KDD2019 | 强化学习优化推荐系统长期收益
KDD2019 | 强化学习优化推荐系统长期收益
| 作者：阳光明媚
| 单位：华东师范大学
| 研究方向：推荐系统、强化学习
强化学习在训练agent时，优化的目标是最大化决策所能带来的长期奖励。传统的基于监督学习的推荐系统往往不考虑长期奖励，而是仅考虑短期的收益(例如此刻推荐什么物品点击率最高，或者本日推荐什么转化率最高)。因此，如果可以用强化学习的训练方式来训练推荐系统模型，使得推荐系统可以更多地考虑长期收益，就会使得决策模型眼光更长远，长远来看可能会带来更高的受益。关于推荐系统与强化学习相结合的背景知识，可查阅强化学习推荐系统的模型结构与特点总结。
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这次介绍的文章：Reinforcement Learning to Optimize Long-term User Engagement in Recommender Systems，就是以此为切入点，考虑用强化学习优化交互式推荐的长期用户参与度，原文链接：
https://arxiv.org/pdf/1902.05570.pdfarxiv.org
强化学习之所以可以建模决策的长期收益，奥秘在于其优化目标。监督学习优化目标一般是最小化决策值与标签值的差异，例如二范数。如果我们从“获得奖励”的角度看待监督学习，当模型决策与标签一致或者相似时获得奖励，不一致或者不相似时就得不到奖励甚至得到惩罚，监督学习希望最大化每次决策所能得到的奖励，也就是每次决策都要和标签类似。这样做显然没有从全局考虑问题：在序列化推荐场景中，可能为了得到用户的点击率，模型会重复推荐同一物品，而没有考虑到前面已经反复推荐过该物品了。
而对于强化学习来说，其希望最大化的奖励是长期奖励
，
是没有可以去监督学习的标签的，只能通过最小化TD error的方式去近似：
r是与环境交互时获得的及时奖励，在推荐系统中对应用户的正向行为，例如收藏，下单。
下表对比了强化学习与监督学习在建模奖励上的不同：
学习范式 | 建模的奖励 | 奖励含义 | 动作选择的依据 | 优化目标(最小化) |
|---|---|---|---|---|
强化学习 | Q(s,a) | s状态采取动作a所能得到的长期奖励 | 选择最大化Q的动作 | ∣∣Q(st,at)−(rt+Q(st+1,at+1))∣∣2 |
监督学习 | R(s,a) | s状态采取动作a，环境所返回的即时奖励 | 选择最大化R的动作 | ∣∣R(st,at)−rt∣∣2 |
TD error的训练方式虽然理论上是可行的，但是实践中容易出现过估计(对一些决策过分的高估其
值)，且训练不稳定的问题，这也是强化学习理论性质优美，但在工业界难落地的主要原因。本文所要介绍的京东这篇优化推荐系统长期收益的文章，其实按照论文中的讲解，从头到尾都没有上线测试，但是其中的一些思路还是值得借鉴。
奖励设置
奖励包括即时奖励与延迟奖励，最终的奖励为各种奖励的加权和：
其中
，被拼接起来的三项分别为：
- 即时奖励，用户的点击或者下单行为
- 延迟奖励，用户浏览时长：
- 延迟奖励，用户返回时间：
其中
是超参数，
是两次访问之间的时间间隔。
值函数建模
值函数的形式和DQN相同，就是
，论文对于Q网络画了一张复杂的模型图，但其主要内容都是关于数据的embedding：
f_j代表用户的反馈，如点击，购买，停留，划过等；d_j代表行为持续时间。
整个过程可以概括如下：
得到初始item的embedding后，与用户行为的投影矩阵相乘：
然后与dwell time特征拼接喂给LSTM：
不同的用户行为对应隐特征又会被各自喂入各自的LSTM，进一步提取不同用户行为对应的特征：
拼接user embedding得到最终的状态的表示：
item embdgging作为动作的表示，将状态动作输入MLP，输出作为Q值：
用户模拟器
用户模拟器部分，是用的普通的监督学习模型，加一个多任务学习，输出用户行为类型以及持续时间，是否在线以及下次返回时间，模型结构图：
这里面的state-action embedding部分，与Q网络结构图中的embedding部分一样，可以直接拿来用。
完整算法流程
算法流程图很长，但是整个流程就是简单的四部分：
- 线下的日志数据提取用户行为，预训练用户模拟器
- 推荐策略与用户模拟器交互，收集转移元组
- 根据转移元组训练Q网络
- 根据数据训练用户模拟器
实验效果
文章先做了一些实验，证明自己的模型确实可以捕获用户的长期兴趣，然后有实验证明了本文算法相比于其他base算法在一些短期和长期度量上的优越性，但是一直回避了一个问题，就是用户模拟器的效果对最终模型的效果影响几何？因为文章和base模型对比的实验效果都是从用户模拟器中得来的，用户模拟器的性能因此就至关重要，文章回避了这一点。但是用户模拟器的思路，在虚拟淘宝中也有用到，另外，滴滴的基于深度强化学习的派单系统，据说(叶杰平在报告上说)也用到了类似思路的模拟环境。
