知識(shí)圖譜在推薦系統(tǒng)中可能的應(yīng)用價(jià)值

我們幾乎每天都會(huì)接收到各種各樣的推薦信息，從新聞、購物到吃飯、娛樂。個(gè)性化推薦系統(tǒng)作為一種信息過濾的重要手段，可以依據(jù)我們的習(xí)慣和愛好推薦合適的服務(wù)。但傳統(tǒng)的推薦系統(tǒng)容易出現(xiàn)稀疏性和冷啟動(dòng)的問題，而知識(shí)圖譜作為一種新興類型的輔助信息，近幾年逐漸引起了研究人員的關(guān)注，本文將向大家介紹知識(shí)圖譜的相關(guān)知識(shí)以及知識(shí)圖譜在推薦系統(tǒng)中可能的應(yīng)用價(jià)值。一起來學(xué)習(xí)一下吧！

小王是一名程序員。早上八點(diǎn)，他被鬧鈴叫醒，拿起手機(jī)開始瀏覽手機(jī)上的新聞APP推薦的最新消息：

隨后，小王想起昨晚放在購物車?yán)锏男€沒有下單。于是，他打開了某購物APP，查看了一下自己的購物車：

但是他覺得下面推薦的板鞋似乎更適合自己，于是他買了一雙。

吃完早飯，小王坐地鐵去上班。地鐵上無聊的小王打開了某音樂APP，系統(tǒng)已經(jīng)為他選好了推薦的歌曲：

到了公司后，小王開始繼續(xù)寫沒有完成的代碼，但是始終無法把參數(shù)調(diào)到滿意的水平。有些煩躁的小王想歇一歇，于是打開了某資訊APP，看了幾個(gè)為他推薦的話題：

就在他認(rèn)真閱讀的時(shí)候，經(jīng)理注意到了他不在干活，很生氣，于是嚴(yán)肅地批評(píng)了小王。小王感到很委屈，這時(shí)手機(jī)里的某求職類APP給他發(fā)來了推送：

小王覺得這幾個(gè)職位都挺適合自己的，于是心里有了跳槽的打算。到了午飯時(shí)間，小王打開了某外賣APP，查看了一下系統(tǒng)推薦的附近餐廳：

小王一邊吃著剛剛送來的外賣，一邊瀏覽著某娛樂類APP，查看適合晚上和女朋友一起觀看的演出推薦：

晚上看完演出，小王和女朋友都非常滿意，覺得這個(gè)APP的系統(tǒng)推薦很棒。

推薦系統(tǒng)

跟小王一樣，我們幾乎每個(gè)人每天都會(huì)使用多個(gè)APP中的推薦功能，這些功能的背后都是個(gè)性化推薦系統(tǒng)（personalized recommender systems）。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，接入互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器數(shù)量和網(wǎng)頁數(shù)量也呈指數(shù)級(jí)上升。用戶面臨著海量的信息，傳統(tǒng)的搜索算法只能呈現(xiàn)給用戶（user）相同的物品（item）排序結(jié)果，無法針對(duì)不同用戶的興趣愛好提供相應(yīng)的服務(wù)。信息爆炸使得信息的利用率反而降低，這種現(xiàn)象被稱為信息超載（information overload）。

推薦問題從本質(zhì)上說就是代替用戶評(píng)估其從未看過、接觸過和使用過的物品，包括書籍、電影、新聞、音樂、餐館、旅游景點(diǎn)等。推薦系統(tǒng)作為一種信息過濾的重要手段，是當(dāng)前解決信息超載問題的最有效的方法之一，是面向用戶的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的核心技術(shù)。

推薦系統(tǒng)的任務(wù)和難點(diǎn)

按照預(yù)測(cè)對(duì)象的不同，推薦系統(tǒng)一般可以分成兩類：一類是評(píng)分預(yù)測(cè)（rating prediction），例如在電影類應(yīng)用中，系統(tǒng)需要預(yù)測(cè)用戶對(duì)電影的評(píng)分，并以此為根據(jù)推送其可能喜歡的電影。這種場(chǎng)景下的用戶反饋信息表達(dá)了用戶的喜好程度，因此這種信息也叫顯式反饋（explicit feedback）；另一類是點(diǎn)擊率預(yù)測(cè)（click-through rateprediction），例如在新聞?lì)悜?yīng)用中，系統(tǒng)需要預(yù)測(cè)用戶點(diǎn)擊某新聞的概率來優(yōu)化推薦方案。這種場(chǎng)景下的用戶反饋信息只能表達(dá)用戶的行為特征（點(diǎn)擊/未點(diǎn)擊），而不能反映用戶的喜愛程度，因此這種信息也叫隱式反饋（implicit feedback）。

傳統(tǒng)的推薦系統(tǒng)只使用用戶和物品的歷史交互信息（顯式或隱式反饋）作為輸入，這會(huì)帶來兩個(gè)問題：一，在實(shí)際場(chǎng)景中，用戶和物品的交互信息往往是非常稀疏（sparse）的。例如，一個(gè)電影類APP可能包含了上萬部電影，然而一個(gè)用戶打過分的電影可能平均只有幾十部。使用如此少量的已觀測(cè)數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)大量的未知信息，會(huì)極大地增加算法的過擬合（overfitting）風(fēng)險(xiǎn)；二，對(duì)于新加入的用戶或者物品，由于系統(tǒng)沒有其歷史交互信息，因此無法進(jìn)行準(zhǔn)確地建模和推薦，這種情況也叫做冷啟動(dòng)問題（cold start problem）。

解決稀疏性和冷啟動(dòng)問題的一個(gè)常見思路是在推薦算法中額外引入一些輔助信息（side information）作為輸入。輔助信息可以豐富對(duì)用戶和物品的描述、增強(qiáng)推薦算法的挖掘能力，從而有效地彌補(bǔ)交互信息的稀疏或缺失。常見的輔助信息包括：

社交網(wǎng)絡(luò)（social networks）：一個(gè)用戶對(duì)某個(gè)物品感興趣，他的朋友可能也會(huì)對(duì)該物品感興趣；

用戶/物品屬性（attributes）：擁有同種屬性的用戶可能會(huì)對(duì)同一類物品感興趣；

圖像/視頻/音頻/文本等多媒體信息（multimedia）：例如商品圖片、電影預(yù)告片、音樂、新聞標(biāo)題等；

上下文（context）：用戶-物品交互的時(shí)間、地點(diǎn)、當(dāng)前會(huì)話信息等。

……

如何根據(jù)具體推薦場(chǎng)景的特點(diǎn)將各種輔助信息有效地融入推薦算法一直是推薦系統(tǒng)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，如何從各種輔助信息中提取有效的特征也是推薦系統(tǒng)工程領(lǐng)域的核心問題。

知識(shí)圖譜

在各種輔助信息中，知識(shí)圖譜作為一種新興類型的輔助信息近幾年逐漸引起了研究人員的關(guān)注。知識(shí)圖譜（knowledge graph）是一種語義網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)點(diǎn)（node）代表實(shí)體（entity）或者概念（concept），邊（edge）代表實(shí)體/概念之間的各種語義關(guān)系（relation）。一個(gè)知識(shí)圖譜由若干個(gè)三元組（h、r、t）組成，其中h和t代表一條關(guān)系的頭結(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)，r代表關(guān)系。

上圖展示的三元組表達(dá)了“陳凱歌導(dǎo)演了霸王別姬”這樣一條事實(shí)，其中h=陳凱歌、t=霸王別姬、r=導(dǎo)演。

知識(shí)圖譜包含了實(shí)體之間豐富的語義關(guān)聯(lián)，為推薦系統(tǒng)提供了潛在的輔助信息來源。知識(shí)圖譜在諸多推薦場(chǎng)景中都有應(yīng)用的潛力，例如電影、新聞、景點(diǎn)、餐館、購物等。和其它種類的輔助信息相比，知識(shí)圖譜的引入可以讓推薦結(jié)果更加具有以下特征：

精確性（precision）。知識(shí)圖譜為物品引入了更多的語義關(guān)系，可以深層次地發(fā)現(xiàn)用戶興趣；

多樣性（diversity）。知識(shí)圖譜提供了不同的關(guān)系連接種類，有利于推薦結(jié)果的發(fā)散，避免推薦結(jié)果局限于單一類型；

可解釋性（explainability）。知識(shí)圖譜可以連接用戶的歷史記錄和推薦結(jié)果，從而提高用戶對(duì)推薦結(jié)果的滿意度和接受度，增強(qiáng)用戶對(duì)推薦系統(tǒng)的信任。

這里值得一提的是知識(shí)圖譜和物品屬性的區(qū)別。物品屬性可以看成是在知識(shí)圖譜中和某物品直接相連的一跳（1-hop）的節(jié)點(diǎn)，即一個(gè)弱化版本的知識(shí)圖譜。事實(shí)上，一個(gè)完整的知識(shí)圖譜可以提供物品之間更深層次和更長范圍內(nèi)的關(guān)聯(lián)，例如，“《霸王別姬》-張國榮-香港-梁朝偉-《無間道》”。正因?yàn)橹R(shí)圖譜的維度更高，語義關(guān)系更豐富，它的處理也因此比物品屬性要更加復(fù)雜和困難。

一般來說，現(xiàn)有的可以將知識(shí)圖譜引入推薦系統(tǒng)的工作分為兩類：

以LibFM[1]為代表的通用的基于特征的推薦方法（generic feature-based methods）。這類方法統(tǒng)一地把用戶和物品的屬性作為推薦算法的輸入。例如，LibFM將某個(gè)用戶和某個(gè)物品的所有屬性記為x，然后令該用戶和物品之間的交互強(qiáng)度y(x)依賴于屬性中所有的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)：

基于該類方法的通用性，我們可以將知識(shí)圖譜弱化為物品屬性，然后應(yīng)用該類方法即可。當(dāng)然，這種做法的缺點(diǎn)也顯而易見：它并非專門針對(duì)知識(shí)圖譜設(shè)計(jì)，因此無法高效地利用知識(shí)圖譜的全部信息。例如，該類方法難以利用多跳的知識(shí)，也難以引入關(guān)系（relation）的信息。

以PER [2]、MetaGraph[3]為代表的基于路徑的推薦方法（path-based methods）。該類方法將知識(shí)圖譜視為一個(gè)異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)（heterogeneous information network），然后構(gòu)造物品之間的基于meta-path或meta-graph的特征。簡單地說，meta-path是連接兩個(gè)實(shí)體的一條特定的路徑，比如“演員->電影->導(dǎo)演->電影->演員”這條meta-path可以連接兩個(gè)演員，因此可以視為一種挖掘演員之間的潛在關(guān)系的方式。這類方法的優(yōu)點(diǎn)是充分且直觀地利用了知識(shí)圖譜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)是需要手動(dòng)設(shè)計(jì)meta-path或meta-graph，這在實(shí)踐中難以到達(dá)最優(yōu)；同時(shí)，該類方法無法在實(shí)體不屬于同一個(gè)領(lǐng)域的場(chǎng)景（例如新聞推薦）中應(yīng)用，因?yàn)槲覀儫o法為這樣的場(chǎng)景預(yù)定義meta-path或meta-graph。

知識(shí)圖譜特征學(xué)習(xí)

知識(shí)圖譜特征學(xué)習(xí)（Knowledge Graph Embedding）為知識(shí)圖譜中的每個(gè)實(shí)體和關(guān)系學(xué)習(xí)得到一個(gè)低維向量，同時(shí)保持圖中原有的結(jié)構(gòu)或語義信息。事實(shí)上，知識(shí)圖譜特征學(xué)習(xí)是網(wǎng)絡(luò)特征學(xué)習(xí)（network embedding）的一個(gè)子領(lǐng)域，因?yàn)橹R(shí)圖譜包含特有的語義信息，所以知識(shí)圖譜特征學(xué)習(xí)比通用的網(wǎng)絡(luò)特征學(xué)習(xí)需要更細(xì)心和針對(duì)性的模型設(shè)計(jì)。一般而言，知識(shí)圖譜特征學(xué)習(xí)的模型分類兩類：

基于距離的翻譯模型（distance-based translational models）。這類模型使用基于距離的評(píng)分函數(shù)評(píng)估三元組的概率，將尾節(jié)點(diǎn)視為頭結(jié)點(diǎn)和關(guān)系翻譯得到的結(jié)果。這類方法的代表有TransE、TransH、TransR等；

基于語義的匹配模型（semantic-based matching models）。這類模型使用基于相似度的評(píng)分函數(shù)評(píng)估三元組的概率，將實(shí)體和關(guān)系映射到隱語義空間中進(jìn)行相似度度量。這類方法的代表有SME、NTN、MLP、NAM等。

由于知識(shí)圖譜特征學(xué)習(xí)為每個(gè)實(shí)體和特征學(xué)習(xí)得到了一個(gè)低維向量，而且在向量中保持了原圖的結(jié)構(gòu)和語義信息，所以一組好的實(shí)體向量可以充分且完全地表示實(shí)體之間的相互關(guān)系，因?yàn)榻^大部分機(jī)器學(xué)習(xí)算法都可以很方便地處理低維向量輸入。因此，利用知識(shí)圖譜特征學(xué)習(xí)，我們可以很方便地將知識(shí)圖譜引入各種推薦系統(tǒng)算法中。概括地說，知識(shí)圖譜特征學(xué)習(xí)可以：

降低知識(shí)圖譜的高維性和異構(gòu)性；

增強(qiáng)知識(shí)圖譜應(yīng)用的靈活性；

減輕特征工程的工作量；

減少由于引入知識(shí)圖譜帶來的額外計(jì)算負(fù)擔(dān)。

在本篇中，我們分別介紹了推薦系統(tǒng)、知識(shí)圖譜、以及知識(shí)圖譜在推薦系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值。作為推薦算法的輔助信息，知識(shí)圖譜的引入可以極大地提高推薦系統(tǒng)的精準(zhǔn)性、多樣性和可解釋性。在下周的文章中，我們將詳述將知識(shí)圖譜引入推薦系統(tǒng)的各種思路與實(shí)現(xiàn)，敬請(qǐng)期待！

參考文獻(xiàn)

[1] Factorization machines with libfm

[2] Personalized entity recommendation: A heterogeneous information network approach

[3] Meta-graph based recommendation fusion over heterogeneous information networks

[4] Knowledge graph embedding: A survey of approaches and applications