0.0006。

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素材特征

用户刷到广告后,与用户体验相关性最强的就是素材。我们也加入了一些素材的 Embedding 特征,我们尝试将单个用户近期点击过的素材 ID 看作一个集合,同处在一个集合中的素材 ID 看作是一次“共现”。这个关系与 NLP 中,一个句子中词的共现是类似的,只不过素材 ID 的共现中没有前后顺序的联系。所以我们建立了一个简单的 W2V 模型,根据素材 ID 之间的共现关系,学习每个素材 ID 的 Embedding,并将该 Embedding 加入到 pCTR 模型中,给模型的 AUC 稳定地带来了约 0.0003 的提升。

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另外我们也尝试过对视频素材内容进行理解,从而提取视频素材的标签Embedding,从而辅助 CTR 建模,目前取得了离线 AUC 提升 0.0015 的效果,这部分内容比较多本文不做详细介绍,以后会专门写一篇相关文章。

最终模型结构

经过以上多方面的改进优化,我们目前的模型结构示意图如下:

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图中诸如 Seq Tower 和 MMoE Tover 的具体结构已经在前文中有所介绍,所以在这里就一笔带过。

模型校准为什么需要校准?

偏差是指模型对于整体数据集或部分数据集的预测结果,整体偏高或偏低。在广告系统中,我们不仅需要把最合适的广告排在前面,还需要精确计算这一次曝光的“价格”。所以对于广告系统中,偏差指标与衡量排序的 AUC 都很重要。如果偏差>0,说明我们多花了冤枉钱来买低质量曝光机会,如果偏差<0 说明我们损失了一些“物美价廉”曝光机会。这里我们的偏差定义为:

模型的偏差主要有以下 4 个来源:

  • 训练样本采样

这个很容易理解,有些时候算法同学为了正负样本比例的平衡,会将负样本进行下采样,这会导致训练集中的点击样本占比偏高,从而导致模型高估的偏差。对于这种情况,建议能不采样就别采样。

  • 冷启动

当模型中使用了 ID 类特征时,对于冷启动的情况,模型并没有学习过冷启动 ID 的 embedding。相当于该 embedding 的参数值依然保持为模型 compile 时生成的随机数。对于二分类问题,模型中的一部分参数被替换为随机数,会让魔性的预测结果向 0.5 方向移动(即当 CTR<0.5 时产生高估,CTR>0.5 时产生低估)。这种情况的原因也很好解释,我们考虑如下一个非常简单的 LR 模型的例子:

当样本非冷启动时,w1 和 w2 都是训练充分的,整个 LR 模型没有偏差,或偏差很低。但当样本为冷启动时(假设 x1,x2 是 ID 类特征),w1 和 w2 的取值都是随机生成的随机数(通常均值为 0),而 x1 和 x2 都为 1,这时 w1x1 w2x2 的均值自然为 0,从而 y 的均值为 0.5。

总结来说就是,模型中未受训练的随机数,会让魔性的预测结果向“瞎猜”方向移动,而对于二分类来说,模型“瞎猜”的均值就是 0.5。所以冷启动会带来偏向 0.5 的偏差。对于这种情况,一种方案是在项目迭代中逐步用泛化性特征取代 ID 类特征,另外一种方案就是在线学习。

  • 数据分布迁移

随着时间的推移线上数据分布发生变化,包括线上的特征分布、特征与点击的条件分布都已经改变了,这时模型就会有偏差(比如极端情况下,我用去年的数据训模型,在今年的环境上线,明显是不合理的)。这种偏差和前面介绍的“冷启动偏差”类似,也会一定程度上偏向于 0.5。对于这种情况,需要我们及时更新模型,在线学习是解决这个问题的法宝。

  • 模型收敛到局部最优解

理论上,当模型学习的恰如其分,当 LogLoss 取到最小值,且未出现过拟合的情况,模型输出的期望一定等于真实标签的期望。所以当模型仅是收敛到局部最优解时,势必存在一个子数据集上的偏差期望是非零的。对于这种情况我们只能尽量通过模型结构、正则等方式去避免。模型假设空间越大,越容易收敛到局部最优解,所以我们在进行模型版本迭代时,尽可能不要以引入大量参数为代价,去追求细微的效果提升。这短期看是可以取得更好的效果,但长期看其实是给自己挖坑

缩放校准公式

常用的校准方案 Isotonic Regression 和 Platt Calibration。但是本文主要想介绍另一种更简单的方案——在论文《Practical Lessons from Predicting Clicks on Ads at Facebook》中,作者采用了一种缩放公式来进行校准:

其中 x 为校准前 CTR,w 为负样本采样率。该校准公式虽然简单,但是却具有良好的性质:

  1. 无偏性:只要 x 在采样后的数据集上是无偏的,那 x‘就是在未采样数据集上就是无偏的,这一性质在 Isotonic Regression 中是无法保证的
  2. 一一映射:任意 x 可以得到唯一 x‘,且任务 x’也可以得到唯一 x,这在 Platt Calibration 中是无法保证的
  3. 连续性:Isotonic Regression 是非参数的阶梯函数,相比之下该公式是一个连续函数,不需要对 x 进行分桶

以上都是很好的性质,但是该公式也存在问题,就是他只有一个表示缩放比例的参数 w,它只能够解决“训练样本采样”带来的偏差,或缓解“整体数据分布迁移”带来的偏差。对于由于模型训练不充分导致的分桶偏差(如对 A 部分样本高估,对 B 部分样本低估,但总体上互相抵消了)就无法解决了。

我们通过 reliability diagram 来对比下缩放公式校准与 Isotonic Regression 的效果。下图中蓝色线是未校准的 pCTR,橙色线是缩放公式校准的结果,绿色线是 Isotonic 校准的结果,可以看出校准缩放公式的整体校准效果,完全可以和 Isotonic Regression 匹敌。

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另外因为他是连续的,可以支持梯度训练,对未来的在线学习有更好的兼容性。而且他不需要对 pCTR 进行分桶,不会存在高 pCTR 处因为样本量太少而导致波动大的问题。真是一个好方法呢!

校准模型的改进

对于分桶偏差,TEG 发表的《Field-aware Calibration: A Simple and Empirically Strong Method for Reliable Probabilistic Predictions》理论上可以缓解这个问题。原文将分段离散的 Isotonic Regression 改进为分段连续的多段线性函数,结合一个输入为样本特征的 DNN,一起得到校准结果。

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因为在校准模型中,通过 DNN 的方式考虑到了其他特征(如媒体 ID 等),所以可以缓解模型对桶 A 高估,桶 B 低估但总体抵消的情况。但是我们在业务中发现,我们的分桶偏差(分媒体、分游戏、分广告展示形式)也都维持在比较低的水平,与整体偏差差不太多,所以暂时没有必要针对该问题进行专门优化。

Part3在线学习

前文中提到了偏差产生的原因,其中“冷启动”与“数据分布偏移”产生的偏差都可以靠及时更新模型来消除,而提高模型更新频率的终极解决方案就是在线学习。线上模型进行服务的同时,利用线上实时样本实时地训练模型,并实时的利用最新模型部署服务的方案。在线学习可以将模型的更新频率提升到分钟级甚至秒级。

整体机制

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上图为在线学习的整体机制。主要分为四个部分:

  • DSP 预测:通过 tf.Serving 进行线上预测服务,同时上报曝光、点击、特征日志
  • 特征及样本:实时消费曝光、点击、特征日志,通过 request_id 进行实时 join,拼接实时训练样本,并上报 tdbank
  • 模型实时训练:实时消费前置模块上报的实时样本(感谢 TEG 数平同学 dockerzhang 和 gosonzhang 同学提供的 tubemq-python-sdk),可实现不同的训练触发策略、参数冻结、样本回放策略,以及实时调整模型训练过程中 LR、优化器等参数
  • 模型上线管理:接收实时产出的模型文件,并根据策略对其进行评估、上线、回滚等操作

其中模型训练部分与算法或策略相关性最高,下面详细介绍该模块的一些功能设计。

主要挑战

在线学习与离线训练的最大区别就是,在线学习的样本是实时获取的,所以实时样本无法和离线样本一样进行全局 shuffle。这使每一时刻下的实时样本分布与全局整体分布有很大差异。举个例子:随着时间的推移,上午的数据分布和下午的数据分布就有很大的差异,下两图展示了以 13 点区分的上午、下午的所有曝光中,游戏的占比和媒体的占比。

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可以看出,随着时间的推移,首先媒体流量分布就会产生变化,加之预算、频控等策略影响,Item 分布也会产生变化。如果直接采用简单增量训练(直接 load 旧模型,train 新数据的方式),很容易产生灾难性遗忘(Catastrophic Forgetting),也就是模型“学飞了”。具体表现我们在下一节介绍。

参数冻结

由于实时数据无法进行全局 shuffle,导致实时样本与离线样本分布差异很大,所以如果模型直接采用简单增量训练会产生灾难性遗忘的问题。我们基于以下三条假设提出参数冻结的方案:

  1. Embedding 主要学习 User/Item 的表征;复杂的交叉结构(如 FC、Cross 等结构),主要学习用户与 Item 的交叉信息(如“男性喜欢玩枪战游戏”)
  2. 线上分布的变化,主要体现在 Item/User 分布的变化(新建广告/新接入媒体等);而不是用户偏好的变化(比如男性用户上午喜欢打 CF,下午突然集体改玩爱消除)
  3. 在离线模型中,模型已经用大量的数据,比较好的训练了交叉结构

我们在实时训练时,冻结模型的 FC 层、Cross 层等交叉结构的参数,令其不进行更新,仅使用实时样本更新 Embedding 层的参数。离线实验效果如下:

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横轴是小时,纵轴是 AUC,橙色线是采用简单增量训练,蓝色线是离线模型,灰色线是采用了参数冻结的增量训练。可以看出在没有进行参数冻结的情况下,模型效果始终不如离线模型,且到了后期模型的 AUC 甚至会低至 0.5-0.6 之间。这说明数据分布的变化对模型训练的影响十分严重。而采用了参数冻结后,模型没有出现灾难性遗忘的情况,且模型 AUC 平均提高了 0.0007(即灰色线比蓝色线高 0.0007,图中很难看出来)。在多日的线上 AB 实验中显示,采用了参数冻结后,线上点击率相对离线模型提升了约 2.8%左右

另外需要注意的是,参数冻结的方案是以牺牲模型学习能力的方式来换取模型的稳定性,冻结的参数越多模型越稳定,但是学习能力也会大打折扣。所以该方案是一把双刃剑,还需要其他方案的配合才能取得较好的效果。

样本回放

仅仅进行参数冻结也不能完全解决灾难性遗忘的问题,仅仅是以牺牲学习能力来换取稳定性。即使采用了参数冻结后,我们依然发现了问题:模型的效果在一天内并不稳定。如下图所示,实验组的效果上午好,下午差,下图为一天内对照组的点击率提升幅度(对照组 CTR-实验组 CTR)。虽然一天内平均后总体向好,但是这并不是我们期望的结果。

深度学习建模要多少数据(万字长文彻底搞懂CTR建模)(24)

考虑到前面介绍的,一天内数据分布变化极大,模型确实存在 “学了上午,忘了下午” 的情况,所以我们添加了样本回放功能,即从昨天的样本中根据一定策略,选取部分离线样本,与在线实时样本一起给模型进行增量训练。离线样本的选取策略为:过去一天当前小时以后的样本(即{YYYYMM(DD-1)23}的样本)进行采样,与实时样本按照一定比例混合

之所以采用这样的策略,是考虑到样本回放主要是让模型不要仅仅“着眼于当下”,还要考虑“未来的数据分布”。比如现在是下午 1 点,那实时样本都是 1 点左右的样本,而 1 点之前的样本模型已经训练过了,但是模型不知道 1 点之后的数据会是什么样子。所以我们就从昨天的样本中选取 1 点之后的样本加入进去。

下图为 AUC 提升幅度对比图,蓝色线为仅冻结参数未添加回放,橙色线为冻结参数 样本回放。可见添加样本回放后,模型的效果进一步提升,AUC 相对离线模型平均提升约 0.001。

深度学习建模要多少数据(万字长文彻底搞懂CTR建模)(25)

另外多日的线上的 AB 实验显示,加入样本回放后线上点击率相对提升 3%-6%,而且成功解决了前面提到的,模型效果在一天内“上午好,下午坏”的灾难性遗忘问题。下图为优化后对照组的点击率提升幅度(对照组 CTR-实验组 CTR)。

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蒸馏学习

前面提到的两种方法中,参数冻结需要牺牲模型学习能力,样本回放需要牺牲样本的实时性(因为混入了早期离线样本),都涉及到一种权衡取舍。我们的最终目的无非是希望模型能够在学习的过程中“不要忘本”,不要忘记那个“最初的自己”。而蒸馏学习正好可以用 teacher 模型来影响 student 模型,让其学习 teacher 模型的信息,这与我们的目的不谋而合。

我们采用离线模型作为 teacher,实时训练模型作为 student,在 loss 上除了 student 的 Logloss 损失,添加了 teacher 与 student 之间的交叉熵损失,两个损失的权重比为 1:0.2,目的就是让 student 模型不要离 teacher“太远”。

下图为蒸馏学习的离线实验效果对比图,纵轴为 AUC 提升幅度(对照组 AUC-实验组 AUC),横轴是小时。两个灰色线是前面提到的参数冻结和样本回放的效果,蓝色线和橙色线是蒸馏学习的实验结果。可见蒸馏学习的效果提升十分显著,平均 AUC 提升 0.0025 以上(不放回蒸馏 0.0025 ,放回蒸馏 0.0027 )。

深度学习建模要多少数据(万字长文彻底搞懂CTR建模)(27)

灵魂拷问AUC 与 CTR 关系?

在模型优化过程中,我们曾遇到过**AUC 很高(或提升很多)但 CTR 效果不理想;或 AUC 提升幅度不大,但 CTR 提升幅度很大的情况,这是为什么呢?**想要回答这个问题,我们先来看 AUC 与 CTR 的关系。

  • 引入 Base AUC 前面提到我们的特征中包含 User 特征、Item 特征、Scene 特征和交叉特征,而广告系统的任务就是为了从广告库中选取最合适的 Item 进行展示。也就是说,如果我们把 Item 特征和交叉特征删掉,pCTR 的预估就完全不会考虑 Item 相关的信息,仅仅是给用户的“点击习惯”打个分而已。理论上这种情况下的点击率与随机推荐的点击率是相同的,因为对于每个 Item 都是相同的 ECPM(假设不考虑 pCVR、pLTV 等其他环节的影响)。

但是实际上这种情况下,因为模型中还有大量 User 特征和 Scene 特征,模型的 AUC 依然不等于 0.5(实际上依然很高,假设能达到 0.78)。说明从 0.5->0.78 这么多的 AUC 提升,其实对于 CTR 的提升没有半毛钱直接作用,因为模型只能对多个请求之间进行排序,而点击率提升需要模型对一个请求内部的多个 Item 进行排序。这种情况模型的主要作用应该是降低了偏差,我们称这时的 AUC 为 Base AUC。

  • AUC 提升的效果

AUC 的提升与线上 CTR 的效果并不是线性的。一般在项目初期,AUC 的提升很容易,但对 CTR 的贡献一般会很小。因为这种情况下的提升,一般主要是靠 User 侧的特征撑起来的,关于 Item 侧以及交叉特征的贡献相对较小。这个阶段的优化,对 PV 间的排序优化比较明显,但是对 PV 内的排序优化不大。

而在达到了 Base AUC 之后,AUC 再想继续提升,难度会很大,但是对 CTR 的贡献会非常明显,可能 AUC 提升 0.0001 就可以给 CTR 带来收益了。因为这时的提升主要是靠交叉特征,以及模型深度挖掘用户偏好带来的,这部分提升可以直接作用在一个 PV 内部。

  • 关于 GAUC

有同学肯定了解过《Optimized Cost per Click in Taobao Display Advertising》中提出的 GAUC 指标,这个指标就是为了解决前面提到的 PV 内/PV 间的问题,该指标其实就是针对每个用户的行为算一个 AUC,然后把所有用户的 AUC 算一个加权平均:

深度学习建模要多少数据(万字长文彻底搞懂CTR建模)(28)

同样的道理,我们也构造了一个 Session GAUC,即把每一个 PV 上(满足同一用户、同一媒体、同一广告形式内)的曝光行为算一个 AUC,最后加权平均,但是我们遇到了一个问题。

在淘宝的场景中,一个用户的行为可能相对更长,而且不会与其他广告主进行竞争,不涉及“竞得”的问题,所以单个用户也可以有足够的曝光点击次数来计算 AUC。

深度学习建模要多少数据(万字长文彻底搞懂CTR建模)(29)

但是在联盟广告场景下,我们只有成功曝光情况下才能收集到曝光样本(我们无权拿到用户在媒体 APP 上其他行为的数据,只能拿到广告相关曝光、点击等数据),而且由于存在外部竞争以及内部的底价过滤等策略的影响,我们有大量广告请求无法成功展示,每个用户的平均曝光、点击次数非常少。如果想要达到能够计算 AUC 的要求(至少 2 次曝光,且至少 1 次点击),绝大多数的用户都被过滤了。剩余的用户中,也是绝大多数只有 2 次曝光和 1 次点击的边界情况。这种情况下计算得到的 AUC 代表性极差,用少量曝光行为计算的 AUC 来代表该用户的效果,用少数行为丰富的用户效果来代替整体大盘的用户效果。结果就是大部分的用户都“被代表”了。

所以在联盟广告的场景下,GAUC 的思路并不合适。实际上只要 AUC 突破了一个门槛(即类似前面提到的 Base AUC),将 User 特征和 Scene 特征压榨干净,后续的 AUC 提升与 CTR 的提升是有很强的正相关的。所以我们大可放心继续使用 AUC 这个指标,只是在项目初期要清楚,前期的 AUC 提升主要效果是降 bias,而不是提升 CTR。

偏差与 CTR 的关系?

前一节介绍了 AUC 和 CTR 的关系,但实际上影响 CTR 的还有偏差。完全有可能在 AUC 不变的情况下,通过优化偏差来提升 CTR,这是为什么呢?

偏差本身和 CTR 没有直接关系,但是在竞价环境下,偏差可以影响我们竞得的流量质量,从而影响整体 CTR。举个简单例子,偏差是高估的,我们就花了更多钱买来低价值(低点击率)的曝光,但是整体曝光量会上升,而点击率下降;偏差是低估的,我们就舍弃了一些 ECPM 在竞得门槛附近的的曝光,留下来的都是 ECPM 更高的曝光,所以曝光量下降,但整体 CTR 提升。所以本质上这其实是一个量与质的权衡,当然权衡的最佳状态当然是偏差为 0 最好。

AB 实验你真的会用么?
  • AB 实验中的设备分流与请求分流

在 AB 实验中,我们经常会需要选择根据设备分流还是请求分流。

如果按照设备分流,通常需要先做 AA 实验,确保 AB 两组没有天然的差异性(即 A 组用户天然就比 B 组用户更活跃等因素的影响)。而且这个差异性可能是随时间变化的,可能工作日的时候两组差异小,周末两组差异大。所以设备分流实验中,这个因素的影响通常是不可忽略的。

有的同学会认为如果用户量足够大,是不是就可以抹平两组间的天然差异? 答案是肯定的,但是所需要的用户量会比预想的大。举一个极端的例子,在广告中如果要做 ROI 的 AB 实验,由于付费行为本身非常稀疏,且付费金额分布极其偏态(少数几个用户可能付费几十万,绝大多数付费只是首充),即使你广告大盘有 1 个亿的设备数,真正经过竞价、曝光、点击、转化后可能只剩几千个,再算上付费的可能就几十个,而这几十个里面可能只有一两个付费超过 1000 的大 R。也就是说,虽然总体用户数很多,但是真正“有影响力的关键用户”会少很多。大盘用户量需要足够大到足以使“关键用户”足够多,才能抹平 AB 两组的差异,这通常比人们直观感觉中的量级要大。

相反如果按照请求分流,好处是 AB 两组绝对不会存在差异性(除非代码有 BUG),省去了 AA 实验的步骤,可以完全避免组间天然差异带来的影响。但是有些研究用户长期行为的实验(比如品牌实验),要求用户需要长期被分到同一个组中,就不适用请求分流,必须用设备分流。

  • AB 实验中的辛普森悖论

如果实验组每一天的 CTR 都更高,就说明实验组更好么?

答案是:不一定!设想这样一种情况,如果实验组模型对某个本来点击率就很高高的 Item(比如一个很火的新游戏,很好看的素材等等)产生了高估,那实验组中这个 Item(游戏/素材)的占比就会更高。那实验组的整体点击率就会更高。这并不是因为模型排序排的更准,而是模型更倾向于把“曝光机会”分配给优质的 Item。

所以我们在看 AB 实验结论的时候,还是要多留一个心眼,尝试下钻去看一看是否存在辛普森悖论造成的美好的假象。

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