他山之石 | 腾讯图神经网络与推荐预训练模型

作者 | 宋重钢@腾讯 整理 | DataFunTalk

大家好，这里是NewBeeNLP。今天分享腾讯图神经网络与推荐预训练模型。主要包括以下几部分内容：

• 预训练模型目标与核心问题
• 推荐系统场景中的预训练模型
• 预训练模型的服务模式
• 图神经网络预训练案例分享

01

预训练模型⽬标与核⼼问题

1. 预训练模型的发展历程

随着深度学习在各领域的快速发展，我们逐渐发现，基于监督信息的深度学习⽅法对标注样本有极强的依赖性，这⼀定程度地限制了模型从海量的⽆标注数据中提取信息的能⼒。在学术界中，从⾃然语⾔处理（NLP）到计算机视觉（CV）的领域，为了充分地利⽤海量的语料和图⽚中所蕴含的信息，基于神经⽹络的预训练模型从2003年的NNLM提出的word embedding的概念开始，就迎来了能够取得良好效果的预训练框架，包括2019年的BERT，2021年的MAE等。这些都是在学术界极具影响⼒的模型。

⽽在图神经⽹络⽅⾯，最早期的⽅法主要是基于路径重构的⽅法，包括Node2Vec，Methpath2Vec等⼀类⾃监督模型。⽽后诞⽣了⼀些基于AutoEncoder和对⽐学习（CL）的⽅法。这些都为图⽹络预训练提供了更多的技术选择。

在⼯业场景下，预训练模型同样有着许多的优势和应⽤。

2. 预训练⽬标

预训练的⽬标主要有以下三点：

①打通数据孤岛，充分利⽤全域信息有效帮助下游任务。

②整合不同任务信息到同⼀通⽤表征空间，减少过拟合⻛险。

③为新⽤户/新场景/⻓尾情景带来丰富信息，解决稀疏标注样本的问题。

以上图⽚展示了预训练模型通⽤的模式：在获取到海量的全域数据后，通过⾃监督学习的⽅式去提取user 和item等多种实体的表征；同时，利⽤跨域的辅助样本对模型参数进⾏预训练；最后通过⽬标域样本对模型进⾏Fine-tuning的操作得到⽬标模型，达到提升⽬标任务的⽬的。

3. 预训练核⼼问题

在选择预训练模型的过程中，需要考虑以下的三个核⼼问题：

①如何利⽤全域数据⾃监督学习？

诸如⽣成模型，对⽐模型，对抗模型都是⼗分出⾊的技术，如何选择合适的模型进⾏学习是值得思考的问题。

②如何找到最契合⽬标任务的⽹络结构？

从针对⾃然语⾔处理任务的BERT模型，到针对社交⽹络、⾏为⽹络的GNN及其变体，当拥有具体的业务需求之后，应当根据具体任务去选择最契合的⽹络结构。

③如何找到通⽤的迁移泛化结构？

考虑到⼯业中需求，将预训练模型中的参数泛化到通⽤模型中，也有着如Meta learning，Contrative learning等⽅法。

02

推荐系统场景中的预训练模型

1. 推荐场景中的预训练模型分类

在推荐场景中的预训练模型分类中，根据数据的组织形式及跨域信息迁移⽅式可以分为很多⼦类别。

在基于数据的组织形式分类中，可以根据⾏为序列及⾏为⽹络进⾏进⼀步的划分。根据跨域信息迁移⽅式进⾏分类，则可以根据元学习与多⽬标学习分为两⼤类别。

2. 图神经⽹络在推荐场景的优势

为什么我们选择在推荐场景中运⽤图神经⽹络的⽅式？源于图神经⽹络在其中有着⾮常明显的优势：

①契合数据：图⽹络结构是推荐系统数据的天然组织形式社交⽹络

• ⾏为⽹络
• 知识图谱

②信息丰富：结合图论知识，提取⾼阶关系信息

• PPR-based sampling
• k-Clique/Centrality measures

③包罗万象：兼容传统深度神经⽹络结构，融合节点特征表达

3. 团队算法演进⽅向：技术与业务相辅相成

从2016-2019年，团队⼀直着⼒研究⼴告召回的业务，其中2016-2018注重于⾃监督模型的构建与落地；⾃2018 年起，团队跟进了在学界与业界中⽐较成功的图神经⽹络技术模型。从2019年下半年开始，团队深度参与到视频 号，直播号的召回，及订阅号召回与⼴告特征提取的业务中，在直接加⼊到推荐系统场景的背景下，团队在GNN 模型上有着出⾊的改进与落地。再往后的发展中，团队更多关注⼤规模图神经⽹络预训练的技术发展上，并且希望能够为更多业务提供应⽤。

03

预训练模型的服务模式

预训练模型主要的服务模式分为三种：

①特征：为下游模型补充特征，通过预训练模型提取多域信息，丰富⽤户特征表达。

②召回：直接将预训练所产⽣的user和item的embeddings通过计算的⽅式来进⾏召回。召回过程中可以适配多种业务形态和⽬标，融合域外信息激活新⽤户/场景。

③⼦模型：将预训练模型作为⼦模型的结构，直接加⼊下游模型，保留预训练模型的模型参数和对特征的抽象能⼒。

1. 预训练结果作为下游模型特征

⽅案⼀：离散/连续特征分别建模，最终层concat。

⽅案⼆：把embedding特征转换为⼀个离散特征，与其他离散特征交叉。

⽅案三：根据embedding产出topK的ID list作为离散特征。

2. 预训练结果作为召回

①形式⼀：兴趣召回

在获取users与items的embeddings后，直接计算两套embeddings的相似度进⾏兴趣召回。

②形式⼆：跨域兴趣召回

在特定场景中，⽬标⽤户在⼴告域的⾏为⾮常少，但该⽤户会实时地点进公众号，从⽽产⽣与公众号界⾯的交互⾏为，这体现了⽤户对公众号的实时兴趣。因此我们可以通过公众号的embeddings与⼴告的embeddings做⼀个SimSvr近邻查找，将与其交互过⼴告召回给⽤户。

③形式三：作者冷启动召回

在⼀些成熟的推荐系统中，新加⼊的作者发布的作品⽐较难以被⽤户发现，⽐如在视频号⾥⾯，已经存在⼀批头部的视频号作者，相⽐较之下，冷启动的作者作品就⽐较难被⼈看到，这会⼀定程度损伤这些作者的创作积极 性。⽽在作者冷启动召回的做法当中，基于作者的创作与消费的作品具有相似性的原则，当⽬标⽤户进⼊系统中后，我们会根据⽤户与冷启动作者的消费兴趣计算出作者的embeddings，从⽽查找出与该⽤户具有相似消费兴趣的同好作者，当这类作者有发表作品的⾏为后，则会将其作品召回给⽬标⽤户。

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图神经⽹络预训练案例分享

1. 案例⼀：跨域兴趣召回GNN

在微信直播业务起步阶段，每天会有⼤量的新⽤户通过微信发现⻚的红点进⼊到直播推荐⻚⾯，但是这些⽤户中，有观看或点击主播⾏为的占⽐⾮常少。然⽽我们观察到，这些⽤户在其他域⾥⾯是有⾮常丰富的兴趣⾏为，⽐如他可能看过⾮常多的公众号的⽂章或有看过⾮常多的短视频。同时，在微信中，我们也注意到⽤户好友和好友之间是具有社交同质性的，在社交关系中，蕴藏着⽤户和⽤户之间的相似兴趣。基于以上的观察，我们就提出了想要通过GNN去实现跨越兴趣和社交信息的建模，来为新⽤户做补充召回。

抱着这样的⽬的，我们起始的模型设计如下图，红⾊虚线框⾥是我们底图，该底图包括的节点有⽤户直播间和⽤户或items的属性，其边信息包括⽤户对直播间的观看⾏为或好友关系等。

基于该底图，我们对于每⼀个节点就可以进⾏图卷积的操作来提取其特征，这⾥设计了多个Metapath来做进⾏多路图卷积。

此处设计的Metapath，我们为⽤户和items分别设计了三路的Metapath。

⽤户侧有基于⽤户⾃身对于直播间的观看⾏为的Metapath，⽤户看过的直播间特征可以聚合到⽤户上。另外，有基于社交关系的协同信息提取，⽐如⽤户的好友观看的items，我们可以把这些items的信息聚合到该⽤户上。还有基于静态属性的协同，跟⽤户具备相同属性的其他⽤户特征，也可以聚合到⽤户上，如年龄、性别等基础属性。

在items侧也是类似的，我们提出了三路的卷积路径设计。⾸先第⼀路是直接把⽐较相似的items信息直接进⾏传播，聚合到⽬标的items上。或通过⽤户⾏为来进⾏协同过滤，即看过当前⽬标item的⽤户还看过哪些其他直播间，这些直播间的信息也可以通过这⼀路卷积到当前⽬标item上。第三路同样是通过静态属性的协同，即具备相同的属性，⽐如直播间的类⽬相同，如皆为购物的直播间，直播间两两之间的信息则能够通过静态属性进⾏扩散。

具备多路图卷积后，每⼀路会产⽣出来⼀个embedding，把embeddings进⾏pooling之后送⼊dense层，则会产⽣出对应的user或item的embeddings。此处的user和item的embedding则会计算相似度，与⽤户在直播领域的⾏为作⽐对，最终计算出⼀个U-I loss，也叫recommend loss。在打分阶段，我们会直接把产⽣的⽤户和items的embeddings作为⼀个embedding的输出，去提供给下游的业务使⽤。

但在这个模型设计⾥，其实并没有使⽤到⽤户的域外⾏为。基于这样的考虑，我们会把side-item加⼊到底图的构造中，直接通过 item到⽤户的⾏为，将item的信息卷积到当前的⽤户身上，增加⼀路图卷积的embeddings。

但在这个模型设计中，训练的样本⼤部分是在直播间已经是⽐较活跃的⽤户，这会导致整个模型过度拟合⽬标域，对新⽤户并不友好。

因此，我们提出了以下优化⽅向。

思路：通过其他⾏为来对⽤户和items的embeddings进⾏监督，如果两个⽤户在域外的⾏为是⾮常接近，那么我们认为这两个⽤户的embeddings是⾮常接近的，同理对于items来说也如此。

⽅案：我们把连接了⾜够多共同Side-item或共同属性的⽤户节点，直接构造出邻接矩阵，构造重构loss。这种⽅ 式把⽤户在其他域的⾏为作为监督信息加⼊到整个模型的训练当中，使得模型不再仅仅是拟合⽬标域的⾏为，从⽽可以解决过度拟合⽬标域⾏为的问题。

在重构的loss的权重分配中，借鉴了多⽬标模型的思想，为每⼀个重构loss都赋予了可以学习的权重进⾏⾃动调节。

优势：使得新⽤户也可以通过其他域的⾏为收到监督信息，使得其user embeddings提取的信息更加⾃信。也在新⽤户召回中取得了显著收益。

2. 案例⼆：多⽬标GNN特征提取

在订阅号信息流的⼴告推荐的模型中进⾏特征补充，在⼴告的⽬标域⾥⾯，⼴告的样本⾮常稀疏，⼤量的⽤户缺少⼴告点击和⼴告转化⾏为，但是这些⽤户的阅读⾏为⾮常丰富。

基于这⼀产品形态，我们希望⼴告卡⽚和订阅号⽂章的内容是紧密关联的。因此我们提出GNN提取⽤户在订阅号的⾏为作为特征，来补充到⼴告的精排模型⾥，为⼴告的精排模型提供额外的信息。

基础的模型设计如下。

在底图上，我们构造了⼴告和公众号共同存在的异构⽹络，节点就包括了⽤户⼴告和公众号的⽂章，⽽边则是⽤户的⼴告点击和⼴告转化的⾏为，以及⽤户之间的好友关系。

该模型的卷积路径设计，在user侧有三路不同的Metapath，分别是⽤户在⼴告域的⾏为，其点击或者转化过的⼴告的信息聚合到⽤户上，其好友的信息亦然。公众号跨域的信息，也可以把⽤户在公众号域的消费的⽂章对应的信息聚合到⽤户上。

⽽在⼴告侧的items，有着两路的卷积设计，⼀个是⼴告可以通过其相似的⼴告来做聚合。⼆是通过⽤户⾏为来做协同，可以把其他⼴告的信息聚合到当前的⼴告上⾯。

当拥有图卷积产⽣出来的embeddings之后，将embeddings concat起来进⼊⼀个dense层，再分别为user和item 建模了user embeddings和item embeddings，并通过相似度计算和⽤户在⼴告域的⾏为进⾏⽐对，计算出ui loss，构成了最简单的模型设计。

但在模型设计中，存在着以下问题：

①⼴告的⾏为⾮常稀疏，⼤部分⽤户并没有⼴告⾏为，则⽆法进⼊样本参与训练。

②⼴告投放具备季节性和周期性。⽤户在特定时间可能选择到的⼴告，并不代表⽤户他在其他时间段仍然会对这类内容感兴趣。

基于以上观察，我们做了这样的优化：

将公众号的跨域样本给补充到模型当中，进⾏同步的训练，使得公众号域和⼴告域的特征提取模块，在item侧各⾃提取特征⽽在user侧共享底层的embeddings和卷积参数，从⽽使得⽤户底层的embeddings和卷积的参数可以通过丰富的公众号域的样本去进⾏提取和优化。

但同时也存在着新的问题：⽤户特征的分布差异⾮常⼤，⽤户在⼴告域⾏为⾮常稀疏，⽽⽤户在公众号域⾏为则是⾮常稠密，提取出的分布差异⽐较⼤。在这样的情况下，共享⼀个底层的卷积参数，可能会导致稀疏域的特征的提取能⼒受限。

基于这样的分析，我们提出了进⼀步优化，这⾥的优化主要分为两点：

在卷积层⾯，将⽤户的特征拆分出来，将提取出来的特征送进两个dense层，从⽽产⽣出⽤户的两个share embeddings。除此之外，把⽤户在各个域的对应⾏为单独拎出来做⼀路卷积，产⽣出⽤户在当前域的private embedding。从⽽可以强化两个域对于⽤户的特征的提取。

把两边User的share embedding通过MMD loss进⾏平滑，使得两边的embeddings的分布⽐较⼀致。

这个模式的设计帮助⼴告推荐取得了离线和线上效果的提升。