基于大數(shù)據(jù)的個性化高校科研資源服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

劉冬鄰

（四川外國語大學(xué) 重慶市 400031）

如今，從科研項目的前期籌劃到項目申報、項目過程管理、科研協(xié)作、項目結(jié)題管理等科研流程都是基于互聯(lián)網(wǎng)+信息系統(tǒng)的管理和運(yùn)作模式[1]。科研活動無時不在快速的產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)、云計算、機(jī)器學(xué)習(xí)為獲取科研資源提供了便利，營造了便捷、高效的科研交流環(huán)境[2]。

高校科研用戶在整個科研過程中，查閱科研文獻(xiàn)獲取數(shù)據(jù)的時間超過整個過程的一半以上，個性化資源需求復(fù)雜多樣，但大多數(shù)老師獲取所需科研資源的能力不足[3]。目前建設(shè)的各類高校科研管理系統(tǒng)和資源服務(wù)平臺功能簡單且單一，只能接受用戶關(guān)鍵字信息查詢檢索，用戶個性化的科研資源需求得不到滿足[4-5]。本文即以某外語高校為例，研究高校科研資源個性化服務(wù)需求，探討個性化科研資源服務(wù)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計和實現(xiàn)。

1 功能需求

個性化高校科研服務(wù)系統(tǒng)的主要功能就是基于科研用戶對科研數(shù)據(jù)的獲取需求，采用大數(shù)據(jù)、用戶畫像、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)從分布于學(xué)校各單位的相關(guān)科研數(shù)據(jù)庫中抽取滿足需求的數(shù)據(jù)；對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以保證數(shù)據(jù)的正確性、一致性和有效性；分析并將數(shù)據(jù)整合進(jìn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中；在這些科研大數(shù)據(jù)支撐的基礎(chǔ)上，通過架構(gòu)的系統(tǒng)融合推薦引擎，分析科研用戶對各種科研資源的興趣度，為高校科研用戶提供個性化的科研數(shù)據(jù)服務(wù)。

通過對學(xué)校師生進(jìn)行問卷調(diào)研，總結(jié)出高校科研資源個性化服務(wù)的主要應(yīng)用場景為：沒有注冊過或注冊過但本次不登錄的用戶，進(jìn)入系統(tǒng)后瀏覽科研資源項目；沒有或只有較少系統(tǒng)使用記錄的注冊用戶登錄系統(tǒng)；有較多系統(tǒng)使用記錄的注冊用戶登錄并使用系統(tǒng)。在這些場景下，系統(tǒng)將基于不同的個性化推薦策略，采用不同的算法和模型實現(xiàn)個性化推薦引擎，滿足用戶的個性化科研資源服務(wù)需求。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文是基于以MapReduce、HDFS、HBase、Hive 為核心的Hadoop 技術(shù)框架和傳統(tǒng)的三層推薦系統(tǒng)架構(gòu)，進(jìn)行個性化高校科研服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計[6-7]。

由于推薦策略的復(fù)雜性，如果要在一個系統(tǒng)中把各種用戶特征（用戶屬性：性別、專業(yè)、學(xué)歷、職稱、研究方向等，用戶行為特征：瀏覽、點(diǎn)贊、下載等。）、資源項目特征（比如著作屬性：包括作者、出版社、項目來源等）和環(huán)境因素等都綜合考慮，系統(tǒng)將變得龐大而復(fù)雜[8]。因此，本系統(tǒng)被設(shè)計為由多個推薦引擎組成，每類推薦引擎負(fù)責(zé)一類特征和一種任務(wù)，通過整合多個推薦引擎的召回結(jié)果，按照一定權(quán)重或優(yōu)先級合并、過濾、排序然后呈現(xiàn)給用戶。多引擎融合系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1：多引擎融合系統(tǒng)架構(gòu)

3 數(shù)據(jù)分析與處理

系統(tǒng)主要使用到用戶數(shù)據(jù)，資源數(shù)據(jù)，情景數(shù)據(jù)。用戶信息是個性化推薦的主要依據(jù)，高校科研用戶數(shù)據(jù)可以分為基本信息數(shù)據(jù)和行為數(shù)據(jù)兩大類。基本信息主要包括用戶的基本屬性和相關(guān)特征信息；行為數(shù)據(jù)是指用戶在使用系統(tǒng)時產(chǎn)生的使用日志數(shù)據(jù)，是獲取用戶興趣進(jìn)行智能推薦的重要數(shù)據(jù)源。情境數(shù)據(jù)是與服務(wù)應(yīng)用場景相關(guān)的數(shù)據(jù)。資源大數(shù)據(jù)是高校科研管理系統(tǒng)中的各類科研成果，比如：著作、論文、項目課題、專利等數(shù)據(jù)。

依據(jù)個性化服務(wù)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和功能需求，設(shè)計用戶數(shù)據(jù)模型、科研資源數(shù)據(jù)模型、用戶行為數(shù)據(jù)模型以及用于表示各種數(shù)據(jù)之間關(guān)系的關(guān)系數(shù)據(jù)模型。將分布在不同信息系統(tǒng)中的科研資源數(shù)據(jù)、科研用戶數(shù)據(jù)、情境數(shù)據(jù)和用戶行為數(shù)據(jù)從各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中抽取、融合、同步到個性化推薦系統(tǒng)的MySQL 數(shù)據(jù)庫中，并在用戶基本信息數(shù)據(jù)，用戶行為數(shù)據(jù)，資源數(shù)據(jù)和情景數(shù)據(jù)之間建立聯(lián)系。選取系統(tǒng)需要字段，進(jìn)行One-Hot 編碼，建立科研用戶基本信息表（見表1），各種科研成果信息表，如科研論文信息表（見表2）、用戶行為信息表（見表3）；相關(guān)信息編碼表如語種、用戶標(biāo)簽編碼信息表等。

4 個性化推薦算法選擇

推薦算法是個性化服務(wù)系統(tǒng)的核心，基于設(shè)計的高校科研大數(shù)據(jù)個性化服務(wù)系統(tǒng)的架構(gòu)和系統(tǒng)的功能模塊，在實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程中，需要使用項目熱度推薦算法、采用TF-IDF 獲得項目特征向量從而進(jìn)行基于內(nèi)容相似度的推薦算法、基于UserCF 的推薦算法來構(gòu)建系統(tǒng)的各類推薦引擎。

4.1 基于熱度推薦

系統(tǒng)在剛上線或者用戶剛開始使用時，系統(tǒng)是無法向用戶提供個性化服務(wù)的。無論是基于用戶行為的個性化，還是基于內(nèi)容相似度的個性化，都是建立在有大量用戶行為的基礎(chǔ)上。此時采用更加聚合的“熱度算法”，就是把大家喜歡的內(nèi)容優(yōu)先推薦給用戶。雖無法做到基于興趣和習(xí)慣為每一個用戶進(jìn)行精準(zhǔn)的推薦，但能將本專業(yè)用戶當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)資源推薦給用戶，同時解決了系統(tǒng)和用戶冷啟動問題[9]。

考慮科研項目熱度隨著時間衰減的趨勢是呈指數(shù)增長的，本文采用結(jié)合牛頓冷卻定律改進(jìn)后的項目熱度計算方法。

4.2 基于內(nèi)容推薦

基于內(nèi)容推薦是基于項目和用戶相關(guān)信息以及用戶對項目的操作行為，構(gòu)建推薦算法模型，為用戶提供推薦服務(wù)。可以將各種科研資源項目，映射到某個向量空間，有了資源的向量化表示，就可以通過余弦相似度計算兩個項目之間的相似程度，然后將與用戶曾經(jīng)操作過的項目相似的項目推薦給用戶

本系統(tǒng)的推薦對象是非結(jié)構(gòu)化的科研資源和成果文檔，無法將其直接映射到向量空間。我們主要根據(jù)包含項目核心信息的項目文檔標(biāo)題進(jìn)行個性化推薦，利用TF-IDF 方法，從資源項目標(biāo)題中獲取關(guān)鍵詞，構(gòu)建資源關(guān)鍵詞向量。TFj,Di表示詞條j 在文檔Di中的出現(xiàn)頻率，IDFj表示詞條j 在文檔集合中的區(qū)分能力，最終詞條j在文檔Di中的TF-IDFj,Di值可以根據(jù)公式（1）計算得到[10]。

根據(jù)得到的每個詞條的TF-IDF 值，就可以構(gòu)建每個項目的詞向量，進(jìn)而使用該向量計算項目間的余弦相似度。

4.3 基于UserCF推薦

基于UserCF 推薦就是基于用戶的歷史行為數(shù)據(jù)，計算兩個科研用戶的興趣相似度，找到和目標(biāo)用戶興趣相似的用戶集合，進(jìn)而找到集合中的用戶喜歡且目標(biāo)用戶沒有使用過的資源推薦給用戶[11]。該算法的核心是要構(gòu)建高校科研用戶和科研資源項目的關(guān)系矩陣。首先根據(jù)用戶是否點(diǎn)擊瀏覽或下載科研資源文檔，構(gòu)建用戶向量，向量的維度就是項目的個數(shù)，向量維度項的取值為1 表示用戶打開瀏覽或下載過資源項目，取值為0 表示用戶沒有進(jìn)行相關(guān)操作即用戶對該資源不感興趣，根據(jù)建立的用戶向量建立用戶和項目關(guān)系矩陣。知名專家、教授的資源項目會成為大家都關(guān)注的熱門，但不意味著這些用戶興趣就相同，因此本文采用了對熱門項目進(jìn)行懲罰的興趣相似度公式（2）：

其中，N(e)、N(f)分別表示用戶e 和用戶f 瀏覽或下載過的科研資源集合。

表 1：科研用戶基本信息表

表 2：論文成果信息表

表 3：用戶行為信息表

根據(jù)用戶興趣度模型公式（3），把和目標(biāo)用戶相近的用戶喜歡的科研資源項目匯總起來，去掉用戶已經(jīng)瀏覽或下載過的項目，將剩下的項目排序后便可推薦給目標(biāo)用戶。

其中，n 是和用戶e 相似的用戶總數(shù)，sime,f是用戶u 和用戶f的相似度，Rf,i是用戶f 對項目i 的評分，Pe,i為預(yù)估用戶e 對項目i的評分。

5 系統(tǒng)推薦引擎實現(xiàn)

5.1 熱度推薦引擎

當(dāng)未注冊用戶和首次登錄的注冊用戶使用系統(tǒng)時，系統(tǒng)面臨用戶“冷啟動”問題，本文采用熱度推薦策略，將各學(xué)科當(dāng)前熱度值較高的資源項目推薦給這類用戶，主要實現(xiàn)代碼如下：

5.2 相似資源項目推薦引擎

該模塊使用Python 的jieba 庫作為分詞工具，對資源文檔標(biāo)題分詞然后做去除停用詞處理，通過計算單詞的TF-IDF 值，構(gòu)造標(biāo)題關(guān)鍵詞向量，主要實現(xiàn)代碼如下：

5.3 基于用戶協(xié)同的推薦引擎

該模塊采用通過懲罰熱門項目和建立項目用戶倒查表優(yōu)化算法計算復(fù)雜度的方式，進(jìn)行優(yōu)化的User-CF過濾算法，計算用戶相似度，構(gòu)建用戶相似矩陣，計算目標(biāo)用戶對項目的興趣度，主要代碼如下：

6 結(jié)語

基于當(dāng)今科研管理和服務(wù)平臺功能單一，不能將用戶感興趣的資源主動推薦給用戶的現(xiàn)狀。分析了高校科研資源個性化服務(wù)涉及的數(shù)據(jù)源，從各相關(guān)數(shù)據(jù)庫抽取所需數(shù)據(jù)；經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理再融合進(jìn)MySQL 數(shù)據(jù)庫引擎；選擇并優(yōu)化了所需推薦算法；設(shè)計并實現(xiàn)了多引擎融合推薦系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)實現(xiàn)了基于多種推薦策略的科研資源推薦，提高了資源利用率。

本研究還可為科研大數(shù)據(jù)的實時抽取、整合設(shè)計科學(xué)高效的數(shù)據(jù)倉庫；基于組件和服務(wù)的思想為其它應(yīng)用設(shè)計API 接口。