如何用机器学习模型为十几亿数据预测性别

基于用户画像进行广告投放，是优化投放效果、实现精准营销的基础；而人口属性中的性别、年龄等标签，又是用户画像中的基础信息。那该如何尽量准确的为数据打上这些标签？

这时候机器学习就派上用场了。本文将以性别标签为例，介绍人口属性标签预测的机器学习模型构建与优化。

性别标签预测流程

通常情况下，无监督学习不仅很难学习到有用信息，而且对于学习到的效果较难评估。所以，如果可以，我们会尽可能地把问题转化成有监督学习。

对于性别标签也是如此，我们可以使用可信的性别样本数据，加上从 TalkingData 收集的原始数据中提取出来的有用信息，将性别标签的生产任务转化成有监督机器学习任务。更具体来说，男 / 女分别作为 1 / 0 标签（Label，也就是常说的 Y 值，为了方便表达，我们标记男 / 女分别为 1 / 0 标签），这样性别标签的任务就转化成了二分类任务。

性别标签的生产流程图如下：

• 简单来说，输入为具有可信性别信息的样本数据，以及从近期活跃的原始数据中提取出有用特征；
• 将两者 join 之后，得到可以直接用于建模的数据集；
• 基于该数据集进行建模，学习出性别预测模型；
• 再用该模型对全部样本进行预测，从而得到所有样本的性别打分。至此，模型部分的工作基本完成；
• 最后一步是确定阈值，输出男 / 女标签。这里我们不依赖模型确定阈值，而是借助比较可信的第三方工具，保证在期望准确度（precision）下，召回尽可能多的样本。

另外，面对 TalkingData 十几亿的数据体量，在标签生产的过程中，为了加速运算，除了必须用单机的情况下，我们都会优先采用 Spark 分布式来加速运算。

特征与模型方法的版本迭代

为了优化模型的效果，我们又对该性别标签预测模型进行了多次迭代。

01 性别预测模型 V1

模型最初使用的特征包括 4 个维度：设备应用信息、嵌入 SDK 的应用包名、嵌入 SDK 的应用内自定义事件日志以及设备机型信息。

模型采用 Xgboost（版本为 0.5），基于每个维度的特征分别训练模型，得到 4 个子模型。每个子模型会输出基于该特征维度的设备男 / 女倾向的打分，分值区间从 0 到 1，分值高代表设备为男性倾向，反之则为女性倾向。模型代码示例如下：

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   import com.talkingdata.utils.LibSVM
   import ml.dmlc.xgboost4j.scala.DMatrix
   import ml.dmlc.xgboost4j.scala.spark.XGBoost//version 0.5

   //train stage
   val trainRDD = LibSVM.loadLibSVMFile(sc, trainPath)// sc 为 SparkContext
   val model = XGBoost.train(trainRDD, paramMap, numRound, nWorkers = workers)


   //predict stage
   val testSet = LibSVM.loadLibSVMFilePred(sc,testPath,-1,sc.defaultMinPartitions)
   val pred = testSet.map(_._2).mapPartitions{ iter =>
           model.value.predict(new DMatrix(iter)).map(_.head).toIterator
       }.zip(testSet).map{case(pred, (tdid, feauture)) =>
           s"$tdid\t$pred"
       }

缺点及优化方向：

• 模型为四个子模型的融合，结构较复杂，运行效率较低，考虑改为使用单一模型；
• 嵌入 SDK 的应用内自定义事件日志特征覆盖率低，且 ETL 处理资源消耗大，需重新评估该字段对模型的贡献程度；
• 发现设备名称字段看上去有男 / 女区分度——部分用户群体会以名字或者昵称命名设备名（例如带有“哥”“军”等字段的倾向为男性，带有“妹”“兰”等字段的倾向为女性），验证效果并考虑是否加入该字段。

02 性别预测模型 V2

对模型使用特征的 4 个维度进行了调整，改为：嵌入 SDK 的应用包名、嵌入 SDK 的应用 AppKey、设备机型信息以及设备名称。

其中，对嵌入 SDK 的应用包名和设备名称做分词处理。再使用 CountVectorizer 将以上 4 类特征处理成稀疏向量（Vector），同时用 ChiSqSelector 进行特征筛选。

模型采用 LR（Logistic Regression），代码示例如下：

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   import org.apache.spark.ml.feature.VectorAssembler
   import org.apache.spark.ml.PipelineModel
   import org.apache.spark.ml.classification.LogisticRegression

   val transformedDF = spark.read.parquet("/traindata/path")// 分词、CountVectorizer、ChiSqSelector 操作之后的特征，为 vector 列

   val featureCols = Array("packageName","appKey", "model", "deviceName")                  
   val vectorizer = new VectorAssembler().
                     setInputCols(featureCols).
                     setOutputCol("features")
   val lr = new LogisticRegression()
   val pipeline = new Pipeline().setStages(Array(vectorizer, lr))
   val model = pipeline.fit(transformedDF)

   //predict stage
   val transformedPredictionDF = spark.read.parquet("/predictData/path")// 同 train 一致，为分词、CountVectorizer、ChiSqSelector 处理之后的特征，为 vector 列
   val predictions = model.transform(transformedPredictionDF)

优点及提升效果：

• 采用单一的模型，能够用常见的模型评估指标（比如 ROC-AUC，Precision-Recall 等）衡量模型，并在后续的版本迭代中作为 baseline，方便从模型角度进行版本提升的比较。

缺点及优化方向：

• LR 模型较简单，学习能力有限，后续还是替换成更强大的模型，比如 Xgboost 模型。

03 性别预测模型 V3

模型所使用的特征，除了上个版本包括的 4 个维度：嵌入 SDK 的应用包名、嵌入 SDK 的应用 AppKey、设备机型信息以及设备名称，又增加了近期的聚合后的设备应用信息，处理方式与上个版本类似，不再赘述。

模型从 LR 更换成 Xgboost（版本为 0.82），代码示例如下：

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   import org.apache.spark.ml.feature.VectorAssembler
   import ml.dmlc.xgboost4j.scala.spark.XGBoostClassifier//version 为 0.82

   val transformedDF = spark.read.parquet("/trainData/path")// 分词、CountVectorizer 操作之后的特征，为 vector 列

   val featureCols = Array("packageName","appKey", "model", "deviceName")                  
   val vectorizer = new VectorAssembler().
                     setInputCols(featureCols).
                     setOutputCol("features")
   val assembledDF = vectorizer.transform(transformedDF)

   //traiin stage
   //xgboost parameters setting
   val xgbParam = Map("eta" -> xxx,
      "max_depth" -> xxx,
      "objective" -> "binary:logistic",
      "num_round" -> xxx,
      "num_workers" -> xxx)
   val xgbClassifier = new XGBoostClassifier(xgbParam).
       setFeaturesCol("features").
       setLabelCol("labelColname")

   model = xgbClassifier.fit(assembledDF)

   //predict stage
   val transformedPredictionDF = spark.read.parquet("/predictData/path")// 同 train 一致，为分词、CountVectorizer 操作之后的特征，为 vector 列
   val assembledpredicDF = vectorizer.transform(transformedPredictionDF)
   val predictions = model.transform(assembledpredicDF)

优点及提升效果：

• 相比上个版本，AUC 提升了 6.5%，在最终的性别标签生产中召回率提升了 26%。考虑到 TalkingData 的十几亿的数据体量，这个数值还是很可观的。

04 性别预测模型 V4

除了上个版本包括的 5 个特征维度，还 添加了 TalkingData 自有的三个广告类别维度的特征，虽然广告类别特征覆盖率仅占 20%，但对最终标签的召回率的提升也有着很大的影响。

模型由 Xgboost 替换成 DNN，设置最大训练轮数（Epoch）为 40，同时设置了 early stopping 参数。考虑到神经网络能工作是基于大数据的，因此我们将用于训练的样本量扩充了一倍，保证神经网络的学习。

DNN 的结构如下：

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python
   GenderNet_VLen((embeddings_appKey): Embedding(xxx, 64, padding_idx=0)
     (embeddings_packageName): Embedding(xxx, 32, padding_idx=0)
     (embeddings_model): Embedding(xxx, 32, padding_idx=0)
     (embeddings_app): Embedding(xxx, 512, padding_idx=0)
     (embeddings_deviceName): Embedding(xxx, 32, padding_idx=0)
     (embeddings_adt1): Embedding(xxx, 16, padding_idx=0)
     (embeddings_adt2): Embedding(xxx, 16, padding_idx=0)
     (embeddings_adt3): Embedding(xxx, 16, padding_idx=0)
     (fc): Sequential((0): Linear(in_features=720, out_features=64, bias=True)
       (1): BatchNorm1d(64, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
       (2): ReLU()
       (3): Dropout(p=0.6)
       (4): Linear(in_features=64, out_features=32, bias=True)
       (5): BatchNorm1d(32, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
       (6): ReLU()
       (7): Dropout(p=0.6)
       (8): Linear(in_features=32, out_features=16, bias=True)
       (9): BatchNorm1d(16, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)
       (10): ReLU()
       (11): Dropout(p=0.6)
       (12): Linear(in_features=16, out_features=2, bias=True)
     )
   )

优点及提升效果：

• 与上个版本对比，AUC 仅提升了 1.5%，但在最终性别标签生产中的召回率提升了 13%，考虑数据体量以及现有的标签体量，这个提升还是不错的。
  由此可以看出，在验证版本迭代效果的时候，我们 不应该仅仅从模型的 AUC 这单一指标来衡量 ，因为这对版本迭代的效果提升程度衡量不够准确。我们应该验证最终的、真正的指标提升情况——在性别标签预测中， 是期望准确度（precision）下召回的样本数量。但我们仍然可以在版本优化时使用 AUC 等模型相关指标，来快速验证控制变量的实验效果，毕竟这些指标容易计算。

模型探索小建议

从原始日志当中抽取字段聚合成信息，需要经过很多步 ETL，也会涉及很多优化方式，这部分有专门的 ETL 团队负责，在这里不做过多介绍。

模型团队可以直接使用按时间聚合之后的字段进行建模任务，尽管如此，ETL 和特征生成所花费的时间，也占据了模型优化和迭代的大部分时间。

下面总结两个优化方面的坑和解决经验，希望能给大家一些参考。

1. 对于性别标签预测，输入的特征大部分为 Array 类型，比如近期采集到的设备应用信息。对于这种类型的字段，在训练模型之前，我们一般会调用 CountVectorizer 将 Array 转成 Vector，然后再作为模型的输入，但是 CountVectorizer 这一步非常耗时，这导致我们在版本迭代时不能快速实验。

针对该问题，我们 可以事先完成这一步转换，然后将生成的 Vector 列也存储下来，这样在每次实验时，就可以节省 CountVectorizer 消耗的时间。

在实际生产中，因为有很多标签的生产都会用到同样的字段，事先将 Array 转成 Vector 存储下来，后续不同任务即可直接调用 Vector 列，节省了很多时间。

2. 虽然第一条能够节省不少时间，但 Spark 还是更多用于生产。其实在模型前期的探索当中，我们也 可以先用 Spark 生成训练集——因为真实样本通常不会很多，生成的训练集往往不是很大，这时我们就可以用单机来进行快速实验了。

在单机上，我们可以使用 Python 更方便的画图来更直观的认识数据，更快的进行特征筛选，更快的验证想法。在对数据、对模型有了深入的了解之后，我们就可以把实验所得的结论快速应用到生产当中。

作者简介：张小艳，TalkingData 数据科学家，目前负责企业级用户画像平台的搭建以及高效营销投放算法的研发，长期关注互联网广告、用户画像、欺诈检测等领域。