面向微博用户的个性化推荐算法研究

周炜翔,张 雯,杨 博,柳 毅,张 琳,张仰森

(1.北京信息科技大学 智能信息处理研究所,北京 100101; 2.国家计算机网络应急技术处理协调中心,北京 100029)

0 概述

微博作为新兴的互联网社交平台,其以实时性、开放性、互动性和便捷性为人们进行意见表达和信息交流提供了良好的媒介,已超越传统媒体成为新的信息聚集地,并以极快的速度影响着社会的信息传播格局[1]。目前,人们通过微博获取信息的方式主要是通过关注的好友发布的微博信息、通过微博平台的“热门话题”推荐的相关热点微博和通过微博的检索功能检索包含特定关键词的微博。以上信息获取方式都是面向所有微博用户进行推荐的,缺乏一种针对特定用户的个性化推荐功能。同时,由于微博数量巨大,为用户及时、有效地获取自己感兴趣的微博内容带来了极大的困难[2]。因此,针对微博的个性化信息服务技术得到了国内外学者的广泛关注,成为当前社会媒体领域研究的热点。

为提升微博个性化推荐的服务效果,本文提出一种基于情景建模和卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)的微博个性化推荐模型,在分析微博用户行为模式的基础上,从时间和地域两个维度对用户进行情景建模,构建用户个性化情景模式库,采用卷积神经网络实现微博用户的个性化推荐。

1 相关研究

个性化推荐通过采集系统中用户和物品的信息,采用一系列的计算模型对用户的信息选择和决策提供支持。目前的个性化推荐算法主要分为基于协同过滤(Collaborative Filtering,CF)的推荐算法和基于内容的推荐算法。协同过滤的推荐算法[3]是最早的推荐模型,主要是从历史数据(如用户以前对物品的评分)中发现用户和物品的联系,构成评分矩阵,通过预测用户对未知物品的评分来进行个性化推荐。文献[4]在协同过滤的推荐算法的基础上提出一种基于概率的共识模型(Consensus Model,COM),通过研究群体活动的生成过程,根据群体中每个成员的行为特征,构建基于组的推荐算法。为解决协同过滤算法中的数据稀疏问题,文献[5]提出一种协同知识库嵌入(Collaborative Knowledge Base Embedding,CKE)的集成框架,采用堆叠的去噪自动编码器和卷积自动编码器提取物品的文本表示和视觉表示,并在两个不同实际运用情景中的实际数据集合上验证了算法的适用性。

为解决协同过滤的推荐算法中推荐个性化不足的问题、冷启动的问题以及相似用户群的局限性问题,研究人员提出了基于内容的推荐模型。基于内容的推荐模型[6-7]具有较强的可解释性,每个用户的推荐结果都是由其先前的行为决定的,在推荐结果个性化方面具有相当的优势;同时,在形成推荐结果时,直接比较候选推荐对象与用户兴趣模型的相似性,不存在冷启动的问题。但基于内容的推荐方法也存在着推荐多样性不足与用户兴趣随时间变化的不足[8]。

近年来学者们着力探索更有效的推荐技术,并对传统推荐算法进行了融合、改进。如文献[9]把协同过滤算法与LDA主题模型相结合,构建了LDA-MF和LDA_CF的混合协调过滤方法;同样,文献[10]将协同过滤算法和内容过滤算法相融合,提出一种融合协同过滤和内容过滤的混合推荐方法。

同时,推荐算法并不是独立存在的,需要根据各种平台的特性进行优化,学者们不断探索社交平台数据的特殊性,并研究适合微博数据的推荐算法。如文献[11]通过研究真实的微博数据,分析微博信息和社区信息对推荐结果的影响,验证了社区信息对个性化推荐的重要性,文献[12]通过修改传统协同过滤算法中的各阶段参数,在算法中加入社区信息的影响,验证了利用社区信息相似度修订的SNCF-RM有更好的推荐效率,文献[13]根据标签关联和用户社交关系进行建模,用于识别用户的兴趣,文献[14]设计了基于概率模型的协同过滤算法,分析tweet的文本内容和用户之间的交互关系,用于为用户推荐感兴趣的用户和微博。这些研究在推荐效率上都取得了一定的成功,但是由于微博环境的复杂性和微博数据的独特性,其推荐效果性能还有很大的提升空间。

微博平台是一个错综复杂的社会环境,其信息的产生与交换都存在特定的情景模式,情景模式的有效捕捉,对于提升微博个性化推荐具有重要的意义[15]。为此,本文构建了一种基于情景建模和卷积神经网络的微博个性化推荐模型(Scene Modeling and Convolutional Neural Network Mode SM-CNN),其模型结构如图1所示。具体来说,本文从时间维度和地域维度两个方面对用户发布、评论、转发、点赞的微博文本进行情景建模,提取微博用户所关注的特定情景模式,然后采用微博语料库对用户的情景模式进行扩展形成微博用户的个性化情景模式库,在个性化情景模式库的基础上,采用卷积神经网络[16]构建用户个性化推荐模型,实现对微博系统中的热点微博进行个性化推荐。微博文本的情景建模改善了用户的数据稀疏问题,基于卷积神经网络的推荐算法有效地提升了推荐的性能。

图1 SM-CNN模型结构Fig.1 SM-CNN model structure

2 微博用户的情景建模

在微博系统中,用户的行为偏好与特定的情景模式密不可分,微博用户的偏好随着时间变化而发生变化,在同一天内的不同时间段,其关注的重点是不同的,如用户在早晚的闲暇时浏览微博,则比较着重于实时新闻型的微博或娱乐性微博;而在上班时间浏览微博,更倾向于浏览技术类的微博。同时,微博用户的偏好也随着地点的改变而变化,如用户在常住地点比较倾向于关注与本地区日常生活相关的微博,而在一些旅游地点则倾向于关注当地的风土人情、旅游特色之类的微博。因此,本文主要从时间和地域两个维度对微博用户常常关注的情景模式进行建模,通过微博语料库构建用户个性化的模式库,实现微博用户感兴趣情景模式倾向的发现。

2.1 情景模式的提取

情景模式获取主要包括以下3种方式:1)显式获取,即通过直接接触相关人士和其他情境信息源,直接问问题或者以引导性的方式显式获取这些信息;2)隐式获取,即隐式地从数据或环境中获得,例从微博平台上获得用户的位置变动信息,或可以从一个事务的时间戳隐式地获得时间的情境信息;3)推断获取,通过统计和数据挖掘方法推断出情景信息。针对微博平台的特点,本文采用以上3种方式相结合的方法进行情景模式的提取,具体步骤如下:

步骤1对微博文本进行分词预处理,若微博文本中存在时间词和地点词,则进行提取。

步骤2提取微博的主题词及其权重。

步骤3根据微博文本中的时间词和地点词进行情景模式的提取。

步骤4提取微博发布的时间和地点,根据微博发布的时间和地点进行情景模式的提取。

2.1.1 微博主题词及其权重的提取

根据主题相关词在微博文本中出现的频次和是否出现在微博的标签中,本文对传统的TF-IDF算法进行改进,提出了基于话题标签信息熵的TIE算法,用于提取微博的主题词及其权重,其计算方法如式(1)所示:

(1)

其中,TIE(wij)表示词wi在微博j中的TIE值,TI(wij)表示词语wi在微博j中的TF-IDF值,其计算方法如式(2)所示,TagE(wi)表示词wi的标签信息熵,其计算方法如式(3)所示:

(2)

(3)

通过计算微博文本中每个词语的TIE值,获取微博文本的主题词语及其对应的权重,按照权重的大小,将每条微博表示为主题词及其权重的集合,即WeiBoi={t1:w1,t2:w2,…,tn:wn},其中,ti为主题词,wi为其对应的权重。

2.1.2 时间情景的提取

按照微博文本中的时间词及微博发布的时间,将时间按照每3 h一个时间段进行划分,取值分别为{0,3,6,9,12,15,18,21},构建时间情景提取模型如式(4)所示:

TimeSceneWeiBoi=

(4)

其中,WeiBoi为微博的主题词表示,time为微博发布的时间值。

2.1.3 地域情景的提取

按照微博文本中的地点词及微博发布的地点,将地点按照省份进行划分,其取值为省份的名称,构建地域情景提取模型如式(5)所示:

LocationSceneWeiBoi=

(5)

其中,WeiBoi为微博的主题词表示,location为微博发布的省份名称。

2.2 情景模式的泛化

从微博中提取的用户情景模式一般都过于具体,缺乏一定的代表性,因此,本文在提取情景模式的基础上,制定了一定的泛化规则,从时间、地点、人物3个维度,将现有的情境模式泛化为一般的情境模式,实现对用户情景模型的泛化。部分泛化规则如下:

人物:男/女→任意人

地点:地铁/公交→交通工具→任意地点

家→区→市→省→任意地点

办公室→公司→任意地点

时间:周一→工作日→任意时间

那么情境s=(男士,地铁,周一)可以泛化为:s1=(任意人,地铁,工作日);s2=(男士,任意地点,工作日);s3=(男士,地铁,任意时间)。

2.3 用户个性化情景模式库的构建

用户个性化情景模式库中包含的微博是与用户相关的微博,反映的是用户感兴趣的情景模式倾向,但是用户发布、评论、转发以及点赞的微博数目相较于微博库中的微博只是占到了很少的比例,如果仅仅采用这部分微博构建用户个性化情景模式库,作为用户个性化推荐的初始数据会存在严重的数据稀疏现象。为进一步获取更多用户感兴趣的微博数据,需要在现有情景模式的基础上,借助于微博语料库,提取更多用户感兴趣的微博。用户个性化情景模式库构建的具体步骤如下:

步骤1爬取特定用户发布、评论、转发、点赞的微博,构建用户微博语料库。

步骤2以特定的数目的微博用户为起点,爬取用户及其关注者和被关注者发布、评论、转发、点赞的微博,构建微博语料库。

步骤3提取用户微博库和微博语料库中每一条微博的时间情景模式和地域情景模式。

步骤4按照情景模式的值对微博语料库和用户微博库中的微博进行划分。

步骤5计算对应情景模式值下的微博语料库中的微博与用户微博库中每一条微博的相似度值,如果最大的相似度大于某一阈值α,则将该条微博加入用户个性化情景模式库。相似度计算方法如下:

微博语料库中微博Wc和用户微博库中微博Wu的情景模式分别表示为:

Wc={tc1:wc1,tc2:wc2,…,tcn:wcn;sc}

Wu={tu1:wu1,tu2:wu2,…,tun:wun;su}

其中,t为微博中对应的主题词,w为主题词的权值,s为对应情景模式的值,则Wc和Wu的相似度计算方法如下:

首先,任取i∈{1,2,…,n}计算词语tci和tui间的语义相似度,其语义相似度的计算采用Word2Vec[17]模型进行计算,其模型的构建将在下文实验部分进行介绍。然后,根据语义相似度的值将Wc和Wu的主题词分为n组,每组为Wc和Wu中主题词语义最相近的词。最后,采用式(6)计算每组主题词权重的加权平均和,其结果即为Wc和Wu的相似度值。

(6)

3 微博个性化推荐模型

在用户个性化微博库的基础上,本文引入卷积神经网络模型,采用情感分类的思想,构建微博个性化推荐模型。具体来说,本文将用户个性化微博库中的微博作为分类模型中的正例,从微博语料库中随机选取与正例数目等量的微博作为负例,组成用户微博个性化推荐模型的训练数据,通过模型的训练,学习用户感兴趣微博的情景模式倾向,构建用户微博个性化推荐模型。模型参考了文献[18]的情感分类模型,主要采用多通道的卷积神经进行特征提取,运用池化层进行特征采样,并通过全连接层和Softmax层进行语义分类。具体的结构如图1的微博个性化推荐模型部分所示。

在卷积神经网络中,本文采用多个通道的h×k滤波器对输入词向量矩阵进行卷积操作,获取对应窗口内的局部特征以及输入微博文本的特征图,其计算如式(7)所示:

ci=f(w·Xi:i+h-1+b)

(7)

C=[c1,c2,…,cn-h+1]

(8)

在池化层采用最大池化的策略,获取特征图中最重要的特征作为当前卷积操作的特征输出,如式(9)所示:

(9)

由于本文采用的是多通道的卷积神经网络,将提取多种类型的特征,通过对各种类型的特征进行组合,输入到全连接层进行特征融合。在融合特征的基础上,通过Softmax输出分类结果,输出的结果中的正例将作为用户个性化推荐的备选微博。

得到备选微博后,采用第2节的方法,提取每条微博的时间情景模型和地域情景模型,采用第2.3节用户个性化微博库的构建方法,选取TopN的微博作为用户个性化推荐的微博。

4 实验结果与分析

4.1 实验数据

为构建微博语料库,采用开源的爬虫框架WebCollecter实现一个微博爬虫程序,爬取新浪微博中的用户信息及其相关的微博数据,总共爬取1 261 967名用户及其相关信息,182 672 450条微博数据,用户包括普通用户、知名人士、网络营销号、官方认证机构等,其发布的微博数量及其粉丝数与关注数非常不平衡,用户发布微博的变化区间为[3,17 382],用户的粉丝数的变化区间为[12,12 006 518]。通过进行一系列的微博文本预处理,如繁简转换、URL替换、短小无意义微博的剔除等,最终构建了一个包含104 652 972条的微博语料库。微博语料库中的微博共包含词语3 334 763 247个,本文采用这些语料训练了一个Word2Vec模型,在训练的过程中采用Skip-gram模型,其他相关参数均采用默认设置。经过训练,最终得到了一个包含850 599个词的词向量,每个词的词向量的维数为200。

4.2 实验结果的评测

由于目前还没有微博推荐方面的公共数据集,个性化推荐的结果因人而异,其评测指标很难直接以准确率和召回率来评价,因此本文采用平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)和用户满意度(Average User Satisfaction,AUS)进行评价,参与评测的用户为邀请的志愿者,评测者在对模型毫不知情的情况下参与评测,其中MAE和AUS的计算方法如式(10)和式(11)所示:

(10)

(11)

其中,m为参与评测的志愿者的数目,n为每个用户推荐的微博的数目,Sim(wi,wij)表示为用户i推荐的第j条微博与用户个性化微博库的相似度,其计算方法见第2.3节,feedbackij为用户i对推荐的第j条微博的反馈情况,反馈结果分为3个等级:“不喜欢,无感,喜欢”,其取值为{-1,0,1}。

在以上数据集和评测指标的基础上,本文设计了如下3个实验:1)微博情景模式相似度阈值α的确定;2)本文推荐模型的效果评估;3)时间情景模型和地域情景模型的对比。

4.3 结果分析

4.3.1 微博情景模式相似度阈值的确定

在用户微博个性化微博库构建过程中,通过情景模式的相似度计算,对用户感兴趣的微博进行了扩展,如果采用所有扩展的微博进行相似度阈值的确定,会给志愿者带来大量的反馈工作量,因此,本文仅从扩展的微博中随机挑选50条让用户进行评估。在评估过程中采用AUS指标对用户的反馈情况进行评估。一般来说,相似度阈值α取值越大,AUS的值越大,但是,过大的阈值会导致扩展的微博数目越来越小,这就失去了进行微博扩展的意义,其表现为MAE的值越来越小。因此,需要通过AUS和MAE的变化趋势来寻找扩展数目和相似度阈值之间的平衡点。相似度阈值α与MAE、AUS的关系如图2所示。

图2 α与MAE、AUS的关系Fig.2 Relationship of α and MAE,AUS

从图2可以看出,相似度阈值α越小,扩增的微博平均绝对误差(MAE)值越大,用户满意度(AUS)越低。随着相似度阈值的增大,MAE越来越小,AUS越来越大,用户对扩增微博的满意程度逐渐增加。在α=0.80时,MAE和AUS的变化趋于平缓,说明相似度大于0.8的微博作为用户感兴趣的微博扩增到个性化微博库的效果较好,如果再增加α的取值,用户满意程度的提升有限,反而会带来扩增微博数量的减少。因此,选取0.80作为相似度阈值α的取值。

4.3.2 推荐效果的性能评估

为验证本文模型的有效性和先进性,在选定参数α=0.80时,选择融合标签关系与用户关系推荐算法(ILCAUSR)[19]、基于社区发现的微博个性化推荐算法(RA-CD)[20]、用户互动话题的微博推荐算法(IBCF)[21]与本文基于情景建模和卷积神经网络的推荐模型(SM-CNN)进行对比,各个对比模型中的参数均采用论文中选择的最优参数,实验结果如表1所示。

表1 推荐效果对比Table 1 Comparison of recommend effects

从表1可以看出,无论在MAE指标还是AUS指标,本文的SM-CNN模型均达到了最优效果。在平均绝对误差(MAE)方面,本文提出的SM-CNN模型较最好的IBCF模型误差降低了1.36;在用户满意度(AUS)方面,本文提出的SM-CNN模型较最好的RA-CD模型提高了2.75%,从而证明本文提出的SM-CNN模型的有效性。

融合标签间关联关系与用户间社交关系的微博推荐方法(ILCAUSR),采用标签检索策略和用户关系网构建微博用户-标签矩阵,实现多标签关联的微博推荐,但用户-标签矩阵的稀疏程度对微博推荐的准确性影响较大。基于社区发现的微博个性化推荐算法(RA-CD),通过改进用户建模方法,融合社区发现算法,构造推荐微博效用函数,实现微博内容的个性化推荐,但该方法在用户建模时没有考虑情境因素的影响。基于用户互动话题的微博推荐算法IBCF通过挖掘用户好友的关系话题,实现微博个性化推荐,但该方法只考虑了话题关系,对用户社交关系、情境模式倾向等特征未做充分考虑。与以上3种方法相比,本文SM-CNN模型的优越性主要体现在以下2个方面:

1)时间情景模型和地域情景模型的提取对于获取用户的兴趣倾向带来了很大的帮助。通过情景建模构建的用户个性化情景模式库充分涵盖了用户感兴趣微博的情景倾向。

2)基于卷积神经网络的分类模型的引入为推荐模型的性能提升带来了较大的贡献。卷积神经网络的分类模型研究已经比较充分,技术相对比较成熟,对推荐性能的提升帮助很大。

4.3.3 时间情景模型和地域情景模型的对比

为更进一步研究时间情景模型和地域情景模型对推荐效果的影响,本文设置了3组对照实验,分别为基于时间情景模型的推荐、基于地域情景的推荐、基于时间情景和地域情景相结合的推荐,实验结果如图3所示。

图3 时间情景模型和地域情景模型的实验结果对比Fig.3 Comparison of experimental results of time scenario model and regional scene scenario model

从图3可以看出,结合时间情景和地域情景的推荐效果最佳,同时基于时间情景模型的效果要好于基于地域情景模型。本文认为原因主要有以下2个方面:1)用户在发布微博时,对于地点定位的标注不是很全面和具体,只是对其中的一部分微博进行了定位标注,很大一部分微博都缺乏具体的地域信息,使得很多微博都无法提取其地域情景模式;2)用户活动的地域一般比较固定,很少有人会频繁地更换地理位置,使得其地域情景模式中的地域值比较单一。以上2点为用户地域情景的提取带来了一定的障碍,也导致了基于地域情景的推荐效果不如基于时间情景的推荐效果。

5 结束语

本文提出一种基于情景建模和卷积神经网络的微博推荐算法,通过提取用户关注的时间情景模型和地域情景模型构建用户个性化微博库,在此基础上采用卷积神经网络对热点微博进行分类,实现用户的个性化微博推荐。情景模型的引入有助于获取用户的兴趣倾向,同时,基于卷积神经网络的分类模型提高了推荐的性能。但是,本文仅提取了时间情景模型和地域情景模型,比较单一,如何对情景模型进行细化,构建更具有代表性的情景模型,同时利用卷积神经网络在抽象特征抽取方面的优势,挖掘微博字词层面上的语义特征,将是下一步需要研究的重点。