WWW 2023 | 无图协同过滤

©PaperWeekly 原创 · 作者 | 夏良昊

单位 | 香港大学

研究方向 | 推荐系统

论文题目：

Graph-less Collaborative Filtering

收录会议：

WWW 2023

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2303.08537

代码链接：

https://github.com/HKUDS/SimRec

港大数据智能实验室

https://sites.google.com/view/chaoh

研究背景

图神经网络（GNN）方法通过迭代的信息传播机制，能够准确地捕捉图数据的拓扑结构，得到较好的低维图表征。受到这一启发，近年来出现了多种基于图神经网络的协同过滤（CF）方法，通过对用户、商品交互图的准确表征学习，取得了较好的个性化推荐效果。尽管现有方法已经取得了很大的成功，我们认为基于 GNN 的协同过滤方法在根本上存在两个重要的缺陷：

过平滑和噪音问题。GNN 固有的高阶信息传播机制，可能对节点表征进行过度的平滑，使其过于相似而丧失节点本身的独有特征。同时，推荐系统中观测到的用户、商品交互中，不可避免地含有噪音信息，如用户误点、流行度 bias。GNN 迭代的信息传播机制，会同时将噪音信息进行传播，从而阻碍对真正交互信息的有效学习。
模型可扩展性问题。为了捕捉多跳的交互关系，GNN 模型需要进行迭代的信息传播，从而将每个节点的表征传递至多跳外的其他节点。这一过程使得 GNN 模型在推理阶段，需要进行重复多次的全局信息传播，导致了其相对 MLP 等简单模型更大的开销，使其难以应用到大规模数据上。

为了解决以上 GNN-based CF 模型中的问题，我们需要应对以下挑战：

在用户、商品交互建模中，如何以一种高效的方式将全局、高阶的协同信号进行保留。
在捕捉高阶协同关系的同时，如何使模型能够对抗过平滑和噪音问题。

如下图所示，我们展示了本文所提出的 SimRec 模型在上述问题上的表现。

具体来说，图（a）显示，SimRec 能够在保持极低的推理时间前提下，达到甚至更好的模型预测效果；图（b）显示，面对两个有着不同交互兴趣、但又被噪音边所连接的用户来说，SimRec 中基于多层感知机（MLP）的学生模型，相对于 GNN 模型，能够显著识别出这种噪音连接关系，降低两个用户的表征相似性；图（c）显示，由于更好的对抗过平滑能力，SimRec 模型能够学习分布更广、更均匀的低维节点表征。

知识蒸馏（KD）能够将大模型学得的知识有效提炼、蒸馏到小模型中，从而在保持较好预测能力的情况下提升模型性能，在 CV、NLP、图学习等多个领域中取得了较好的效果。传统的知识蒸馏方法，通过对齐大模型和小模型的预测结果，赋予小模型和大模型相近的建模能力。

然而，由于协同过滤数据中显著的数据稀疏和数据噪声问题，GNN-based 大模型中的过平滑和噪声信号无法在蒸馏过程中进行过滤，会导致得到的小模型仍然容易受到这一问题的困扰。但是，最近在对比学习方向上的推进，使我们能够使用对比学习方法产生更多的监督信号，不仅能在蒸馏的过程中得到更好的抗平滑蒸馏效果，也能在传统蒸馏方法的基础上进一步提升蒸馏效率。

在本工作中，我们提出了一种无图（graph-less）的协同过滤框架 SimRec，能够在不使用复杂的图结构信息的情况下，同时提高推荐模型的效果和效率。具体来说，我们设计了一种包含两种对齐方法的知识蒸馏框架，从基于 GNN 的教师模型蒸馏知识到高效的 MLP 学生模型中。在我们的蒸馏方法设计中，不仅对教师模型的预测结果，也对它的隐藏层表征进行蒸馏。

此外，为了增强蒸馏方法的抗噪声、抗过平滑能力，我们设计了一种采用对比学习正则的自适应蒸馏方法，以在蒸馏的过程中削弱 GNN 教师模型收到噪声和过平滑的影响。

总的来说，本文主要做出了以下贡献：

我们提出了一种对比知识蒸馏方法，将基于 GNN 的 CF 模型压缩为一个简单的 MLP 推荐模型，同时提升模型的效果和效率。
我们从两个方面进行了理论分析：i）本文的蒸馏方法能够进行自适应的高阶平滑；ii）本文方法能够显著扩充自监督信号。
我们在公开数据集上进行了全面的实验，验证了本文所提出的 SimRec 方法能够显著提升 CF 任务的有效性。

模型介绍

本章介绍所提出的 SimRec 方法，主要包括基于 GNN 多教师模型、基于 MLP 的学生模型，从 prediction-level 和 embedding-level 两种角度进行的知识蒸馏，以及自适应的对比学习正则约束。模型框架如下图所示。

2.1 通用协同过滤架构

协同过滤方法根据历史观测的用户、商品交互记录，对用户、商品进行表征学习，再根据学得的表征进行用户便好预测。基于不同模型架构的协同过滤方法，一般都可以表述为下面的两个阶段，即 emebdding 表征学习阶段，和 prediction 根据表征进行预测的阶段。

基于 MLP 的协同过滤方法，使用简单的 MLP 网络对用户初始 embedding 进行深度特征提取，并使用内积度量 embedding 之间的相关性，从而实现对用户、商品关系的预测。这种方法的目标在于提取 embedding 中的深层特征，在 embedding 阶段不利用交互数据，因此具有较高的效率，不易于受到过平滑和噪音数据的影响。

而基于 GNN 的协同过滤方法，在 embedding 阶段使用 GNN 进行特征提取，在预测阶段通常仍使用简单的内积度量。由于对高阶交互关系的有效利用，GNN-based CF 通常具有更高的准确性，但也使其在预测阶段效率降低，且易于受到噪音和过平滑关系数据的影响。

基于上述两种模型优劣的讨论，本文提出使用 GNN 模型作为教师模型，使用 MLP 模型作为学生模型，以求同时保持两者的优势，摒弃两者的劣势，得到准确且高效的 CF 模型。

2.2 对比知识蒸馏

为了蒸馏 GNN 模型中的知识到学生模型，SimRec 采用了预测结果蒸馏（Prediction-Level Distillation）和表征蒸馏（Embedding-Level Distillation）两种知识蒸馏方式。

首先，参考基于 KL 散度的传统知识蒸馏方法，SimRec 对教师模型和学生模型的预测结果进行对齐。受到推荐系统研究中排序损失函数 BPR 的启发，SimRec 通过排序任务来对齐两个模型的预测结果。

具体来说，我们随机采样一些用户、商品三元组，每个三元组包括一个用户和两个商品，SimRec 的教师模型和学生模型，会分别预测三元组中用户对两件商品的偏好分数差值。预测结果蒸馏采用二分类交叉熵损失函数，来拉近两个模型预测分数的差距。

值得注意的是，与普通的知识蒸馏方法不同，SimRec 的预测结果蒸馏针对 CF 场景的特点，进行了独特的暗知识挖掘。具体来说，普通的 KD 方法一般针对多分类问题，在知识蒸馏过程中，不仅学习哪个类别分数最高，也会学习所有类别之间的分数高低关系，来扩充蒸馏的训练样本，使学生模型能够从教师模型中学习得到隐含的暗知识。

然而，简单将 CF 任务视为多分类问题是有问题的，CF 场景中有数量庞大的商品作为类别，使得蒸馏时教师模型给出的软标签，数值很容易接近 0，导致难以排序。为了解决这一问题，我们的预测结果蒸馏采用了成对排序任务，通过更丰富的训练样本对来充分挖掘教师模型中的暗知识。

在预测结果蒸馏之外，SimRec 进一步进行了表征蒸馏，以对齐教师和学生模型的隐含表征。我们采用对比学习方法，拉近两个模型对同一个用户、商品节点给出的表征，推远不同节点的表征。在这一过程中，教师模型的表征不进行更新。为了进一步强调 GNN 模型的高阶特性，我们仅利用 GNN 模型的高阶表征。通过这一方法，不仅进一步对齐了两个模型，也带来了更高的蒸馏效率。

2.3 自适应对比正则

为了防止 GNN 模型中的过平滑和噪音信号，通过知识蒸馏对学生模型产生负面影响，SimRec 受到对比学习损失启发，通过全局性地推开任意两点的表征，对学生模型的表征学习进行正则。为了更好地区分过平滑信号和正常的平滑信号，SimRec 计算蒸馏任务的梯度与主任务梯度之间的相似性，根据这一相似性对对比正则进行自适应的权重调整。

实验结果

我们在 Gowalla、Yelp、Amazon 三个数据集上进行了对比实验，数据集统计信息如下

在实验中，SimRec 取得了稳定优于基线方法的模型效果，并通过 t-test 验证了效果提升的显著性。同时我们观测到，非 GNN 的基线方法，如 NCF、AutoR，只能取得较差的模型效果，但 SimRec 优越的预测性能同样是通过简单的 MLP 网络得到，这充分验证了使用蒸馏方法对简单 MLP 方法进行监督所能带来的巨大提升。

我们进行了详尽的消融实验，从以下结果可以看出，SimRec 的各个模块，包括两种蒸馏方法和自适应的对比正则，不仅可以带来最终模型效果的提升，还能够带来更快的模型优化速度。

此外，通过在大规模数据集上的实验，我们验证了 SimRec 模型在大规模数据集上，不仅仍然能够取得较好的效果，也能通过免除对大规模图结构数据的处理、采样，达到显著更高的模型效率。

总结

本文提出了一种对比知识蒸馏方法，能够自适应地从 GNN 教师模型中迁移知识到简单的多层感知机模型，显著提升了推荐模型的鲁棒性和效率。自适应的对比正则损失能够约束知识蒸馏，得到具备更好抗过平滑和噪声能力的用户、商品表征。通过全面的实验，我们验证了 SimRec 模型在效果和效率上的优越性。

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