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Python基于机器学习方法实现的电影推荐系统实例详解
推荐算法在互联网行业的应用非常广泛，今日头条、美团点评等都有个性化推荐，推荐算法抽象来讲，是一种对于内容满意度的拟合函数，涉及到用户特征和内容特征，作为模型训练所需维度的两大来源，而点击率，页面停留时间，评论或下单等都可以作为一个量化的 Y 值，这样就可以进行特征工程，构建出一个数据集，然后选择一个合适的监督学习算法进行训练，得到模型后，为客户推荐偏好的内容，如头条的话，就是咨询和文章，美团的就是生活服务内容。
可选择的模型很多，如协同过滤，逻辑斯蒂回归，基于DNN的模型，FM等。我们使用的方式是，基于内容相似度计算进行召回，之后通过FM模型和逻辑斯蒂回归模型进行精排推荐，下面就分别说一下，我们做这个电影推荐系统过程中，从数据准备，特征工程，到模型训练和应用的整个过程。
我们实现的这个电影推荐系统，爬取的数据实际上维度是相对少的，特别是用户这一侧的维度，正常推荐系统涉及的维度，诸如页面停留时间，点击频次，收藏等这些维度都是没有的，以及用户本身的维度也相对要少，没有地址、年龄、性别等这些基本的维度，这样我们爬取的数据只有打分和评论这些信息，所以之后我们又从这些信息里再拿出一些统计维度来用。我们爬取的电影数据(除电影详情和图片信息外)是如下这样的形式：
这里的数据是有冗余的，又通过如下的代码，对数据进行按维度合并，去除冗余数据条目：
# 处理主函数，负责将多个冗余数据合并为一条电影数据，将地区，导演，主演，类型，特色等维度数据合并
def mainfunc():
try:
unable_list = []
with connection.cursor() as cursor:
sql='select id,name from movie'
cout=cursor.execute(sql)
print("数量： "+str(cout))
for row in cursor.fetchall():
#print(row[1])
movieinfo = df[df['电影名'] == row[1]]
if movieinfo.shape[0] == 0:
disable_movie(row[0])
print('disable movie ' + str(row[1]))
else:
g = lambda x:movieinfo[x].iloc[0]
types = movieinfo['类型'].tolist()
types = reduce(lambda x,y:x+'|'+y,list(set(types)))
traits = movieinfo['特色'].tolist()
traits = reduce(lambda x,y:x+'|'+y,list(set(traits)))
update_one_movie_info(type_=types, actors=g('主演'), region=g('地区'), director=g('导演'), trait=traits, rat=g('评分'), id_=row[0])
connection.commit()
finally:
connection.close()
之后开始准备用户数据，我们从用户打分的数据中，统计出每一个用户的打分的最大值，最小值，中位数值和平均值等，从而作为用户的一个附加属性，存储于userproex表中：
'insert into userproex(userid, rmax, rmin, ravg, rcount, rsum, rmedian) values(\'%s\', %s, %s, %s, %s, %s, %s)' % (userid, rmax, rmin, ravg, rcount, rsum, rmedium)
'update userproex set rmax=%s, rmin=%s, ravg=%s, rmedian=%s, rcount=%s, rsum=%s where userid=\'%s\'' % (rmax, rmin, ravg, rmedium, rcount, rsum, userid)
以上两个SQL是最终插入表的时候用到的，代表准备用户数据的最终步骤，其余细节可以参考文末的github仓库，不在此赘述，数据处理还用到了一些SQL，以及其他处理细节。
系统上线运行时，第一次是全量的数据处理，之后会是增量处理过程，这个后面还会提到。
我们目前把用户数据和电影的数据的原始数据算是准备好了，下一步开始特征工程。做特征工程的思路是，对type, actors, director, trait四个类型数据分别构建一个频度统计字典，用于之后的one-hot编码，代码如下：
def get_dim_dict(df, dim_name):
type_list = list(map(lambda x:x.split('|') ,df[dim_name]))
type_list = [x for l in type_list for x in l]
def reduce_func(x, y):
for i in x:
if i[0] == y[0][0]:
x.remove(i)
x.append(((i[0],i[1] + 1)))
return x
x.append(y[0])
return x
l = filter(lambda x:x != None, map(lambda x:[(x, 1)], type_list))
type_zip = reduce(reduce_func, list(l))
type_dict = {}
for i in type_zip:
type_dict[i[0]] = i[1]
return type_dict
涉及到的冗余数据也要删除
df_ = df.drop(['ADD_TIME', 'enable', 'rat', 'id', 'name'], axis=1)
将电影数据转换为字典列表，由于演员和导演均过万维，实际计算时过于稀疏，当演员或导演只出现一次时，标记为冷门演员或导演
movie_dict_list = []
for i in df_.index:
movie_dict = {}
#type
for s_type in df_.iloc[i]['type'].split('|'):
movie_dict[s_type] = 1
#actors
for s_actor in df_.iloc[i]['actors'].split('|'):
if actors_dict[s_actor] < 2:
movie_dict['other_actor'] = 1
else:
movie_dict[s_actor] = 1
#regios
movie_dict[df_.iloc[i]['region']] = 1
#director
for s_director in df_.iloc[i]['director'].split('|'):
if director_dict[s_director] < 2:
movie_dict['other_director'] = 1
else:
movie_dict[s_director] = 1
#trait
for s_trait in df_.iloc[i]['trait'].split('|'):
movie_dict[s_trait] = 1
movie_dict_list.append(movie_dict)
使用DictVectorizer进行向量化，做One-hot编码
v = DictVectorizer()
X = v.fit_transform(movie_dict_list)
这样的数据，下面做余弦相似度已经可以了，这是特征工程的基本的一个处理，模型所使用的数据，需要将电影，评分，用户做一个数据拼接，构建训练样本，并保存CSV，注意这个CSV不用每次全量构建，而是除第一次外都是增量构建，通过mqlog中类型为'c'的消息，增量构建以comment（评分）为主的训练样本，拼接之后的形式如下：
USERID cf2349f9c01f9a5cd4050aebd30ab74f
movieid 10533913
type 剧情|奇幻|冒险|喜剧
actors 艾米・波勒|菲利丝・史密斯|理查德・坎德|比尔・哈德尔|刘易斯・布莱克
region 美国
director 彼特・道格特|罗纳尔多・德尔・卡门
trait 感人|经典|励志
rat 8.7
rmax 5
rmin 2
ravg 3.85714
rcount 7
rmedian 4
TIME_DIS 15
这个数据的actors等字段和上面的处理是一样的，为了之后libfm的使用，在这里需要转换为libsvm的数据格式
dump_svmlight_file(train_X_scaling, train_y_, train_file)
模型使用上遵循先召回，后精排的策略，先通过余弦相似度计算一个相似度矩阵，然后根据这个矩阵，为用户推荐相似的M个电影，在通过训练好的FM，LR模型，对这个M个电影做偏好预估，FM会预估一个用户打分，LR会预估一个点击概率，综合结果推送给用户作为推荐电影。
模块列表
recsys_ui: 前端技术(html5+JavaScript+jquery+ajax)
recsys_web: 后端技术(Java+SpringBoot+mysql)
recsys_spider: 网络爬虫(python+BeautifulSoup)
recsys_sql: 使用SQL数据处理
recsys_model: pandas, libFM, sklearn. pandas数据分析和数据清洗，使用libFM,sklearn对模型初步搭建
recsys_core: 使用pandas, libFM, sklearn完整的数据处理和模型构建、训练、预测、更新的程序
recsys_etl：ETL 处理爬虫增量数据时使用kettle ETL便捷处理数据
为了能够输出一个可感受的系统，我们采购了阿里云服务器作为数据库服务器和应用服务器，在线上搭建了电影推荐系统的第一版，地址是:
www.technologyx.cn
可以注册，也可以使用已有用户：
用户名
密码
gavin
123
gavin2
123
wuenda
123
欢迎登录使用感受一下。
设计思路
用简单地方式表述一下设计思路，
1.后端服务recsys_web依赖于系统数据库的推荐表‘recmovie'展示给用户推荐内容
2.用户对电影打分后（暂时没有对点击动作进行响应），后台应用会向mqlog表插入一条数据（消息）。
3.新用户注册，系统会插入mqlog中一条新用户注册消息
4.新电影添加，系统会插入mqlog中一条新电影添加消息
5.推荐模块recsys_core会拉取用户的打分消息，并且并行的做以下操作：
a.增量的更新训练样本
b.快速（因服务器比较卡，目前设定了延时）对用户行为进行基于内容推荐的召回
c.训练样本更新模型
d.使用FM，LR模型对Item based所召回的数据进行精排
e.处理新用户注册消息，监听到用户注册消息后，对该用户的属性初始化(统计值)。
f.处理新电影添加消息，更新基于内容相似度而生成的相似度矩阵
注：
由于线上资源匮乏，也不想使系统增加复杂度，所以没有直接使用MQ组件，而是以数据库表作为代替。
项目源码地址: http://github.com/GavinHacker/recsys_core
模型相关的模块介绍
增量的处理用户comment，即增量处理评分模块
这个模块负责监听来自mqlog的消息，如果消息类型是用户的新的comment,则对消息进行拉取，并相应的把新的comment合并到总的训练样本集合，并保存到一个临时目录
然后更新数据库的config表，把最新的样本集合(csv格式)的路径更新上去
运行截图
消息队列的截图
把csv处理为libsvm数据
这个模块负责把最新的csv文件，异步的处理成libSVM格式的数据，以供libFM和LR模型使用，根据系统的性能确定任务的间隔时间
运行截图
基于内容相似度推荐
当监听到用户有新的comment时，该模块将进行基于内容相似度的推荐，并按照电影评分推荐
运行截图
libFM预测
http://www.libfm.org/
对已有的基于内容推荐召回的电影进行模型预测打分，呈现时按照打分排序
如下图为打分更新
逻辑回归预测
对样本集中的打分做0，1处理，根据正负样本平衡，> 3分为喜欢 即1， <=3 为0 即不喜欢，这样使用逻辑回归做是否喜欢的点击概率预估，根据概率排序
项目源码地址: http://github.com/GavinHacker/recsys_core
