# 点击率预估
以下是本例目录包含的文件以及对应说明:
```
├── README.md # 本教程markdown 文档
├── dataset.md # 数据集处理教程
├── images # 本教程图片目录
│ ├── lr_vs_dnn.jpg
│ └── wide_deep.png
├── infer.py # 预测脚本
├── network_conf.py # 模型网络配置
├── reader.py # data provider
├── train.py # 训练脚本
└── utils.py # helper functions
```
## 背景介绍
CTR(Click-Through Rate，点击率预估)\[[1](https://en.wikipedia.org/wiki/Click-through_rate)\] 是用来表示用户点击一个特定链接的概率，
通常被用来衡量一个在线广告系统的有效性。
当有多个广告位时，CTR 预估一般会作为排序的基准。
比如在搜索引擎的广告系统里，当用户输入一个带商业价值的搜索词（query）时，系统大体上会执行下列步骤来展示广告：
1. 召回满足 query 的广告集合
2. 业务规则和相关性过滤
3. 根据拍卖机制和 CTR 排序
4. 展出广告
可以看到，CTR 在最终排序中起到了很重要的作用。
### 发展阶段
在业内，CTR 模型经历了如下的发展阶段：
- Logistic Regression(LR) / GBDT + 特征工程
- LR + DNN 特征
- DNN + 特征工程
在发展早期时 LR 一统天下，但最近 DNN 模型由于其强大的学习能力和逐渐成熟的性能优化，
逐渐地接过 CTR 预估任务的大旗。
### LR vs DNN
下图展示了 LR 和一个 \(3x2\) 的 DNN 模型的结构：
Figure 1. LR 和 DNN 模型结构对比
LR 的蓝色箭头部分可以直接类比到 DNN 中对应的结构，可以看到 LR 和 DNN 有一些共通之处（比如权重累加），
但前者的模型复杂度在相同输入维度下比后者可能低很多（从某方面讲，模型越复杂，越有潜力学习到更复杂的信息）。
如果 LR 要达到匹敌 DNN 的学习能力，必须增加输入的维度，也就是增加特征的数量，
这也就是为何 LR 和大规模的特征工程必须绑定在一起的原因。
LR 对于 DNN 模型的优势是对大规模稀疏特征的容纳能力，包括内存和计算量等方面，工业界都有非常成熟的优化方法。
而 DNN 模型具有自己学习新特征的能力，一定程度上能够提升特征使用的效率，
这使得 DNN 模型在同样规模特征的情况下，更有可能达到更好的学习效果。
本文后面的章节会演示如何使用 PaddlePaddle 编写一个结合两者优点的模型。
## 数据和任务抽象
我们可以将 `click` 作为学习目标，任务可以有以下几种方案：
1. 直接学习 click，0,1 作二元分类
2. Learning to rank, 具体用 pairwise rank（标签 1>0）或者 listwise rank
3. 统计每个广告的点击率，将同一个 query 下的广告两两组合，点击率高的>点击率低的，做 rank 或者分类
我们直接使用第一种方法做分类任务。
我们使用 Kaggle 上 `Click-through rate prediction` 任务的数据集\[[2](https://www.kaggle.com/c/avazu-ctr-prediction/data)\] 来演示模型。
具体的特征处理方法参看 [data process](./dataset.md)。
本教程中演示模型的输入格式如下：
```
#
\t \t click
1 23 190 \t 230:0.12 3421:0.9 23451:0.12 \t 0
23 231 \t 1230:0.12 13421:0.9 \t 1
```
演示数据集\[[2](#参考文档)\] 可以使用 `avazu_data_processor.py` 脚本处理，具体使用方法参考如下说明：
```
usage: avazu_data_processer.py [-h] --data_path DATA_PATH --output_dir
OUTPUT_DIR
[--num_lines_to_detect NUM_LINES_TO_DETECT]
[--test_set_size TEST_SET_SIZE]
[--train_size TRAIN_SIZE]
PaddlePaddle CTR example
optional arguments:
-h, --help show this help message and exit
--data_path DATA_PATH
path of the Avazu dataset
--output_dir OUTPUT_DIR
directory to output
--num_lines_to_detect NUM_LINES_TO_DETECT
number of records to detect dataset's meta info
--test_set_size TEST_SET_SIZE
size of the validation dataset(default: 10000)
--train_size TRAIN_SIZE
size of the trainset (default: 100000)
```
## Wide & Deep Learning Model
谷歌在 16 年提出了 Wide & Deep Learning 的模型框架，用于融合适合学习抽象特征的 DNN 和 适用于大规模稀疏特征的 LR 两种模型的优点。
### 模型简介
Wide & Deep Learning Model\[[3](#参考文献)\] 可以作为一种相对成熟的模型框架使用，
在 CTR 预估的任务中工业界也有一定的应用，因此本文将演示使用此模型来完成 CTR 预估的任务。
模型结构如下：
Figure 2. Wide & Deep Model
模型左边的 Wide 部分，可以容纳大规模系数特征，并且对一些特定的信息（比如 ID）有一定的记忆能力；
而模型右边的 Deep 部分，能够学习特征间的隐含关系，在相同数量的特征下有更好的学习和推导能力。
### 编写模型输入
模型只接受 3 个输入，分别是
- `dnn_input` ，也就是 Deep 部分的输入
- `lr_input` ，也就是 Wide 部分的输入
- `click` ， 点击与否，作为二分类模型学习的标签
```python
dnn_merged_input = layer.data(
name='dnn_input',
type=paddle.data_type.sparse_binary_vector(data_meta_info['dnn_input']))
lr_merged_input = layer.data(
name='lr_input',
type=paddle.data_type.sparse_binary_vector(data_meta_info['lr_input']))
click = paddle.layer.data(name='click', type=dtype.dense_vector(1))
```
### 编写 Wide 部分
Wide 部分直接使用了 LR 模型，但激活函数改成了 `RELU` 来加速
```python
def build_lr_submodel():
fc = layer.fc(
input=lr_merged_input, size=1, name='lr', act=paddle.activation.Relu())
return fc
```
### 编写 Deep 部分
Deep 部分使用了标准的多层前向传导的 DNN 模型
```python
def build_dnn_submodel(dnn_layer_dims):
dnn_embedding = layer.fc(input=dnn_merged_input, size=dnn_layer_dims[0])
_input_layer = dnn_embedding
for i, dim in enumerate(dnn_layer_dims[1:]):
fc = layer.fc(
input=_input_layer,
size=dim,
act=paddle.activation.Relu(),
name='dnn-fc-%d' % i)
_input_layer = fc
return _input_layer
```
### 两者融合
两个 submodel 的最上层输出加权求和得到整个模型的输出，输出部分使用 `sigmoid` 作为激活函数，得到区间 (0,1) 的预测值，
来逼近训练数据中二元类别的分布，并最终作为 CTR 预估的值使用。
```python
# conbine DNN and LR submodels
def combine_submodels(dnn, lr):
merge_layer = layer.concat(input=[dnn, lr])
fc = layer.fc(
input=merge_layer,
size=1,
name='output',
# use sigmoid function to approximate ctr, wihch is a float value between 0 and 1.
act=paddle.activation.Sigmoid())
return fc
```
### 训练任务的定义
```python
dnn = build_dnn_submodel(dnn_layer_dims)
lr = build_lr_submodel()
output = combine_submodels(dnn, lr)
# ==============================================================================
# cost and train period
# ==============================================================================
classification_cost = paddle.layer.multi_binary_label_cross_entropy_cost(
input=output, label=click)
paddle.init(use_gpu=False, trainer_count=11)
params = paddle.parameters.create(classification_cost)
optimizer = paddle.optimizer.Momentum(momentum=0)
trainer = paddle.trainer.SGD(
cost=classification_cost, parameters=params, update_equation=optimizer)
dataset = AvazuDataset(train_data_path, n_records_as_test=test_set_size)
def event_handler(event):
if isinstance(event, paddle.event.EndIteration):
if event.batch_id % 100 == 0:
logging.warning("Pass %d, Samples %d, Cost %f" % (
event.pass_id, event.batch_id * batch_size, event.cost))
if event.batch_id % 1000 == 0:
result = trainer.test(
reader=paddle.batch(dataset.test, batch_size=1000),
feeding=field_index)
logging.warning("Test %d-%d, Cost %f" % (event.pass_id, event.batch_id,
result.cost))
trainer.train(
reader=paddle.batch(
paddle.reader.shuffle(dataset.train, buf_size=500),
batch_size=batch_size),
feeding=field_index,
event_handler=event_handler,
num_passes=100)
```
## 运行训练和测试
训练模型需要如下步骤：
1. 下载训练数据，可以使用 Kaggle 上 CTR 比赛的数据\[[2](#参考文献)\]
1. 从 [Kaggle CTR](https://www.kaggle.com/c/avazu-ctr-prediction/data) 下载 train.gz
2. 解压 train.gz 得到 train.txt
3. `mkdir -p output; python avazu_data_processer.py --data_path train.txt --output_dir output --num_lines_to_detect 1000 --test_set_size 100` 生成演示数据
2. 执行 `python train.py --train_data_path ./output/train.txt --test_data_path ./output/test.txt --data_meta_file ./output/data.meta.txt --model_type=0` 开始训练
上面第2个步骤可以为 `train.py` 填充命令行参数来定制模型的训练过程，具体的命令行参数及用法如下
```
usage: train.py [-h] --train_data_path TRAIN_DATA_PATH
[--test_data_path TEST_DATA_PATH] [--batch_size BATCH_SIZE]
[--num_passes NUM_PASSES]
[--model_output_prefix MODEL_OUTPUT_PREFIX] --data_meta_file
DATA_META_FILE --model_type MODEL_TYPE
PaddlePaddle CTR example
optional arguments:
-h, --help show this help message and exit
--train_data_path TRAIN_DATA_PATH
path of training dataset
--test_data_path TEST_DATA_PATH
path of testing dataset
--batch_size BATCH_SIZE
size of mini-batch (default:10000)
--num_passes NUM_PASSES
number of passes to train
--model_output_prefix MODEL_OUTPUT_PREFIX
prefix of path for model to store (default:
./ctr_models)
--data_meta_file DATA_META_FILE
path of data meta info file
--model_type MODEL_TYPE
model type, classification: 0, regression 1 (default
classification)
```
## 用训好的模型做预测
训好的模型可以用来预测新的数据， 预测数据的格式为
```
# \t
1 23 190 \t 230:0.12 3421:0.9 23451:0.12
23 231 \t 1230:0.12 13421:0.9
```
`infer.py` 的使用方法如下
```
usage: infer.py [-h] --model_gz_path MODEL_GZ_PATH --data_path DATA_PATH
--prediction_output_path PREDICTION_OUTPUT_PATH
[--data_meta_path DATA_META_PATH] --model_type MODEL_TYPE
PaddlePaddle CTR example
optional arguments:
-h, --help show this help message and exit
--model_gz_path MODEL_GZ_PATH
path of model parameters gz file
--data_path DATA_PATH
path of the dataset to infer
--prediction_output_path PREDICTION_OUTPUT_PATH
path to output the prediction
--data_meta_path DATA_META_PATH
path of trainset's meta info, default is ./data.meta
--model_type MODEL_TYPE
model type, classification: 0, regression 1 (default
classification)
```
示例数据可以用如下命令预测
```
python infer.py --model_gz_path --data_path output/infer.txt --prediction_output_path predictions.txt --data_meta_path data.meta.txt
```
最终的预测结果位于 `predictions.txt`。
## 参考文献
1.
2.
3. Cheng H T, Koc L, Harmsen J, et al. [Wide & deep learning for recommender systems](https://arxiv.org/pdf/1606.07792.pdf)[C]//Proceedings of the 1st Workshop on Deep Learning for Recommender Systems. ACM, 2016: 7-10.