深度学习在美团配送ETA预估中的探索与实践-笔记

文章作者：Tyan
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本文为美团文章学习的笔记整理。

1. 背景

ETA（Estimated Time of Arrival，“预计送达时间”），即用户下单后，配送人员在多长时间内将外卖送达到用户手中。送达时间预测的结果，将会以”预计送达时间”的形式，展现在用户的客户端页面上，是配送系统中非常重要的参数，直接影响了用户的下单意愿、运力调度、骑手考核，进而影响用户和骑手体验，以及配送系统的整体效率。

对于整个配送系统而言，ETA既是配送系统的入口和全局约束，又是系统的调节中枢。具体体现在：

ETA在用户下单时刻就需要被展现，这个预估时长继而会贯穿整个订单生命周期，首先在用户侧给予准时性的承诺，接着被调度系统用作订单指派的依据及约束，而骑手则会参考ETA时间作为考核时间执行订单的配送。
ETA作为系统的调节中枢，需要平衡用户-骑手-商家-配送效率。从用户的诉求出发，尽可能快和准时，从骑手的角度出发，ETA太短会增大其配送难度。从调度角度出发，太长或太短都会影响配送效率。而从商家角度出发，都希望订单被尽可能派发出去，因为这关系到商家的收入。

外卖场景的ETA面临如下的挑战：

外卖场景中ETA是对客户履约承诺的重要组成部分，无论是用户还是骑手，对于ETA准确性的要求非常高。
由于外卖ETA承担着承诺履约的责任，因此是否能够按照ETA准时送达，也是外卖骑手考核的指标、配送系统整体的重要指标；承诺一旦给出，系统调度和骑手都要尽力保证准时送达。因此过短的ETA会给骑手带来困难，并降低调度合单能力、降低配送效率；过长的ETA又会很大程度影响用户体验。
外卖场景中ETA包含更多环节，骑手全程完成履约过程，其中包括到达商家、商家出餐、等待取餐、路径规划、不同楼宇交付等较多的环节，且较高的合单率使得订单间的流程互相耦合，不确定性很大，做出合理的估计也有更高难度。

下图是骑手履约全过程的时间轴，过程中涉及各种时长参数，可以看到有十几个节点，其中关键时长达到七个。对于ETA建模，不光是简单一个时间的预估，更需要的是全链路的时间预估，同时更需要兼顾”单量-运力-用户体验”之间的平衡。配送ETA的演变包括了数据、特征层面的持续改进，也包括了模型层面一路从LR-XGB-FM-DeepFM-自定义结构的演变。

Note:
ETA一旦展示给用户，就意味着对用户进行了承诺，影响范围是巨大的。系统调度和骑手，都要尽力保证准时送达。

2. 业务流程迭代中的模型改进

2.1 基础模型迭代及选择

与大部分CTR模型的迭代路径相似，配送ETA模型的业务迭代经历了LR->树模型->Embedding->DeepFM->针对性结构修改的路径。特征层面也进行不断迭代和丰富。

模型维度从最初考虑特征线性组合，到树模型做稠密特征的融合，到Embedding考虑ID类特征的融合，以及FM机制低秩分解后二阶特征组合，最终通过业务指标需求，对模型进行针对性调整。
特征维度逐步丰富到地址特征/轨迹特征/区域特征/时间特征/时序特征/订单特征等维度。

目前，版本模型在比较了Wide &Deep、DeepFM、AFM等常用模型后，考虑到计算性能及效果，最终选择了DeepFM作为初步的Base模型。整个DeepFM模型特征Embedding化后，在FM（Factorization Machine）基础上，进一步加入deep部分，分别针对稀疏及稠密特征做针对性融合。FM部分通过隐变量内积方式考虑一阶及二阶的特征融合，DNN部分通过Feed-Forward学习高阶特征融合。模型训练过程中采取了Learning Decay/Clip Gradient/求解器选择/Dropout/激活函数选择等。

Note:
ETA预测选择了DeepFM作为深度学习Base模型。

2.2 损失函数

在ETA预估场景下，准时率及置信度是比较重要的业务指标。初步尝试将Square的损失函数换成Absolute的损失函数，从直观上更为切合MAE相比ME更为严苛的约束。在适当Learning Decay下，结果收敛且稳定。

在迭代中考虑到相同的ETA承诺时间下，在前后N分钟限制下，预估偏短1min的用户、骑手体验明显差于预估偏长1分钟的体验。因此损失函数的设计需要考虑到偏短偏长的差异。适当降低偏长部分的损失，提高偏短部分的损失。进行多次调试设计后，最终确定以前后N分钟以及原点作为3个分段点。在原先absolute函数优化的基础上，在前段设计1.2倍斜率absolute函数，后段设计1.8倍斜率absolute函数，以便让结果整体往中心收敛，且更倾向于适度偏长预估，保障用户和骑手体验，对于ETA各项指标均有较大幅度提升。

Note:
这个损失函数是为深度学习模型设计的，其它模型不一定适用，但考虑偏短偏长差异的思想可以借鉴。

2.3 业务规则融入模型

目前的业务架构是“模型+规则”，在模型预估一个ETA值之后，针对特定业务场景，会有特定业务规则时间叠加以满足特定场景需求，例如在冬至时饺子品类的需求暴增，模型可能捕捉不到这样的异常点，因此需要规则对异常情况做时间保护。各项规则由业务指标多次迭代产生。在模型时间和规则时间分开优化后，即模型训练时并不能考虑到规则时间的影响，而规则时间在一年之中不同时间段，会产生不同的浮动，在经过一段时间重复迭代后，会加大割裂程度。

Note:
业务架构：模型+规则，ETA与业务是紧密结合的，模型是一个初步的结果，不同的场景需要根据业务进行适当的调整。

在尝试了不同方案后，最终将整体规则写入到了TF模型中，在TF模型内部调整整体规则参数。

对于简单的(a*b+c)*d等规则，可以将规则逻辑直接用TF的OP算子来实现，比如当b、d为定值时，则a、c为可学习的参数。
对于过于复杂的规则部分，则可以借助一定的模型结构，通过模型的拟合来代替，过多复杂OP算子嵌套并不容易同时优化。

通过调节不同的拟合部分及参数，将多个规则完全在TF模型中实现。最终对业务指标具备很大提升效果，且通过对部分定值参数的更改，具备部分人工干涉模型、对骑手体验做兜底保障的能力。整体架构简化为多目标预估的架构，这里采用多任务架构中常用的Shared Parameters的结构，训练时按比例采取不同的交替训练策略。结构上从最下面的模型中间融合层出发，分别在TF内实现常规预测结构及多个规则时间结构，而其对应的Label则仍然从常规的历史值和规则时间值中来，这样考虑了以下几点：

模型预估时，已充分考虑到规则对整体结果的影响（例如多个规则的叠加效应），作为整体一起考虑。
规则时间作为辅助Label传入模型，对于模型收敛及Regularization，起到进一步作用。
针对不同的目标预估，采取不同的Loss，方便进行针对性优化，进一步提升效果。

Note:
初期可以使用模型+规则，后期规则融合进深度模型，会有大的提升。

2.4 缺失值处理

对于特征x进入TF模型，进行判断，如果是缺失值，则设置w1参数，如果不是缺失值则进入模型数值为w2 *x，这里将w1和w2作为可学习参数，同时放入网络进行训练。以此方法来代替均值/零值等作为缺失值的方法。

3. 长尾问题优化

3.1 模型预估结果+长尾规则补时

基础模型学习的是整体的统计分布，但对于一些长尾情形的学习并不充分，体现在长尾情形下预估时间偏短（由于骑手的考核时间参考ETA制定，ETA预估偏短会增大骑手的配送难度）。故将长尾拆解成两部分来分析：

业务长尾，即整体样本分布造成的长尾。主要体现在距离、价格等维度。距离越远，价格越高，实际送达时间越长，但样本占比越少，模型在这一部分上的表现可能偏短。
模型长尾，即由于模型自身对预估值的不确定性造成的长尾。模型学习的是整体的统计分布，但不是对每个样本的预估都有“信心”。实践中采用RF多棵决策树输出的标准差来衡量不确定性。RF模型生成的决策树是独立的，每棵树都可以看成是一个专家，多个专家共同打分，打分的标准差实际上就衡量了专家们的“分歧”程度（以及对预估的“信心”程度）。随着RF标准差的增加，模型的置信度和准时率均在下降。

在上述拆解下，采用补时规则来解决长尾预估偏短的问题：长尾规则补时为 <业务长尾因子 , 模型长尾因子> 组合。其中业务长尾因子为距离、价格等业务因素，模型长尾因子为RF标准差。最终的ETA策略即为模型预估结果+长尾规则补时,较好的保证了长尾情况的骑手体验。

Note:
在模型预估结果的基础上，加上长尾规则补时来解决长尾预测时间偏短问题。

4. 工程开发实践

4.1 训练部分实践

整体训练流程
对于线下训练，采取如下训练流程：
Spark原始数据整合 -> Spark生成TFRecord -> 数据并行训练 -> TensorFlow Serving线下GPU评估 -> CPU Inference线上预测

数据并行训练方式
整个模型的训练在平台上进行，先后尝试分布式方案及单机多卡方案。线上模型生产采用单机多卡方案进行例行训练。

TF模型集成预处理

为了简化工程开发中的难度，在模型训练时，考虑将所有的预处理文件写入TF计算图之中，每次在线预测只要输入最原始的特征，不经过工程预处理，直接可得到结果。

4.2 TF模型线上预测

略

Reference

深度学习在美团配送ETA预估中的探索与实践