精通推荐算法4：经典DNN框架特征交叉模型 Deep Crossing（面试必备）_深度交叉神经网络推荐

微软2016年提出的Deep Crossing模型奠定了深度学习精排模型的基本架构，具有十分重要的意义。它采用“Embedding + MLP”的结构，成为目前推荐算法的基本范式。通过深度神经网络，实现大规模特征自动组合，大大减少了对人工构造交叉组合特征的依赖和开销。同时将残差网络第一次落地到推荐算法中，优化深度学习反向传播梯度弥散和过拟合等问题。并且完整解决了特征工程、Embedding稀疏向量稠密化等各种关键问题。虽然发表距今已有很多年，但仍然是一个非常重要的模型。

Deep Crossing论文地址，微软，2016年，KDDhttps://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/2939672.2939704

1 Deep Crossing业务背景和特征体系

Deep Crossing是微软于2016年在 “Deep Crossing: Web-Scale Modeling without Manually Crafted Combinatorial Features”[1]一文中提出，应用于其Bing搜索引擎的广告推荐中。用户输入搜索词后，搜索引擎在展示常规搜索结果时，会同时插入与搜索词相关的广告。广告主为广告的曝光、点击和转化付费，平台从而获得收益。在搜索引擎中，用户通过搜索词给出了自己的主动意图，所以与搜索词相关的广告通常都可以有不错的转化。谷歌、百度等搜索引擎行业的头部公司，其搜索广告业务均占有其公司总收入的很大比重。因此提升搜索广告的点击和转化，显然是一件非常重要且有意义的事情。

在传统机器学习算法中，我们一般需要搜集尽可能多的输入特征，从而对新的实例进行预测和分类。只使用原始特征，一般较难取的好的效果。在工业界和学术界，我们通常都需要花费很大一部分精力，对原始特征进行处理。一种重要的处理方法是，对多个原始特征进行交叉组合，然后将产出的新特征输入到机器学习模型中。特征交叉可以很好的提升模型表达能力，但如何做交叉一直是一个难题。Deep Crossing出现以前，大多数情况下还是通过手工构造交叉特征。在特征量大的场景下（比如搜索、推荐、广告），手工构造交叉特征，搜索空间十分大，成本会急剧上升。Deep Crossing创造性的提出用深度神经网络进行自动特征交叉，并在工业化场景下端到端完成了原始特征输入、Embedding降维、深度神经网络进行特征交叉、自动拟合目标等整个过程。

搜索广告场景主要包括用户侧特征、广告侧特征和上下文特征。目标是在指定的搜索词下，将最符合用户意图的广告展示给用户，从而提升用户体验和平台各项指标。使用的特征主要有：

1. 搜索词（Query）：用户在搜索框中输入的一段文本

2.  广告关键词（Keyword）：广告主标记的广告关键词，用于匹配用户的搜索词

3. 广告标题（Title）：广告的标题，也是一段文本

4. 广告落地页（Landing page）：用户点击广告后的跳转页面，一般也是广告主来提供

5. 匹配类型（Match Type）：广告关键词和用户搜索词的匹配类型，主要有完全匹配、短语匹配、宽泛匹配和上下文匹配。

6. 广告计划（Campaign）：广告的配置信息，比如广告预算、目标位置等

7. 广告曝光（Impression）：广告展示给用户的一次曝光实例，一般在运行时，和其他信息一起被日志系统记录下来。 

8. 广告点击（Click）：用户对广告的一次点击实例，一般也是在运行时，和其他信息一起被日志系统记录下来。

9. 点击率（Click through rate）：广告的总点击数，除以广告的总曝光数。也就是广告被点击的后验概率。它能很大程度上反应广告未来被点击的概率，是搜索推荐广告系统中十分重要的后验统计数据。

10. 点击预估（Click Prediction）：另一个模型对广告CTR的预估值

上述特征主要分为两大类：类别型特征和数值型特征。

1. 类别型特征：又叫ID型特征，它们一般是可枚举的。比如上述特征中的搜索词、广告关键词、广告标题、广告落地页、匹配类型、广告计划等，都属于类别型特征。类别型特征可以通过独热（one-hot）或者多热（multi-hot）进行编码。但如果特征枚举值比较多，比如上述中的广告计划，其枚举值是百万量级，会极大的增加模型体积。Deep Crossing怎么解决这一问题的呢？它将广告计划ID，按照历史点击数从高到底排序，取前10000个，编号从0到9999。剩下的共享同一个ID，编号为10000。通过这种长尾共享同一个ID的方式，可以优化枚举值过多，带来的模型体积剧增问题。这应该算是最早的Group Embedding方案吧。类别型特征枚举值过多，是我们经常会碰到的难题。它会导致模型体积过大、特征Embedding不收敛等问题。

2. 数值型特征：文中又叫计数型特征（counting feature），它们一般是连续数值，不可枚举。比如上述特征中的点击率、点击预估等，都属于数值型特征。数值型特征一般分为两种处理方法。一种是直接将其特征值，拼接到堆叠层（Stacking Layer）的特征向量中。Deep Crossing等早期的模型一般采用这种方法。实现比较简单，但泛化能力不足，容易受异常值干扰。另一种是将数值型特征进行离散化，构建为可枚举的ID，然后再进行Embedding，最后和其他特征一起拼接到堆叠层中。这种方法实现复杂一些，但泛化能力强，抗噪能力也不错，还能为模型添加一定的非线性能力。目前大多数精排模型都采用这种方法。

2 Deep Crossing网络结构

今天回过头来看，Deep Crossing是一个相当普通的模型，它没有涉及到行为序列建模、记忆和泛化的处理、多任务建模等技术。但在当年却极为重要，它将深度学习应用到了搜索推荐场景，并展示了很多工业界完整落地的细节。当时主要难点有：

1. 如何自动构建交叉特征。在Deep Crossing的年代，人们已经充分验证了交叉特征的重要性。但大多数情况下，特征交叉需要手工完成，会带来极大的成本。特别是搜索广告这种特征数量特别多的网络应用场景下，手工构建交叉特征几乎不可行。Deep Crossing使用深度神经网络，实现了自动构建交叉特征。

2. 如何实现稀疏特征编码。通常情况下可以通过独热或者多热进行稀疏特征编码，然后再输入到模型中。但如果特征过于稀疏，枚举值过多，则会导致模型体积过大，无法有效训练和上线。Deep Crossing一方面采用Embedding降维的方式，实现了稀疏特征稠密化，并降低模型体积。另一方面对长尾ID进行聚合，同样大大降低了模型体积。

3. 如何实现模型整个链路的端到端监督学习。Deep Crossing之前，虽然已经有论文在推荐场景中应用了深度学习，但工业界还没有模型可以整个链路端到端监督学习。Deep Crossing构建模型输出层和真实标签之间的损失，来充分拟合目标，从而实现端到端监督学习。

下面详细分析Deep Crossing的模型结构，从而理解这三个问题是如何得到解决的。Deep Crossing主要包括四层，从下到上，依次为Embedding层、Stacking层、Multiple Residual Units层和Scoring层。如下图所示。

2.1 Embedding层

Embedding层将高维稀疏的输入特征，转变为低维稠密的特征。推荐算法的Embedding层一般占了模型很大一部分体积。因此对于枚举值较多的特征，比如上述的广告计划（Campaign），Deep Crossing会让长尾者共享相同的ID，从而大幅降低特征枚举值，减小模型体积，保证可以顺利上线。对于搜索词和广告关键词等高维特征，Deep Crossing将他们的维度设置为256。维度低于256的特征，比如数值型特征，如图4-2中的特征2，则不需要进行Embedding，直接合并到Stacking层中。

Embedding层作为当前绝大多数推荐模型的第一层，包含了大部分的模型参数，其作用至关重要，相比于独热编码，优势主要有三点：

1. 将高维稀疏的输入特征，转变为低维稠密的输出特征，实现降维和信息压缩。从而保证模型体积可控，最终可以顺利训练和上线。通常情况下，Embedding后的向量长度，要远小于独热编码向量长度。

2. 特征语义化，提升模型泛化能力。同一特征组内，Embedding相似度较高的，其语义也是相近的，从而保证模型的泛化能力和鲁棒性。比如搜索词为“手机保护壳”和“手机套”时，广告结果应该大体相近。独热编码则没有这个能力。

3. 可以与模型其他层参数一起，端到端训练更新。从而使得参数更加合理和准确。而独热编码的参数一般是不变的。

Embedding表征学习，作用大，难度高，是推荐算法精排模块中的重要研究方向。Embedding训练如何加快收敛，如何提升实时性？高维稀疏ID特征，向量维度大，枚举值多，如何降低参数量和模型体积？长尾ID特征样本不足，训练不充分，如何提升参数准确度？近年来，Graph Embedding、迁移学习等越来越多的方法不断涌现出来。

2.2 Stacking层

这一层比较简单，把Embedding层输出的特征向量，和没有经过Embedding处理的特征向量合并成一个长向量，然后输出给下一层。

2.3 Multiple Residual Units层

由多层残差单元（Residual Unit）堆叠而成。计算机视觉领域，由残差单元作为基本结构的ResNet[2]模型，一举夺得2015年ImageNet比赛冠军。它创造性的提出了残差单元，使得模型深度达到了惊人的152层，将深度学习推向了新的高度。Deep Crossing借鉴了ResNet的思想，在它的基础上做了一定修改，去掉了卷积网络。这是第一次将残差网络，应用到了计算机视觉之外的领域。

残差单元的结构如下图所示。原始输入特征经过两层全连接和ReLU激活变换后，得到输出特征。然后再将输出特征和原始输入特征相加，得到最终输出。

Multiple Residual Units层，由多层残差单元堆叠而成。这一层通过深度神经网络，实现了特征自动交叉，从而大大降低了人工构造交叉特征带来的成本，并提升了模型表达能力，和预估准确率。作者在实验中发现，Deep Crossing相比其他网络，泛化能力更好。它可以应用到各种不同的任务中。这跟残差网络起到了一定的正则作用，从而保证模型稳定性和鲁棒性，有一定的关系。

文中还对特征交叉时间点先后的问题进行了研究。Deep Crossing在堆叠层特征合并之后，就进行了特征交叉。而DSSM双塔模型，则只在最后一层，通过余弦相似度计算，实现特征交叉，比Deep Crossing要晚很多。实验结果证明，特征交叉早的Deep Crossing模型，效果要优于DSSM。一方面是因为Deep Crossing特征交叉更为充分，其每一层全连接都在进行特征交叉。另一方面特征交叉晚，导致底层低阶特征没有实现交叉，只是在上层高阶特征上完成了交叉。所以特征交叉一定要尽可能的早，尽可能的充分。目前粗排模型受困于性能问题，很多场景仍然在使用DSSM，导致缺少了特征交叉。如何在粗排中实现充分的特征交叉，是目前一个重要的研究方向。

2.4 Multiple Residual Units层Scoring层

模型的输出层。点击率预估是个经典的二分类问题，输出层一般有两种实现：

1. Sigmoid变换，此时上一层的输出是一个标量。将其归一化为0到1之间数值，代表点击的概率。Deep Crossing采用了这一方法。

2. Softmax变换，此时上一层的输出是一个向量，向量长度为预估类别的数量。比如二分类问题，向量长度则为2。将输出向量归一化为0到1之间数值，向量中每个值代表每个类别的预估概率。

目标函数：Deep Crossing采用了LogLoss，但也可以采用Softmax等其他函数。

3 Deep Crossing总结

Deep Crossing是深度学习应用到推荐算法中的一个革命性模型。它通过深度神经网络，实现了特征自动交叉，并第一次将残差网络应用到了计算机视觉之外的领域，大大提升了模型表达能力。它通过Embedding向量编码，解决了高维稀疏特征的建模问题，一举奠定了“Embedding + MLP”的深度学习推荐系统范式。它是工业界第一次实现深度学习推荐模型端到端训练，并披露了很多其中的细节，为后来工业界大规模应用深度学习打下了坚实的基础。

4 伪代码

5 实验效果

6 参考文献

[1] Ying Shan, T Ryan Hoens, et al. 2016. Deep crossing: Web-scale modeling without manually crafted combinatorial features. In Proceedings of the 22nd ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining. ACM, 255–262.

[2] K. He, X. Zhang, S. Ren, and J. Sun. Deep residual learning for image recognition. arXiv preprint arXiv:1512.03385, 2015.

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