精准营销：剖析广告点击率预估系统

引文

点击率预估系统最早是由谷歌实现，并应用在其搜索广告系统。在看到这一大杀器为谷歌带来滚滚财源之后，其他公司也纷纷效仿。直到今日，大大小小的“互联网广告公司”，都宣称自己掌握了基于人工智能的精准定向，实际上大多讲的就是这个点击率预估系统。而点击率预估的应用场景也从最开始的搜索广告，扩展到展示广告、信息流广告等等广告形态，甚至于在商品推荐系统中都能看到其踪影。

点击率预估系统的核心是机器学习算法，不过我们也应该知道，算法所处理的对象往往是抽象的，是优雅的，而现实中的任务却是具体的，充满缺陷的。那么如何用抽象的算法来解决具体的业务问题，是本文所要介绍的内容。本文会分成日志系统、特征工程、模型选择与训练、在线服务四个部分，主要介绍点击率预估系统的数据流程以及系统框架。而模型与算法原理、模型调优、在线学习这些主题，本文只做简要介绍或不涉及。

1. 日志系统

点击率预估用到的是监督学习算法，所以我们需要由日志来提供如下表形式的数据。

这里面的每一行，都是一次广告展示的完整记录。其记录了这次广告展示所对应的广告、用户、上下文三类特征，以及用户对这次广告展示的行为反馈，即是否点击了广告。

但是实际上，用户访问一个网站或App而触发广告请求时，在服务器会生成一条日志，广告曝光、点击的上报又各自产生了相应的日志。对于这些各自独立的日志，我们要把他们关联起来，把广告的请求、展示、点击三个事件串起来，才能形成上述提到的记录形式。为实现这一点，对每个广告请求，我们要为其生成唯一的id，并在后续的曝光和点击上报时，将这一id一起上报，再通过这一id来关联日志。具体的日志关联过程，可以采取离线批处理（如MapReduce），也可以采用流式处理（如Spark Streaming），这个根据业务情况酌情选择。前面提到，处理之后的记录包含广告、用户、上下文三类特征，那么在打印日志时，特别是请求日志，需要注意将相关信息打印完备。

2. 特征工程

点击率预估算法处理是数字形式的输入，所以在日志处理完之后，需要通过特征工程来将文本形式的信息转换成数字形式的信息，即建立索引。建立索引有两种常见做法，一是对特征简单计数，一是对特征取值做哈希处理。如果采用简单计数，需要将所有特征都枚举出来，这在日志量和特征空间庞大的时候会是一个问题。而采用哈希处理则相对简单，而且有一些团队通过哈希碰撞的方式来缩小特征空间，降低训练难度，不过这个做法是否不影响预测性能是因业务而异的。如果接入的是线性模型，那么在建索引时还需要对分类类型特征做one-hot编码。

在建索引之前，还有很多事情要做。有一些特征并不会在日志中出现，比如统计数据，这些特征需要通过各种id去做关联。日志中往往会存在一些异常值，比如说有一些刷单数据，或是特征取值明显偏离正常范围，我们需要对这些数据做过滤。

而对于实值特征，往往会做归一化或是离散化（如果使用线性模型），以免由于实值特征取值范围严重偏离[0,1]区间，而给模型训练和预测带来困难。样本中的特征还有可能获取不到观测值，或者是观测值出现次数过少，对于这些情况，可以赋予缺省值。

而有些特征的覆盖率太低，则可以选择放弃。如果想要为线性模型引入非线性，则需要做交叉特征设计，这是一件很依赖领域知识的事情。总之，特征工程这件事情，花样很多。

我们知道，广告的点击率一般是显著低于50%的，会存在样本不平衡的问题。那么对于这个问题，我们可以采用负例欠采样的处理方式。
通过观察不同欠采样比例下的模型预测性能，可以获取最佳的采样比例。欠采样方法有可能导致丢失一些负例的信息，对于这个问题，可以尝试[1]所提出的Easy Ensemble，就是对负例进行N次不重复的随机采样，并分别与所有正例组成N个训练集，分别训练出N个模型，然后对预测值做平均。这个做法简单有效，不过对于在线服务来说，N个模型就意味着N倍的计算量，需要权衡这个做法的收益。

3. 模型选择与训练

点击率预估算法，最经典的莫过于LR（Logistic Regression，逻辑回归），作为一个线性模型，他的特点是易实现，易解释，还有Google背书提出FTRL（Follow The [Proximally] Regularized Leader）优化算法，再说他能够给“特征工程师”提供存在感：）。

近年来的趋势是FM(Factorization Machine)/FFM(Field-aware Factorization Machine)，DNN(深度神经网络)。

FM算法为各个特征生成一个Embedding Vector，并且通过不同特征对应的Embedding的内积来表达交叉特征，这对于训练样本稀疏的交叉特征有明显更好的学习能力。FFM则是对FM的一小步改进，他为每个特征生成的Embedding不只有一个，而是根据不同的互作用field生成不同的Embedding，这里的field指的是一个特征在one-hot编码之前所属的分类类型特征[2]。

FFM算法因为在Kaggle比赛中连续两次取胜而引起关注，有趣的是，第一次比赛中台大的团队使用了FFM并取胜之后，第二次比赛各个团队也都纷纷使用该算法。FFM在在线服务中的尝试以及效果的提升也已有相关报道[3,4]。

至于DNN，按Bing团队的说法：在各种使用DNN的尝试中，其带来的效果提升都是marginal的，而其对计算机资源的消耗则大幅增加，而且在线效果并不稳定[5]。当然了，有些公司确实在点击率预估的生产环境中使用了DNN，甚至提供了云服务，对于他们是否也碰到前面所述的问题，是否有从DNN中获得不那么marginal的提升，我很感兴趣。

接下来聊聊模型集成。通过模型集成来降低预测的偏差或方差，是机器学习中的通用做法。集成方法有stacking、cascading、boosting等等，而大名鼎鼎的GBDT就是boosting的产物，这里要聊的模型集成都跟GBDT有关系。前面提到Kaggle比赛的获胜者用了FFM，其实他们使用了模型集成，具体做法是GBDT+FFM，将GBDT的输出接入到FFM的输入特征，这个做法很可能是受启发于Facebook提出的GBDT+LR。Facebook提出这个方法，是基于这样的考虑：在特征工程中往往需要做两件事情，一是将实值特征打散，一是生成交叉特征，而他们注意到GBDT恰好可以自动完成这两件事情[6]。这个集成模型是一个cascading的做法。我最近注意到另外一个很有意思的做法，则是基于boosting的。这个做法本质上也是GBDT，但是与通常的GBDT不同的是，其第一个分类器不是决策树，而是用其他模型来代替，比如LR、NN、DNN等等，然后在这个基础上再用决策树做boosting。这个做法从Bing的实验结果来看效果的提升是非常明显的[5]。

讲了这么多的模型，那么我从零开始搭建系统，应该选哪一个呢？我个人比较信赖所谓“AK-47”原则，就是在实现一个东西的时候，应该首先选择简单有效的方式。那么基于这个原则我们应该首先考虑单模型，即LR、GBDT、FM/FFM等模型。而在这里面，我个人倾向于选择FFM，这个模型把我们从交叉特征的艺术创造中解放出来，其有效性已有多方背书，还可以online-training。要说有什么缺点，一个是容易过拟合，一个是相对LR、FM消耗更多资源。对付第一个问题用early-stopping，而第二个问题，在这个DNN都可以上的年代，多消耗点资源就消耗吧。当然，最好把LR、GBDT这些也弄上做baseline，再说这里面很多说不准，效果这东西得试试才知道。

聊完模型，来聊聊训练。训练时，我们需要为模型的性能确定指标，通过性能指标来选择最合适的模型。最常用的是AUC（Area Under ROC Curve），指的是ROC（Receiver Operating Characteristic）曲线下的面积，衡量的是对于不同广告的排序质量，这也恰恰是大多广告点击率系统最关心的。除此之外还有LogLoss、RIG（衡量点击率预估值的准确率）、Utility（衡量模型带来的收益提升）等等指标，可以根据业务需求酌情选取。不同的模型都有各自的超参数需要去做调优，这里不做展开。

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4. 在线服务

在线服务有三个关键环节，分别是分流实验、特征转换和pCTR（predicted click through rate，预估点击率）计算，这里分段简要介绍。

点击率预估系统往往需要做线上实验来验证模型的效果，所以在线服务首先需要一个实验层来对流量进行配置，将流量分发给不同的模型，并且跟踪不同模型的实时效果。需要注意的是，良好的离线效果并不意味着线上效果就一定好。

特征转换对应的是离线处理时的特征工程环节，是为了将广告请求的数据转换成模型的输入特征。在特征转换的过程中，往往从广告请求中拿到的特征并不全，还需要去做进一步的关联。互联网广告一般对实时性要求比较高，而pCTR计算环节已经是计算密集的，为了提高响应速度，在特征转换环节应该减少甚至避免IO带来的延迟，所以这些关联信息最好提前加载到应用内存或者缓存中，并通过定时任务进行更新。

通过特征转换得到的输入特征，会交给pCTR计算模块去做最后的计算，这个模块加载了训练好的模型。模型的训练都会以一定的频率进行（甚至是一直在进行，即所谓在线学习），而训练好的模型也都会以一定的频率更新到线上，以便计算模块及时利用到较新的信息。那么计算模块应该妥当设计，使其能够对模型进行热更新而不影响服务。模型本身由于采样的问题，或是模型自身的局限，还会带来预测值的整体偏差，这个偏差对于需要进行竞价的业务会产生影响，这种情况下计算模块还需要对预测值进行校准。

写在最后

与点击率预估类似的还有转化率预估，这两者是相通的，区别在于预测目标不一样。
点击率预估是一个很大的话题，本文也只是对这个话题的一点介绍，篇幅所限，很多问题只是浮光掠影而过，作者后面会选择其中一些主题再行展开成文。由于本人经验所限，文中所述难免存在错误或纰漏，各位看官不吝批评指正。

[1] Liu et al., (2008). Exploratory Undersampling for Class-Imbalance Learning.
[2] Juan et al., (2016). Field-aware Factorization Machines for CTR Prediction.
[3] Juan et al., (2017). Field-aware Factorization Machines in a Real-world Online Advertising System.
[4] del2z et al., (2016). 深入FFM原理与实践.
[5] Ling et al., (2017). Model Ensemble for Click Prediction in Bing Search Ads.
[6] He et al., (2014). Practical Lessons from Predicting Clicks on Ads at Facebook.