基于Look-alike和K-means算法的音樂冷啟動問題研究

王屯屯

摘要：在音樂推薦領域，根據(jù)用戶的行為習慣進行偏好建模并進行推薦。但是對于熱度較低的音樂，由于很少有用戶進行消費，幾乎得不到推薦，導致系統(tǒng)中的馬太效應越發(fā)明顯，不利于音樂平臺的長期發(fā)展。基于look-alike框架針對冷門音樂分別進行建模，訓練周期較長，且由于樣本數(shù)量少，模型效果不理想。利用K-means算法對冷門歌曲進行聚類，再投入look-alike框架進行訓練，訓練周期大幅度縮短，且推薦準確率更高。

關鍵詞：Look-alike;kmeans;音樂推薦;冷啟動

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）23-0001-02

1引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展以及智能移動終端的普及，隨時隨地聽音樂已經(jīng)成為當代社會的一種常態(tài)。面對海量音樂，主動檢索和排行榜成為很多人的選擇。推薦系統(tǒng)的推出，可以很好地主動為用戶提供音樂[1]。推薦系統(tǒng)一般需要大量用戶日志信息作為支撐[2]，但是冷門音樂相關訓練數(shù)據(jù)較少，推薦效果不佳，因此需要針對冷啟動狀態(tài)下的音樂制定特殊推薦算法。一種可行的思路是根據(jù)冷門音樂的消費群體，找到與這些用戶相似的目標用戶進行推薦。而look-alike的工作機制就是基于用戶畫像和社交關系找到相似用戶，因此該算法適合用于解決音樂冷啟動問題。但是在該算法框架中，需要為每首音樂進行模型訓練，使得推薦的音樂數(shù)量較少，并且每首音樂消費用戶較少，訓練樣本不足，導致模型準確率不高。K-means算法作為復雜度較低的聚類算法，可以快速地將相似的音樂進行聚類，然后將該群體下音樂集中起來進行訓練，不僅可以擴大樣本數(shù)量，還可以提高look-alike的效率。

2 相關工作

針對推薦系統(tǒng)物品冷啟動問題，很多研究者提出自己的算法。SAVESKI等人[3]綜合考慮物品的內(nèi)容特征和消費該物品的用戶產(chǎn)生的行為特征，將這兩個特征矩陣一起分解。借助矩陣分解可以實現(xiàn)精準的推薦，在此基礎上利用物品的內(nèi)容特征實現(xiàn)物品冷啟動。LIU等人[4]在協(xié)同過濾的基礎上，再次進行內(nèi)容過濾實現(xiàn)物品冷啟動。通過虛擬分配項目的信息文件，在進行內(nèi)容篩選的基礎上，借助傳統(tǒng)的協(xié)同過濾框架得到推薦結果。陳克寒等人[5]基于兩個階段的聚類過程，在考慮圖摘要算法的基礎上，通過常規(guī)的內(nèi)容相似算法，得到較為理想的推薦結果。文獻[6]基于look-alike框架，借助于種子用戶與目標用戶間的行為相似性，達到受眾擴展目的。此外，考慮到種子的不同成員，為了達到目標用戶的自適應學習的健壯性，在局部attention單元的基礎上，還精心設計了全局attention單元。為了降低時間性能消耗，對Seeds進行了聚類操作，不僅訓練變快，而且最大限度地減少了種子信息的丟失。

3 模型介紹

3.1 Look-alike

Look-alike模型由Facebook公司于2013年發(fā)表，最初的目的是為廣告主尋找與已有廣告（種子）類似的潛在用戶群體。本文將冷門音樂作為廣告，根據(jù)已經(jīng)消費過冷門音樂的用戶，發(fā)掘相似的用戶進行音樂推薦，從而提高冷門音樂的熱度，緩解系統(tǒng)中的馬太效應。Look-alike框架根據(jù)具體實現(xiàn)的算法，主要分為三種：基于相似度，基于邏輯回歸以及基于注意力深度學習模型。

（1）基于相似度的look-alike模型

基于相似度的look-alike模型是最直觀、最簡單的一種方法：選取某種相似度評價指標，計算種子用戶與目標用戶的相似度，降序排序并取頭部用戶進行投放。常用的相似度指標包括：余弦相似度和Jaccard系數(shù)。

余弦相似度主要針對具備連續(xù)值屬性特征，具體定義如下：

其中N表示特征數(shù)量，Uik和Ujk分別表示用戶Ui和Uj的第k維特征的取值。

Jaccard系數(shù)主要針對具備離散值屬性特征，具體定義如下：

其中U（i，j）表示用戶Ui和用戶Uj特征值相同，TUik和TUjk分別表示用戶Ui和Uj在k維特征上進行的截斷值。

定義好兩個用戶間的相似度后，需要定義目標用戶Ut與種子用戶群體Seeds間的相似度，主要方式有取最大值simmax和平均值simmeans，具體定義如下：

其中sim（Ut，Us）的計算方式，要根據(jù)具體需求確定。基于相似度的實現(xiàn)方法設計比較簡單，但是當數(shù)據(jù)規(guī)模較大時，時間復雜度比較高。

（2） 基于邏輯回歸的look-alike模型

該方式將look-alike作為概率預測問題，而該問題通常借助二分類任務進行，通過邏輯回歸預測目標用戶的喜歡程度。模型的效果取決于樣本的質(zhì)量，因此數(shù)據(jù)集的生成至關重要。正樣本比較好獲取，可以直接采用種子用戶的行為，對于負樣本一般選擇所有非種子用戶的數(shù)據(jù)。

（3）基于深度學習的look-alike模型

該實現(xiàn)方式最具代表性的是由騰訊發(fā)布的look-alike系統(tǒng)，用于緩解微信的“看一看”中存在的馬太效應。該模型將用戶的行為送入word2vector模型訓練，得到Embedding特征，并且將特征分為離線訓練和在線處理兩部分，并且將常用的softmax改為negative sampling，而損失函數(shù)則采用傳統(tǒng)的sigmoid cross entropy。

3.2 融合K-means模型

本文采用基于邏輯回歸的look-alike模型解決音樂冷啟動問題，模型結構如圖1所示：

傳統(tǒng)的look-alike框架會為每一首音樂訓練模型，并進行推廣。但是這樣會對計算性能要求比較高，訓練周期較長。此外，單首音樂的樣本數(shù)據(jù)較少，模型訓練效果不佳。根據(jù)啟發(fā)式算法，相似的音樂會被同一批人喜歡，這里將所有音樂送入K-means模型進行聚類，將相似的音樂歸入一類進行模型訓練和目標用戶投放。

圖中音樂1和音樂3比較相似，被劃分為一個簇，音樂2、音樂4和音樂5被劃分到另外一個簇。將這兩個簇內(nèi)相關用戶對簇內(nèi)音樂的行為作為正樣本，相關用戶對簇外音樂的行為作為負樣本，分別訓練邏輯回歸模型。最后將目標用戶送入訓練好的模型，提取消費概率最高的用戶進行投放。

4 實驗

本章節(jié)對算法框架進行了詳細的闡述，將通過投放準確度和時間消耗兩方面分別驗證本文所提模型的優(yōu)勢。本文實驗所采用數(shù)據(jù)為真實互聯(lián)網(wǎng)公司脫敏后的用戶行為數(shù)據(jù)。

4.1 評價指標

在投放準確度方面，這里采用AUC評價指標，具體定義如下：

其中Rk表示第k個正樣本所在的位置，i表示正樣本數(shù)量，j表示負樣本數(shù)量。該評價指標的取值范圍為[0，1]，值越大，代表模型的效果越好。

在對模型的時間消耗評價方面，會計算每個模型推送M首音樂時所需要的總時間。總時間分為數(shù)據(jù)預處理、模型訓練、結果預測以及數(shù)據(jù)推送四個步驟。由于數(shù)據(jù)預處理和數(shù)據(jù)推送對每個模型保持一致，因此只計算模型訓練和結果預測的時間進行對比。

4.2 實驗設置

提取用戶的音樂歷史行為，行為類型包括：播放，收藏以及下載。將播放時間小于10秒的用戶行為設置為負樣本，其他行為設置為正樣本。此外，考慮到負樣本數(shù)量太少，將這些用戶對應的其他音樂收藏下載行為也設置為負樣本。

將“用戶-音樂”行為進行倒排，獲取每首音樂對應的用戶數(shù)量UNUM，將UNUM分布在[10，100]的音樂作為冷門音樂進行實驗。數(shù)量小于10的音樂，用戶行為過少，訓練出來的模型效果較差;數(shù)量大于100的音樂，暫時不認定為冷門音樂。

4.3 實驗結果

本文所提模型LAKM（Look-alike based on K-means），首先將所有音樂的以后行為送入K-means模型進行聚類，將相似的音樂作為一個整體，每個簇訓練一個邏輯回歸模型，預測目標用戶對簇的喜歡程度，按照打分降序取TOPN進行推薦。對比模型look-alike直接為每一首音樂訓練邏輯回歸模型并進行投放。具體實驗結果如圖2和圖3所示：

通過實驗結果發(fā)現(xiàn)，本文所提模型LAKM在AUC和TIME上均優(yōu)于對比模型look-alike。LAKM模型通過K-means方法進行聚類，該聚類算法較為簡單，耗時較短，而以簇為單位進行投放，訓練的邏輯回歸數(shù)量遠遠小于對比模型，因此所需時間極大縮減;相較于單首音樂，多首相似音樂的用戶行為明顯較多，訓練出來的模型效果更好，因此能夠更好地進行音樂推送。

5 總結與展望

在利用look-alike框架投放冷門音樂時，需要每一首音樂訓練邏輯回歸模型。利用K-means對冷門音樂進行聚類，找到相似的音樂作為一個整體進行推薦，不僅可以提高樣本數(shù)量，還降低了訓練模型的數(shù)量，在提高投放準確度的同時，降低了訓練時間，使得更多音樂可以得到投放機會，解決音樂推薦的冷啟動問題。在特征選擇方面，只采用了音樂的Embedding特征，后續(xù)將考慮加入更多音樂特征。

參考文獻：

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[5] 陳克寒，韓盼盼，吳健.基于用戶聚類的異構社交網(wǎng)絡推薦算法[J].計算機學報，2013，36（2）：349-359.

[6] Liu Y D，Ge K K，Zhang X，et al.Real-time attention based look-alike model for recommender system[C]//Proceedings of the 25th ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery & Data Mining.Anchorage AK USA.New York，NY，USA：ACM，2019：2765-2773.

【通聯(lián)編輯：聞翔軍】