1. 概述

Behavior Sequence Transformer（BST）算法是由阿里在2019年提出的算法，应用于淘宝推荐中的ranking阶段。在目前的推荐系统中，主流的深度学习方案，如WDL，并没有充分利用用户的行为序列（User’s Behavior Sequence），在BST算法中，利用Transformer充分挖掘用户的行为序列，实现对用户行为序列的建模。

2. 算法原理

BST算法的模型结构如下图所示：

在BST模型结构中，主要包括了三个部分：第一，特征的embedding层；第二，用户行为序列的Transformer层；第三，最终的MLP层。

2.1. Embedding层

Embedding层的结构如下所示：

从上图可以看出，在特征的Embedding层，主要包括三个部分：第一，其他的特征，主要包括用户画像特征，item特征，上下文特征以及交叉特征；第二，用户行为序列特征；第三，目标item的特征。

2.1.1. 其他特征

在其他特征部分，主要包括了用户画像特征，item特征，上下文特征以及交叉特征，具体特征形式在论文中也给出，如下所示：

将这些特征的embedding向量concat在一起，得到对应的embedding形式。

2.1.2. 用户行为序列和目标item

假设用户$u$的行为序列为$S\left ( u \right )=\left \{ v_1,v_2,\cdots ,v_n \right \}$，同时还包括目标item $v_t$。对于每一个item（包括行为序列中的item以及目标item），包括两种类别的特征：第一，item的特征，如图中的红色部分；第二，位置特征，如图中的蓝色部分。对于item的特征，文章中指出使用的是item_id和category_id。为了使用Transformer刻画序列的特征，因此需要位置的特征，位置特征的计算方式为：

$$pos\left ( v_i \right )=t\left ( v_t \right )-t\left ( v_i \right )$$

其中，$t\left ( v_i \right )$表示item $v_i$被点击的时间戳。

将item特征和位置特征concat在一起，得到对应item的embedding表示。

2.2. Transformer层

在Transformer层中使用Multi-Head Attention来学习目标item与用户行为序列中的item之间的相关关系。完整的Transformer指的是基于Attention机制的经典Encoder-Decoder框架，Transformer的框架结构如下图所示：

而在BST模型中，使用的是多个Multi-Head Attention结构，即Transformer的Encoding部分。Multi-Head Attention和Scaled Dot-Product Attention结构如下图所示：

其中，Scaled Dot-Product Attention的值为：

$$Attention\left ( \mathbf{Q},\mathbf{K},\mathbf{V} \right )=softmax\left ( \frac{\mathbf{Q}\mathbf{K}^T}{\sqrt{d}} \right )\mathbf{V}$$

其中，$\mathbf{Q}$表示的是查询，$\mathbf{K}$和$\mathbf{V}$分别表示的是键和值，在BST中， $\mathbf{Q}$，$\mathbf{K}$，$\mathbf{V}$由用户行为序列和目标item的embedding的线性映射得到。

通过将Scaled Dot-Product Attention的结果concat在一起并通过线性变换得到最终的Multi-Head Attention结果：

$$\mathbf{S}=Concat\left ( head_1,head_2,\cdots ,head_h \right )\mathbf{W}^H$$

其中，$head_i=Attention\left ( \mathbf{EW}^Q,\mathbf{EW}^K,\mathbf{EW}^V \right )$。除了上述的Multi-Head Attention部分，在Transformer的Encoding部分，还包括了Point-wise Feed-Forward Networks（FFN）部分，FFN的目的是增加模型的非线性。为了防止模型的过拟合，在self-attention和FFN中都使用dropout和LeakyReLU，最终的self-attention和FFN为：

$${\mathbf{S}}'=LayerNorm\left ( \mathbf{S}+Dropout\left ( MH\left ( \mathbf{S} \right ) \right ) \right )$$

$$\mathbf{F}=LayerNorm\left ( {\mathbf{S}}'+Dropout\left ( LeakyReLU\left ( {\mathbf{S}}'\mathbf{W}^{\left ( 1 \right )}+b^{\left ( 1 \right )} \right )\mathbf{W}^{\left ( 2 \right )}+b^{\left ( 2 \right )} \right ) \right )$$

通过堆叠多个上述的self-attention block，得到最终的多层结构，通过论文中的实验可知，只需要一层上述结构就能获得最好的结果，其可能的原因是用户行为序列间的依赖关系没有那么强。

2.3. MLP层以及损失函数

最终将其他特征的embedding以及Transformer的结果concat在一起，并通过三层的MLP得到最终的CTR预测。最终的损失函数为：

$$L=-\frac{1}{N}\sum _{\left ( x,y \right )\in D}\left ( y\log\; p\left ( x \right ) +\left ( 1-y \right )log\left ( 1-p\left ( x \right ) \right )\right )$$

其中，$N$表示样本个数，$D$表示所有的样本，$y\in \left \{ 0,1 \right \}$表示的是label，$p\left ( x \right )$为模型的输出。

参考文献

[1] Chen Q , Zhao H , Li W , et al. Behavior Sequence Transformer for E-commerce Recommendation in Alibaba[J]. 2019.

[2] 阿里推荐算法（BST）: 将Transformer用于淘宝电商推荐

[3] Vaswani A , Shazeer N , Parmar N , et al. Attention Is All You Need[J]. arXiv, 2017.