天池-安泰杯跨境电商智能算法大赛冠军方案整理

本仓库整理了“天池-安泰杯跨境电商智能算法大赛”的冠军方案，在理解原有方案的基础上，对原仓库的代码以及目录结构做了一些修改，以便于快速跑通代码并理解方案内容。原仓库地址：https://github.com/RainFung/Tianchi-AntaiCup-International-E-commerce-Artificial-Intelligence-Challenge

比赛链接：天池-安泰杯跨境电商智能算法大赛

数据下载

如果没有参加这个比赛则无法在天池官网下载到比赛数据集，可以移步到这里下载：https://pan.baidu.com/s/18Z2mW8TFxwJvOWqmGXdPeg 提取码: iqrd，下载之后会得到一个名为antai_data.zip的压缩文件，拉取本仓库代码，然后在项目根目录创建一个名为data的目录，把刚才下载的antai_data.zip文件放进data目录，然后解压即可，具体操作如下：

git clone git@github.com:xhqing/antai-cup.git
cd antai-cup
mkdir data
cd data
unzip antai_data.zip

赛题

AliExpress是阿里巴巴海外购物网站，海外用户可以在AliExpress挑选购买自己喜欢的商品。AliExpress积累了大量的用户行为数据，本赛题旨在通过海量数据挖掘用户下一个可能购买商品，选手们可以提交预测的TOP30商品列表，排序越靠前命中得分越高。

赛题目标

预测用户下一次可能会购买的商品。

赛题数据

共7个文件。

第一轮初赛共4个文件：训练数据(Antai_AE_round1_train_20190626.csv)、测试数据(Antai_AE_round1_test_20190626.csv)、商品信息(Antai_AE_round1_item_attr_20190626.csv)、提交示例(Antai_AE_round1_submit_20190715.csv)

第二轮复赛共3个文件：训练数据(Antai_AE_round2_train_20190813.csv)、测试数据(Antai_AE_round2_test_20190813.csv)、商品信息(Antai_AE_round2_item_attr_20190813.csv)

训练数据：用户每次购买的商品id，订单日期以及用户国家标识
测试数据：较于训练数据，测试数据剔除了模型需要预测的最后一次用户购买记录
商品信息：商品id、品类id、店铺id和商品价格
提交示例：预测用户购买商品Top30的item_id依概率从高到低排序，buyer_admin_id, predict 1, …, predict 30

根据零售行业的人货场概念，赛题提供了关于用户行为日志的常见字段可分为如下部分：

用户：用户标识、用户国籍
商品：商品标识、店铺、品类、价格
场景：点击时间、访问排序、购买标记

评分公式采用MRR(Mean Reciprocal Rank)指标。

首先对选手提交的表格中的每个用户计算用户得分，计算方式如下：

其中, 如果选手对该buyer的预测结果predict k命中该buyer的最后一条购买数据则s(buyer,k)=1，否则s(buyer,k)=0。

而选手最终得分为所有这些score(buyer)的平均值，也即MRR得分，计算如下：

其中，n为buyer的数量。

探索性数据分析

这里建议新建一个Python虚拟环境(这里建议使用pipenv，version 2023.4.29)，然后安装所需的依赖包，建议的具体操作如下：

# 在本仓库根目录执行以下操作
pipenv --python 3.9.12 # 或 pipenv --python path/to/python, python 版本建议3.9.12，可以使用conda安装特定的Python版本，使用`conda env list`就可以查看路径 
pipenv install

# 安装jupyterlab的kernel
pipenv run python -m ipykernel install --name antai-cup # pipenv的 .venv/ 如果放在项目根目录，则虚拟环境的名字就是项目目录的名字，具体的需要了解pipenv的使用，设置环境变量export PIPENV_VENV_IN_PROJECT=1后虚拟环境就会在项目根目录里

# 成功安装jupyterlab的 `antai-cup` kernel后, 刷新一下浏览器，在jupyterlab界面右上角kernel选择`antai-cup`即可在jupyterlab里面使用虚拟环境了 

# round1/eda_round1.ipynb 和 round2/eda_round2.ipynb 分别是第一轮初赛数据和第二轮复赛数据的探索分析

注：原仓库只提供了round1的探索性数据分析及round2的最终方案，因此这里没有round1的最终方案，而round2的探索性数据分析本人按照round1的方法依葫芦画瓢做了类似的探索性分析：round2/eda_round2.ipynb.

赛题分析

通过对赛题数据进行探索和分析，我们发现可以根据预测商品是否在历史交互过分成两种不同分布的用户：

历史交互用户：即预测商品用户曾经已交互过，在召回-排序阶段：召回：可通过buy_flag=1，将交互商品全量召回排序：基于用户商品交互信息，解决排序问题，预测精度高
冷启动用户：即预测商品用户从未交互过，在召回-排序阶段：召回：基于商品关联信息召回，召回难度大排序：基于用户最近交互商品与关联信息进行排序，预测精度较低

方案思路：面对两种不同分布的用户，我们因地制宜基于不同样本和特征分别建立两个排序模型，然后再通过用户判断模型对两个排序的结果进行优化。

特征工程

赛题所给的字段相对简单，主要可分为：用户-商品-场景，我们通过对不同类型因素进行交叉复合，并使用基础统计手段进行计算，构造出高阶特征，提取出购物决策的相关信息：

模型

历史交互商品模型

样本构造：提取buy_flag=1的user-item作为样本，用户最后交互的设为正样本，其他为负样本
模型信息：

训练集样本数：137W
训练集用户数：55W
测试集样本数：3.1W
测试集用户数：8944
特征数量：425
Model：LightGbm
loss function：AUC

模型效果： AUC: 0.9493 MRR: 0.8922 Recall Rate：

Top1 item：81%
Top3 item：92.5%
Top10 item：99%

关联商品模型

key：挖掘商品间关联关系，根据用户历史交互商品，推荐关联商品

Item-Item similarity Based on Sequnence 商品相似性：基于用户行为序列计算，假设用户越近交互的两个商品相似性越高，并且考虑先后次序，通过线性搜索得到如下相似度计算公式：

样本构造：对用户最近5个交互商品的关联商品(加上时间衰减权重)，选取每个用户TOP50关联商品，之前得到的关联度中间结果直接作为特征训练排序模型
模型信息：

训练集样本数：940W
训练集用户数：18W
测试集样本数：47W
测试集用户数：8944
特征数量：222
Model：LightGbm
loss function：AUC

模型效果： AUC: 0.9736 MRR: 0.0554 Rcall Rate：

Top1 item：3.1%
Top3 item：6.3%
Top30 item：15%

优化

排序优化

如图所示，历史商品模型排序第4的商品召回率仅有1.5，而关联模型排序第一位召回率为3.1。为了优化排序结果，优化两部分模型的结果，通过用户判别模型(预测用户是否为冷启动用户)，对概率大于0.95的高置信度用户直接截取掉历史TOP3后，与商品与关联模型的结果进行拼接，得到最终的Top30商品排序。

模型融合

Enseblem 对于历史交互商品模型，训练了LightGBM、Xgboost、CatBoost三个模型，通过对预测结果简单加权进行融合。

Stacking 此外，在每个模型训练过程中通过简单Stacking将其他4折的预测结果作为特征反喂模型，进一步拟合结果。

通过优化阶段，我们将分数从0.6198提升到0.6256，进一步拉开了与其他队伍的差距。

总结

在本次比赛前期，我花费了大量精力进行数据探索和分析，基于对数据和业务的了解才确立了最终的方案和优化路线。当对数据之间的联系了然于心后，开始进行细致的特征工程以提取各种信息，在也是历史交互模型得分提升的关键。此后，为了提高召回率，尝试了Embedding、协同过滤等方法，但是由于数据量和category字段少的限制，都没取得太好的效果，开始基于业务理解，尝试建立关联度计算公式，通过不断搜索参数，取得了不错的召回率，由此建立关联商品模型，此时成绩也上升到第一名。最后阶段，我们开始提高模型的精度和稳定性，一是建立了用户判别模型对排序进行了优化，二是对模型进行了融合以及stacking，得到了0.6256分数，进一步扩大了领先优势。

xhqing / antai-cup