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异构广告混排在美团到店业务的探索与实践
在LBS（Location Based Services, 基于位置的服务）距离约束下，候选较少制约了整个到店广告排序系统的潜力空间。本文介绍了我们从候选类型角度进行候选扩展，通过高性能的异构混排网络来应对性能的挑战，从而提升本地生活场景排序系统的潜能上限。希望能给从事相关方向的同学以启发。
1 背景与简介
1.1 背景
美团到店广告负责美团搜索流量的商业变现，服务于到店餐饮、休娱亲子、丽人医美、酒店旅游等众多本地生活服务商家。质量预估团队负责广告系统中CTR/CVR以及客单价/交易额等质量分预估，在过去几年中，我们通过位次上下文建模[1]、时空超长序列建模[2]等创新技术，在CTR预估问题中的用户、上下文等方向都取得了一些突破[3]，并整理成论文发表在SIGIR、ICDE、CIKM等国际会议上。
不过以上论文重在模型精度，而模型精度与广告候选共同决定着排序系统的质量。但在广告候选角度，相比于传统电商的候选集合，美团搜索广告因LBS（Location Based Services, 基于位置的服务）的限制，所以在某些类目上门店候选较少，而候选较少又严重制约了整个排序系统的潜力空间。当用传统方式来增加候选数量的方法无法取得收益时，我们考虑将广告候选进行扩展与优化，以期提升本地生活场景排序系统的潜能上限。
1.2 场景介绍
单一的门店广告不足以满足用户找商品、找服务的细粒度意图诉求。部分场景将商品广告作为门店广告的候选补充，两者以竞争方式来确定展示广告样式；此外，还有部分场景商品广告以下挂形式同门店广告进行组合展示。多种形式的异构广告展示样式，给到店广告技术团队带来了机遇与挑战，我们根据业务场景特点，针对性地对异构广告进行了混排优化。下文以美团结婚频道页和美团首页搜索为例，分别介绍两类典型异构混排广告：竞争关系异构广告和组合关系异构广告。
- 竞争关系异构广告：门店和商品两种类型广告竞争混排，通过比较混排模型中pCTR确定广告展示类型。如下图1所示，左列首位为门店类型广告胜出，展示内容为门店图片、门店标题和门店星级评论数；右列首位为商品类型广告胜出，展示内容为商品图片、商品标题和对应门店。广告系统决定广告的排列顺序和展示类型，当商品类型广告获胜时，系统确定展示的具体商品。
- 组合关系异构广告：门店广告和其商品广告组合为一个展示单元（蓝色框体）进行列表排序，商品从属于门店，两种类型异构广告组合混排展示。如下图2所示，门店广告展示门店的头图、标题价格等信息；两个商品广告展示商品价格、标题和销量等信息。广告系统确定展示单元的排列顺序，并在门店的商品集合中确定展示的Top2商品。
1.3 挑战与做法简介
目前，搜索广告模型线上为基于DNN（深度神经网络）[4-6]的门店粒度排序模型，门店候选数量受限（约150）且缺失商品等更直接且重要的决策信息。因此，我们将商品广告作为门店的候选补充，通过门店与门店下多商品的混排打开候选空间，候选量可以达到1500+。此外，考虑广告上下文影响，同时进一步扩展打分候选以提升排序上限，我们将门店粒度升级为异构广告组合粒度的排序，基于此构建生成式广告组合预估系统，候选极限达到了1500X（考虑线上性能我们最终选择1500X)。而在探索过程中，我们遇到了以下三大挑战：
- 商品粒度预估性能压力：下沉到商品粒度后增加至少10倍的候选量，造成线上预估服务无法承受的耗时增加。
- 组合间关系建模困难：门店同组合商品的上下文关系使用Pointwise-Loss建模难以刻画。
- 商品广告冷启动问题：仅使用经过模型选择后曝光的候选，容易形成马太效应。
针对上述挑战，技术团队经过思考与实践，分别进行如下针对性的优化：
- 高性能异构混排系统：通过bias网络对门店信息迁移学习，从而实现高性能商品粒度预估。
- 生成式广告组合预估系统：将商品预估流程升级为列表组合预估，并提出上下文联合模型，建模商品上下文信息。
- 异构广告冷启动优化：基于汤姆森采样算法进行E&E（Exploit&Explore, 探索与利用）优化，深度探索用户的兴趣。
目前，高性能异构混排和生成式广告组合预估已经在多个广告场景落地，视场景业务不同，在衡量广告营收的千次广告展示收益（RPM，Revenue Per Mille）指标上提升了4%~15%。异构广告冷启动优化在各业务生效，在精度不下降的前提下给予流量10%随机性。下文将会对我们的具体做法进行详细的介绍。
2 技术探索与实践
2.1 高性能异构混排系统
打分粒度从门店下沉为商品后，排序候选量从150增加到1500+，带来排序潜力提升的同时，如果使用门店模型直接进行商品预估，则会给线上带来无法承担的耗时增加。通过分析，我们发现门店下所有商品共享门店基础特征，占用了80%以上的网络计算，但对于多个商品只需要计算一次，而商品独有的、需要独立计算的商品特征只占用20%的网络计算。所以基于这个特性，我们参照组合预估[7]的做法，来实现异构混排网络。主网络的高复杂性门店表征通过共有表达的迁移学习，实现对门店网络输出层的复用，从而避免在进行商品预估时对门店网络的重复计算。
如下图4所示，整个网络分为门店网络和商品网络。在离线训练阶段，门店网络（主网络）以门店特征作为输入，得到门店的输出层，计算门店Loss，更新门店网络；商品网络（bias网络）以商品特征为输入，得到商品输出层，与门店网络的输出层门店向量作CONCAT操作，然后计算最终的商品Loss，并同时更新门店网络和商品网络。
为了实现线上预估时对门店网络输出层的复用，我们将商品以List的方式喂入模型，实现请求一次打分服务，获得1（门店）+n（商品）个预估值。另外，对于门店的商品数不固定这一问题，我们通过维度动态转换的方式保证维度对齐。实现保持网络规模情况下扩大了10倍打分量，同时请求耗时仅增加了1%。
通过异构混排网络，我们在性能约束下得到了门店和各个商品的预估值，但是由于广告出口仍然以门店作为单元进行计费排序，所以我们需要根据不同业务场景特点进行预估值应用。为了描述方便，下文中用“P门店”代表门店的预估值，“P商品_i”代表第i个商品的预估值。
筛选频道页的竞争关系异构广告
- 筛选频道页内有门店和商品两种展示类型进行竞争，获胜的广告类型将最终得到展示。训练阶段，每一次曝光为一条样本，一条样本为商品和门店其中一种类型。门店样本只更新门店网络，商品样本同时更新门店网络和商品网络。
- 预估阶段，门店和商品发生点击概率互斥，我们使用Max算子：通过Max(P门店 ,P商品_1 ,...,P商品_n )，如果门店获胜，则展示门店信息，门店的预估值用于下游计费排序；如果任一商品获胜，则展示该商品信息，该商品的预估值用于下游。
首页搜索的组合关系异构广告
- 首页搜索的排序列表页中每个展示单元由门店和两个商品组成，机制模块对这一个展示单元进行计费排序。训练阶段，每一次曝光为多条样本：一条门店样本和多条商品样本。门店样本只更新门店网络，商品样本同时更新门店网络和商品网络。
- 预估阶段，由于用户点击【更多优惠】前，默认展示Top2商品，所以可以选择商品预估值最高的Top2作为展示商品，其余商品按预估值排序。我们需要预估pCTR(门店|商品1|商品2) 。从数学角度分析，我们在预估门店或商品1或商品2被点击的概率，因此我们使用概率加法法则算子：pCTR(门店|商品1|商品2) = 1 - (1-P门店 ) * (1-P商品_1 ) * (1-P商品_2）。所以在得到门店和商品预估值之后，首先要对商品按预估值进行排序，得到商品商品的展示顺序，并选择Top2的商品预估值和门店预估值进行概率加法法则计算，得到展示单元的预估值用于门店排序计费。
虽然系统整体架构相似，但是因使用场景不同，样本生成方式也不同，模型最终输出的P商品有着不同的物理含义。在竞争关系广告中，P商品作为和门店并列的另一种展示类型；组合关系广告中，P商品则为门店广告展示信息的补充，因此也有着不同预估值的应用方式。最终高性能异构混排系统在多个广告场景落地，视场景业务不同，RPM提升范围在2%~15%之间。
2.2 生成式广告组合预估系统
在商品列表中，商品的点击率除了受到其本身质量的影响外，还会受到其上下展示商品的影响。例如，当商品的上下文质量更高时，用户更倾向于点击商品的上下文，而当商品上下文质量较低时，用户则倾向于点击该商品，这种决策差异会累积到训练数据中，从而形成上下文偏置。而消除训练数据中存在的上下文偏置，有利于更好地定位用户意图以及维护广告系统的生态，因此我们参照列表排序的思路[8-9]，构建生成式商品排序系统，建模商品上下文信息。
获取上下文信号可以通过预估商品列表的全排列，但是全排列的打分量极大（商品候选数10的全排列打分数为10!=21,772,800）。为了在耗时允许的情况下获取上下文信号，我们采用二次预估的方式对全排列结果进行剪枝。首次预估时采用Base模型打分，仅取Top N商品进行排列，二次预估时再利用上下文模型对排列的所有结果进行打分。将全排列的打分量从10!减少到N!（在线上，我们选择的N为3）。
但是二次预估会给服务带来无法承受的RPC耗时，为了在性能的约束下上线，我们在TensorFlow内部实现了二次预估模块。如下图5所示，我们最终实现了基于剪枝的高性能组合预估系统，整体耗时和基线持平。
通过剪枝和TF算子，任一商品输入可以感知其上下文信号。为了建模上下文信息，我们提出基于Transformer的上下文自适应感知模型。模型结构如图6所示：
- 我们首先将门店特征及商品特征分别过Embedding层得到门店Emb及商品Emb，再通过全链接层得到无位次商品向量和无位次的预估值；
- 将无位次商品向量与商品位次信号进行拼接，通过Transformer建模商品的上下文信息，得到包含上下文信息的商品Emb；
- 将包含上下文信息的商品Emb与位次信号再次拼接，通过DNN非线性交叉，得到包含上下文信息及位次信息的最终输出商品预估值。通过强化商品间的交叉，达到建模商品上下文的目的，最终生成式广告组合预估在首页搜索取得了RPM+2%的效果提升。
2.3 异构广告冷启动优化
为了避免马太效应，我们也会主动试探用户新的兴趣点，主动推荐新的商品来发掘有潜力的优质商品。我们在模型上线前，通过随机展示的方式来挖掘用户感兴趣的商品。但是给用户展示的机会是有限的，展示用户历史喜欢的商品，以及探索用户新兴趣都会占用宝贵的展示机会，此外，完全的随机展示从CTR/PRS等效果上看会有较为明显的下降，所以我们考虑通过更合理的方式来解决“探索与利用”问题。
相对于传统随机展示的E&E算法，我们采用基于汤普森采样的Exploration算法[10]，这样可以合理地控制精度损失，避免因部分流量进行Exploration分桶的bias问题。汤普森采样是一种经典启发式E&E算法，核心思路可以概况为，给历史曝光数（HI，Historical Impressions）较多的商品较低的随机性，历史曝光较少的商品给予较高的随机性。具体的做法是我们使商品的预估值（pCTR）服从一个beta(a,b)分布，其中：
，
其中p是以pCTR为自变量的函数，n是以EI为自变量的函数。根据经验，我们最终使用的函数为：
，
我们通过调节hyperP和hyperN两个参数来控制最终呈现结果的随机性。如下图7所示，action1相比action2分布的均值更高，action3相比另外两个分布的随机性更强。较高的随机性可能会带来准确性的下降，我们通过参数离线模拟，确定全量版本的超参数。最终上线的模型在精度和效果没有下降的前提下，展示的商品有10%的随机性。
2.4 业务实践
异构混排和广告组合预估有效地解决了LBS限制下门店候选较少的问题。对于前文介绍的两类典型异构广告：竞争关系异构广告和组合关系异构广告，我们根据其展示样式和业务特点，将相应的技术探索均进行了落地，并取得了一定的效果。如下图8所示：
3 总结
本文介绍了美团到店搜索广告业务中异构广告混排的探索与实践，我们通过高性能的异构混排网络来应对性能挑战，并根据业务特点对异构预估进行了应用。为了建模广告的上下文信息，我们将商品预估流程由单点预估升级为组合预估模式，并提出上下文组合预估模型，建模商品位次及上下文信息，然后，通过基于汤普森算法的E&E策略对商品冷启动问题进行了优化，在多个场景均取得了一定的成果。近期，已经有越来越多业务场景开始了展示样式的升级，例如美食类目由门店调整为菜品广告，酒店类目由门店调整为房型展示，本文提到的方案与技术也在逐步的推广落地过程中。
值得一提的是，相比于美团以门店作为广告主体，业界的广告主体以商品和内容为主，本文提到的共有表达迁移和生成式组合预估的技巧，可以应用在商品和创意的组合问题上，更进一步拓展候选规模。
广告异构混排项目也是从业务视角出发，勇于打破原来迭代框架下的一次重要尝试。我们希望该项目能够通过技术手段来解决业务问题，然后再通过业务理解反推技术的进步。此外，我们也将在广告候选问题上进行更多的探索，寻找新的突破点，从而进一步设计更完善的网络结构，不断释放排序系统的潜力空间。
4 参考资料
- [1] Huang, Jianqiang, et al. "Deep Position-wise Interaction Network for CTR Prediction." Proceedings of the 44th International ACM SIGIR Conference on Research and Development in Information Retrieval. 2021.
- [2] Qi, Yi, et al. "Trilateral Spatiotemporal Attention Network for User Behavior Modeling in Location-based Search." Proceedings of the 30th ACM International Conference on Information & Knowledge Management. 2021.
- [3] 胡可，坚强等. 广告深度预估技术在美团到店场景下的突破与畅想
- [4] Cheng, Heng-Tze, et al. "Wide & deep learning for recommender systems." Proceedings of the 1st workshop on deep learning for recommender systems. 2016.
- [5] Zhou, Guorui, et al. "Deep interest network for click-through rate prediction." Proceedings of the 24th ACM SIGKDD international conference on knowledge discovery & data mining. 2018.
- [6] Ma, Jiaqi, et al. "Modeling task relationships in multi-task learning with multi-gate mixture-of-experts." Proceedings of the 24th ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery & Data Mining. 2018.
- [7] Gong, Yu, et al. "Exact-k recommendation via maximal clique optimization." Proceedings of the 25th ACM SIGKDD international conference on knowledge discovery & data mining. 2019.
- [8] Guo, Huifeng, et al. "PAL: a position-bias aware learning framework for CTR prediction in live recommender systems." Proceedings of the 13th ACM Conference on Recommender Systems. 2019.
- [9] Feng, Yufei, et al. "Revisit Recommender System in the Permutation Prospective." arXiv preprint arXiv:2102.12057 (2021).
- [10] Ikonomovska, Elena, Sina Jafarpour, and Ali Dasdan. "Real-time bid prediction using thompson sampling-based expert selection." Proceedings of the 21th ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining. 2015.
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