多任务学习模型之ESMM介绍与实现

简介：本文介绍的是阿里巴巴团队发表在 SIGIR’2018 的论文《Entire Space Multi-Task Model: An Eﬀective Approach for Estimating Post-Click Conversion Rate》。文章基于 Multi-Task Learning (MTL) 的思路，提出一种名为ESMM的CVR预估模型，有效解决了真实场景中CVR预估面临的数据稀疏以及样本选择偏差这两个关键问题。后续还会陆续介绍MMoE，PLE，DBMTL等多任务学习模型。

多任务学习背景

目前工业中使用的推荐算法已不只局限在单目标（ctr）任务上，还需要关注后续的转换链路，如是否评论、收藏、加购、购买、观看时长等目标。

本文介绍的是阿里巴巴团队发表在 SIGIR’2018 的论文《Entire Space Multi-Task Model: An Eﬀective Approach for Estimating Post-Click Conversion Rate》。文章基于 Multi-Task Learning (MTL) 的思路，提出一种名为ESMM的CVR预估模型，有效解决了真实场景中CVR预估面临的数据稀疏以及样本选择偏差这两个关键问题。后续还会陆续介绍MMoE，PLE，DBMTL等多任务学习模型。

论文介绍

CVR预估面临两个关键问题：

1. Sample Selection Bias (SSB)

转化是在点击之后才“有可能”发生的动作，传统CVR模型通常以点击数据为训练集，其中点击未转化为负例，点击并转化为正例。但是训练好的模型实际使用时，则是对整个空间的样本进行预估，而非只对点击样本进行预估。即训练数据与实际要预测的数据来自不同分布，这个偏差对模型的泛化能力构成了很大挑战，导致模型上线后，线上业务效果往往一般。

2. Data Sparsity (DS)

CVR预估任务的使用的训练数据（即点击样本）远小于CTR预估训练使用的曝光样本。仅使用数量较小的样本进行训练，会导致深度模型拟合困难。

一些策略可以缓解这两个问题，例如从曝光集中对unclicked样本抽样做负例缓解SSB，对转化样本过采样缓解DS等。但无论哪种方法，都没有从实质上解决上面任一个问题。

由于点击=>转化，本身是两个强相关的连续行为，作者希望在模型结构中显示考虑这种“行为链关系”，从而可以在整个空间上进行训练及预测。这涉及到CTR与CVR两个任务，因此使用多任务学习（MTL）是一个自然的选择，论文的关键亮点正在于“如何搭建”这个MTL。

首先需要重点区分下，CVR预估任务与CTCVR预估任务。

CVR = 转化数/点击数。是预测“假设item被点击，那么它被转化”的概率。CVR预估任务，与CTR没有绝对的关系。一个item的ctr高，cvr不一定同样会高，如标题党文章的浏览时长往往较低。这也是不能直接使用全部样本训练CVR模型的原因，因为无法确定那些曝光未点击的样本，假设他们被点击了，是否会被转化。如果直接使用0作为它们的label，会很大程度上误导CVR模型的学习。
CTCVR = 转换数/曝光数。是预测“item被点击，然后被转化”的概率。

其中x,y,z分别表示曝光，点击，转换。注意到，在全部样本空间中，CTR对应的label为click，而CTCVR对应的label为click & conversion，这两个任务是可以使用全部样本的。因此，ESMM通过学习CTR，CTCVR两个任务，再根据上式隐式地学习CVR任务。具体结构如下：

网络结构上有两点值得强调：

共享Embedding。 CVR-task和CTR-task使用相同的特征和特征embedding，即两者从Concatenate之后才学习各自独享的参数；
隐式学习pCVR。这里pCVR 仅是网络中的一个variable，没有显示的监督信号。

具体地，反映在目标函数中：

代码实现

基于EasyRec推荐算法框架，我们实现了ESMM算法，具体实现可移步至github：EasyRec-ESMM。

EasyRec介绍：EasyRec是阿里云计算平台机器学习PAI团队开源的大规模分布式推荐算法框架，EasyRec 正如其名字一样，简单易用，集成了诸多优秀前沿的推荐系统论文思想，并且有在实际工业落地中取得优良效果的特征工程方法，集成训练、评估、部署，与阿里云产品无缝衔接，可以借助 EasyRec 在短时间内搭建起一套前沿的推荐系统。作为阿里云的拳头产品，现已稳定服务于数百个企业客户。

模型前馈网络：

  def build_predict_graph(self):"""Forward function.Returns:self._prediction_dict: Prediction result of two tasks."""# 此处从Concatenate后的tensor（all_fea）开始，省略其生成逻辑cvr_tower_name = self._cvr_tower_cfg.tower_namednn_model = dnn.DNN(self._cvr_tower_cfg.dnn,self._l2_reg,name=cvr_tower_name,is_training=self._is_training)cvr_tower_output = dnn_model(all_fea)cvr_tower_output = tf.layers.dense(inputs=cvr_tower_output,units=1,kernel_regularizer=self._l2_reg,name='%s/dnn_output' % cvr_tower_name)ctr_tower_name = self._ctr_tower_cfg.tower_namednn_model = dnn.DNN(self._ctr_tower_cfg.dnn,self._l2_reg,name=ctr_tower_name,is_training=self._is_training)ctr_tower_output = dnn_model(all_fea)ctr_tower_output = tf.layers.dense(inputs=ctr_tower_output,units=1,kernel_regularizer=self._l2_reg,name='%s/dnn_output' % ctr_tower_name)tower_outputs = {cvr_tower_name: cvr_tower_output,ctr_tower_name: ctr_tower_output}self._add_to_prediction_dict(tower_outputs)return self._prediction_dict

loss计算：

注意：计算CVR的指标时需要mask掉曝光数据。

  def build_loss_graph(self):"""Build loss graph.Returns:self._loss_dict: Weighted loss of ctr and cvr."""cvr_tower_name = self._cvr_tower_cfg.tower_namectr_tower_name = self._ctr_tower_cfg.tower_namecvr_label_name = self._label_name_dict[cvr_tower_name]ctr_label_name = self._label_name_dict[ctr_tower_name]ctcvr_label = tf.cast(self._labels[cvr_label_name] * self._labels[ctr_label_name], tf.float32)cvr_loss = tf.keras.backend.binary_crossentropy(ctcvr_label, self._prediction_dict['probs_ctcvr'])cvr_loss = tf.reduce_sum(cvr_losses, name="ctcvr_loss")# The weight defaults to 1.self._loss_dict['weighted_cross_entropy_loss_%s' %cvr_tower_name] = self._cvr_tower_cfg.weight * cvr_lossctr_loss = tf.reduce_sum(tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(labels=tf.cast(self._labels[ctr_label_name], tf.float32),logits=self._prediction_dict['logits_%s' % ctr_tower_name]), name="ctr_loss")self._loss_dict['weighted_cross_entropy_loss_%s' %ctr_tower_name] = self._ctr_tower_cfg.weight * ctr_lossreturn self._loss_dict

note: 这里loss是 weighted_cross_entropy_loss_ctr + weighted_cross_entropy_loss_cvr, EasyRec框架会自动对self._loss_dict中的内容进行加和。

metric计算：

注意：计算CVR的指标时需要mask掉曝光数据。

  def build_metric_graph(self, eval_config):"""Build metric graph.Args:eval_config: Evaluation configuration.Returns:metric_dict: Calculate AUC of ctr, cvr and ctrvr."""metric_dict = {}cvr_tower_name = self._cvr_tower_cfg.tower_namectr_tower_name = self._ctr_tower_cfg.tower_namecvr_label_name = self._label_name_dict[cvr_tower_name]ctr_label_name = self._label_name_dict[ctr_tower_name]for metric in self._cvr_tower_cfg.metrics_set:# CTCVR metricctcvr_label_name = cvr_label_name + '_ctcvr'cvr_dtype = self._labels[cvr_label_name].dtypeself._labels[ctcvr_label_name] = self._labels[cvr_label_name] * tf.cast(self._labels[ctr_label_name], cvr_dtype)metric_dict.update(self._build_metric_impl(metric,loss_type=self._cvr_tower_cfg.loss_type,label_name=ctcvr_label_name,num_class=self._cvr_tower_cfg.num_class,suffix='_ctcvr'))# CVR metriccvr_label_masked_name = cvr_label_name + '_masked'ctr_mask = self._labels[ctr_label_name] > 0self._labels[cvr_label_masked_name] = tf.boolean_mask(self._labels[cvr_label_name], ctr_mask)pred_prefix = 'probs' if self._cvr_tower_cfg.loss_type == LossType.CLASSIFICATION else 'y'pred_name = '%s_%s' % (pred_prefix, cvr_tower_name)self._prediction_dict[pred_name + '_masked'] = tf.boolean_mask(self._prediction_dict[pred_name], ctr_mask)metric_dict.update(self._build_metric_impl(metric,loss_type=self._cvr_tower_cfg.loss_type,label_name=cvr_label_masked_name,num_class=self._cvr_tower_cfg.num_class,suffix='_%s_masked' % cvr_tower_name))for metric in self._ctr_tower_cfg.metrics_set:# CTR metricmetric_dict.update(self._build_metric_impl(metric,loss_type=self._ctr_tower_cfg.loss_type,label_name=ctr_label_name,num_class=self._ctr_tower_cfg.num_class,suffix='_%s' % ctr_tower_name))return metric_dict