Embedding+MLP：如何用TensorFlow实现经典的深度学习模型？

前言

你好，我是王喆。

今天我们正式进入深度学习模型的实践环节，来一起学习并实现一种最经典的模型结构，Embedding+MLP。它不仅经典，还是我们后续实现其他深度学习模型的基础，所以你一定要掌握好。

这里面的 Embedding 我们已经很熟悉了，那什么叫做 MLP 呢？它其实是 Multilayer perceptron，多层感知机的缩写。感知机是神经元的另外一种叫法，所以多层感知机就是多层神经网络。

讲到这里啊，我想你脑海中已经有这个模型结构的大致图像了。今天，我就以微软著名的深度学习模型 Deep Crossing 为例，来给你详细讲一讲 Embedding+MLP 模型的结构和实现方法。

Embedding+MLP 模型的结构

图 1 展示的就是微软在 2016 年提出的深度学习模型 Deep Crossing，微软把它用于广告推荐这个业务场景上。它是一个经典的 Embedding+MLP 模型结构，我们可以看到，Deep Crossing 从下到上可以分为 5 层，分别是 Feature 层、Embedding 层、Stacking 层、MLP 层和 Scoring 层。

接下来，我就从下到上来给你讲讲每一层的功能是什么，以及它们的技术细节分别是什么样的。

图1 经典的Embedding+MLP模型结构（图片来自 Deep Crossing - Web-Scale Modeling without Manually Crafted Combinatorial Features）

我们先来看 Feature 层。Feature 层也叫做输入特征层，它处于 Deep Crossing 的最底部，作为整个模型的输入。仔细看图 1 的话，你一定会发现不同特征在细节上的一些区别。比如 Feature#1 向上连接到了 Embedding 层，而 Feature#2 就直接连接到了更上方的 Stacking 层。这是怎么回事呢？

原因就在于 Feature#1 代表的是类别型特征经过 One-hot 编码后生成的特征向量，而 Feature#2 代表的是数值型特征。我们知道，One-hot 特征太稀疏了，不适合直接输入到后续的神经网络中进行训练，所以我们需要通过连接到 Embedding 层的方式，把这个稀疏的 One-hot 向量转换成比较稠密的 Embedding 向量。

接着，我们来看 Embedding 层。Embedding 层就是为了把稀疏的 One-hot 向量转换成稠密的 Embedding 向量而设置的，我们需要注意的是，Embedding 层并不是全部连接起来的，而是每一个特征对应一个 Embedding 层，不同 Embedding 层之间互不干涉。

那 Embedding 层的内部结构到底是什么样子的呢？我想先问问你，你还记得 Word2vec 的原理吗？Embeding 层的结构就是 Word2vec 模型中从输入神经元到隐层神经元的部分（如图 2 红框内的部分）。参照下面的示意图，我们可以看到，这部分就是一个从输入层到隐层之间的全连接网络。

一般来说，Embedding 向量的维度应远小于原始的稀疏特征向量，按照经验，几十到上百维就能够满足需求，这样它才能够实现从稀疏特征向量到稠密特征向量的转换。

接着我们来看 Stacking 层。Stacking 层中文名是堆叠层，我们也经常叫它连接（Concatenate）层。它的作用比较简单，就是把不同的 Embedding 特征和数值型特征拼接在一起，形成新的包含全部特征的特征向量。

再往上看，MLP 层就是我们开头提到的多层神经网络层，在图 1 中指的是 Multiple Residual Units 层，中文叫多层残差网络。微软在实现 Deep Crossing 时针对特定的问题选择了残差神经元，但事实上，神经元的选择有非常多种，比如我们之前在深度学习基础知识中介绍的，以 Sigmoid 函数为激活函数的神经元，以及使用 tanh、ReLU 等其他激活函数的神经元。我们具体选择哪种是一个调参的问题，一般来说，ReLU 最经常使用在隐层神经元上，Sigmoid 则多使用在输出神经元，实践中也可以选择性地尝试其他神经元，根据效果作出最后的决定。

不过，不管选择哪种神经元，MLP 层的特点是全连接，就是不同层的神经元两两之间都有连接。就像图 3 中的两层神经网络一样，它们两两连接，只是连接的权重会在梯度反向传播的学习过程中发生改变。

MLP 层的作用是让特征向量不同维度之间做充分的交叉，让模型能够抓取到更多的非线性特征和组合特征的信息，这就使深度学习模型在表达能力上较传统机器学习模型大为增强。

最后是 Scoring 层，它也被称为输出层。虽然深度学习模型的结构可以非常复杂，但最终我们要预测的目标就是一个分类的概率。如果是点击率预估，就是一个二分类问题，那我们就可以采用逻辑回归作为输出层神经元，而如果是类似图像分类这样的多分类问题，我们往往在输出层采用 softmax 这样的多分类模型。

到这里，我们就讲完了 Embedding+MLP 的五层结构。它的结构重点用一句话总结就是，对于类别特征，先利用 Embedding 层进行特征稠密化，再利用 Stacking 层连接其他特征，输入 MLP 的多层结构，最后用 Scoring 层预估结果。

Embedding+MLP 模型的实战

现在，我们从整体上了解了 Embedding+MLP 模型的结构，也许你对其中的细节实现还有些疑问。别着急，下面我就带你用 SparrowRecsys 来实现一个 Embedding+MLP 的推荐模型，帮你扫清这些疑问。

实战中，我们按照构建推荐模型经典的步骤，特征选择、模型设计、模型实现、模型训练和模型评估这 5 步来进行实现。

首先，我们来看看特征选择和模型设计。

特征选择和模型设计

在上一节的实践准备课程中，我们已经为模型训练准备好了可用的训练样本和特征。秉着“类别型特征 Embedding 化，数值型特征直接输入 MLP”的原则，我们选择 movieId、userId、movieGenre、userGenre 作为 Embedding 化的特征，选择物品和用户的统计型特征作为直接输入 MLP 的数值型特征，具体的特征选择你可以看看下面的表格：

选择好特征后，就是 MLP 部分的模型设计了。我们选择了一个三层的 MLP 结构，其中前两层是 128 维的全连接层。我们这里采用好评 / 差评标签作为样本标签，因此要解决的是一个类 CTR 预估的二分类问题，对于二分类问题，我们最后一层采用单个 sigmoid 神经元作为输出层就可以了。

当然了，我知道你肯定对这一步的细节实现有很多问题，比如为什么要选三层的 MLP 结构，为什么要选 sigmoid 作为激活函数等等。其实，我们对模型层数和每个层内维度的选择是一个超参数调优的问题，这里的选择不能保证最优，我们需要在实战中需要根据模型的效果进行超参数的搜索，找到最适合的模型参数。

Embedding+MLP 模型的 TensorFlow 实现

确定好了特征和模型结构，就万事俱备，只欠实现了。下面，我们就看一看利用 TensorFlow 的 Keras 接口如何实现 Embedding+MLP 的结构。总的来说，TensorFlow 的实现有七个步骤。因为这是我们课程中第一个 TensorFlow 的实现，所以我会讲得详细一些。而且，我也把全部的参考代码放在了 Sparrow Recsys 项目 TFRecModel 模块的 EmbeddingMLP.py，你可以结合它来听我下面的讲解。 我们先来看第一步，导入 TensorFlow 包。 如果你按照实战准备一的步骤配置好了 TensorFlow Python 环境，就可以成功地导入 TensorFlow 包。接下来，你要做的就是定义好训练数据的路径 TRAIN_DATA_URL 了，然后根据你自己训练数据的本地路径，替换参考代码中的路径就可以了。

import tensorflow as tf


TRAIN_DATA_URL = "file:///Users/zhewang/Workspace/SparrowRecSys/src/main/resources/webroot/sampledata/modelSamples.csv"
samples_file_path = tf.keras.utils.get_file("modelSamples.csv", TRAIN_DATA_URL)

第二步是载入训练数据，我们利用 TensorFlow 自带的 CSV 数据集的接口载入训练数据。注意这里有两个比较重要的参数，一个是 label_name，它指定了 CSV 数据集中的标签列。另一个是 batch_size，它指定了训练过程中，一次输入几条训练数据进行梯度下降训练。载入训练数据之后，我们把它们分割成了测试集和训练集。

def get_dataset(file_path):
    dataset = tf.data.experimental.make_csv_dataset(
        file_path,
        batch_size=12,
        label_name='label',
        na_value="?",
        num_epochs=1,
        ignore_errors=True)
    return dataset



# sample dataset size 110830/12(batch_size) = 9235
raw_samples_data = get_dataset(samples_file_path)


test_dataset = raw_samples_data.take(1000)
train_dataset = raw_samples_data.skip(1000)

第三步是载入类别型特征。 我们用到的类别型特征主要有这三类，分别是 genre、userId 和 movieId。在载入 genre 类特征时，我们采用了 tf.feature_column.categorical_column_with_vocabulary_list 方法把字符串型的特征转换成了 One-hot 特征。在这个转换过程中我们需要用到一个词表，你可以看到我在开头就定义好了包含所有 genre 类别的词表 genre_vocab。

在转换 userId 和 movieId 特征时，我们又使用了 tf.feature_column.categorical_column_with_identity 方法把 ID 转换成 One-hot 特征，这个方法不用词表，它会直接把 ID 值对应的那个维度置为 1。比如，我们输入这个方法的 movieId 是 340，总的 movie 数量是 1001，使用这个方法，就会把这个 1001 维的 One-hot movieId 向量的第 340 维置为 1，剩余的维度都为 0。

为了把稀疏的 One-hot 特征转换成稠密的 Embedding 向量，我们还需要在 One-hot 特征外包裹一层 Embedding 层，你可以看到 tf.feature_column.embedding_column(movie_col, 10) 方法完成了这样的操作，它在把 movie one-hot 向量映射到了一个 10 维的 Embedding 层上。

genre_vocab = ['Film-Noir', 'Action', 'Adventure', 'Horror', 'Romance', 'War', 'Comedy', 'Western', 'Documentary',
               'Sci-Fi', 'Drama', 'Thriller',
               'Crime', 'Fantasy', 'Animation', 'IMAX', 'Mystery', 'Children', 'Musical']


GENRE_FEATURES = {
    'userGenre1': genre_vocab,
    'userGenre2': genre_vocab,
    'userGenre3': genre_vocab,
    'userGenre4': genre_vocab,
    'userGenre5': genre_vocab,
    'movieGenre1': genre_vocab,
    'movieGenre2': genre_vocab,
    'movieGenre3': genre_vocab
}


categorical_columns = []
for feature, vocab in GENRE_FEATURES.items():
    cat_col = tf.feature_column.categorical_column_with_vocabulary_list(
        key=feature, vocabulary_list=vocab)
    emb_col = tf.feature_column.embedding_column(cat_col, 10)
    categorical_columns.append(emb_col)


movie_col = tf.feature_column.categorical_column_with_identity(key='movieId', num_buckets=1001)
movie_emb_col = tf.feature_column.embedding_column(movie_col, 10)
categorical_columns.append(movie_emb_col)


user_col = tf.feature_column.categorical_column_with_identity(key='userId', num_buckets=30001)
user_emb_col = tf.feature_column.embedding_column(user_col, 10)
categorical_columns.append(user_emb_c

第四步是数值型特征的处理。 这一步非常简单，我们直接把特征值输入到 MLP 内，然后把特征逐个声明为 tf.feature_column.numeric_column 就可以了，不需要经过其他的特殊处理。

numerical_columns = [tf.feature_column.numeric_column('releaseYear'),
                   tf.feature_column.numeric_column('movieRatingCount'),
                     tf.feature_column.numeric_column('movieAvgRating'),
                     tf.feature_column.numeric_column('movieRatingStddev'),
                     tf.feature_column.numeric_column('userRatingCount'),
                     tf.feature_column.numeric_column('userAvgRating'),
                     tf.feature_column.numeric_column('userRatingStddev')]

第五步是定义模型结构。 这一步的实现代码也非常简洁，我们直接利用 DenseFeatures 把类别型 Embedding 特征和数值型特征连接在一起形成稠密特征向量，然后依次经过两层 128 维的全连接层，最后通过 sigmoid 输出神经元产生最终预估值。

preprocessing_layer = tf.keras.layers.DenseFeatures(numerical_columns + categorical_columns)


model = tf.keras.Sequential([
    preprocessing_layer,
    tf.keras.layers.Dense(128, activation='relu'),
    tf.keras.layers.Dense(128, activation='relu'),
    tf.keras.layers.Dense(1, activation='sigmoid'),
])

第六步是定义模型训练相关的参数。 在这一步中，我们需要设置模型的损失函数，梯度反向传播的优化方法，以及模型评估所用的指标。关于损失函数，我们使用的是二分类问题最常用的二分类交叉熵，优化方法使用的是深度学习中很流行的 adam，最后是评估指标，使用了准确度 accuracy 作为模型评估的指标。

model.compile(
    loss='binary_crossentropy',
    optimizer='adam',
    metrics=['accuracy'])

第七步是模型的训练和评估。 TensorFlow 模型的训练过程和 Spark MLlib 一样，都是调用 fit 函数，然后使用 evaluate 函数在测试集上进行评估。不过，这里我们要注意一个参数 epochs，它代表了模型训练的轮数，一轮代表着使用所有训练数据训练一遍，epochs=10 代表着训练 10 遍。

model.fit(train_dataset, epochs=10)


test_loss, test_accuracy = model.evaluate(test_dataset)


print('\n\nTest Loss {}, Test Accuracy {}'.format(test_loss, test_accuracy)

如果一切顺利的话，你就可以看到模型的训练过程和最终的评估结果了。从下面的训练输出中你可以看到，每轮训练模型损失（Loss）的变化过程和模型评估指标 Accruacy 的变化过程。你肯定会发现，随着每轮训练的 Loss 减小，Accruacy 会变高。换句话说，每轮训练都会让模型结果更好，这是我们期望看到的。需要注意的是，理论上来说，我们应该在模型 accuracy 不再变高时停止训练，据此来确定最佳的 epochs 取值。但如果模型收敛的时间确实过长，我们也可以设置一个 epochs 最大值，让模型提前终止训练。

Epoch 1/10
8236/8236 [==============================] - 20s 2ms/step - loss: 2.7379 - accuracy: 0.5815
Epoch 2/10
8236/8236 [==============================] - 21s 3ms/step - loss: 0.6397 - accuracy: 0.6659
Epoch 3/10
8236/8236 [==============================] - 21s 3ms/step - loss: 0.5550 - accuracy: 0.7179
Epoch 4/10
8236/8236 [==============================] - 21s 2ms/step - loss: 0.5209 - accuracy: 0.7431
Epoch 5/10
8236/8236 [==============================] - 21s 2ms/step - loss: 0.5010 - accuracy: 0.7564
Epoch 6/10
8236/8236 [==============================] - 20s 2ms/step - loss: 0.4866 - accuracy: 0.7641
Epoch 7/10
8236/8236 [==============================] - 20s 2ms/step - loss: 0.4770 - accuracy: 0.7702
Epoch 8/10
8236/8236 [==============================] - 21s 2ms/step - loss: 0.4688 - accuracy: 0.7745
Epoch 9/10
8236/8236 [==============================] - 20s 2ms/step - loss: 0.4633 - accuracy: 0.7779
Epoch 10/10
8236/8236 [==============================] - 20s 2ms/step - loss: 0.4580 - accuracy: 0.7800
1000/1000 [==============================] - 1s 1ms/step - loss: 0.5037 - accuracy: 0.7473




Test Loss 0.5036991238594055, Test Accuracy 0.747250020503997

最终的模型评估需要在测试集上进行，从上面的输出中我们可以看到，最终的模型在测试集上的准确度是 0.7472，它意味着我们的模型对 74.72% 的测试样本作出了正确的预测。当然了，模型的评估指标还是很多，我们会在之后的模型评估篇中进行详细的讲解。

小结

这节课是我们深度学习模型实践的第一课，我们要掌握两个重点内容，一是 Embedding+MLP 的模型结构，二是 Embedding+MLP 模型的 TensorFlow 实现。

Embedding+MLP 主要是由 Embedding 部分和 MLP 部分这两部分组成，使用 Embedding 层是为了将类别型特征转换成 Embedding 向量，MLP 部分是通过多层神经网络拟合优化目标。具体来说，以微软的 Deep Crossing 为例，模型一共分为 5 层，从下到上分别是 Feature 层、Embedding 层、Stacking 层、MLP 层和 Scoring 层。

在 TensorFlow 实践部分，我们利用上节课处理好的特征和训练数据，实现了 Sparrow Recsys 项目中的第一个深度学习模型。在实践过程中，我们要重点掌握类别型特征的处理方法，模型的定义方式和训练方式，以及最后的模型评估方法。我也把这些重点知识总结在了一张表格里，你可以利用它来认真回顾。

今天，我们一起完成了 Embedding MLP 模型的实现。在之后的课程中，我们会进一步实现其他深度学习模型，通过模型的评估进行效果上的对比。另外，我们也会利用训练出的深度学习模型完成 Sparrow Recsys 的猜你喜欢功能，期待与你一起不断完善我们的项目。

课后思考

在我们实现的 Embedding+MLP 模型中，也有用户 Embedding 层和物品 Embedding 层。你觉得从这两个 Embedding 层中，抽取出来的用户和物品 Embedding，能直接用来计算用户和物品之间的相似度吗？为什么？