張玉娟 周菁

（中國(guó)傳媒大學(xué) 北京市 100024）

1 引言

無(wú)論推薦系統(tǒng)如何更新迭代，其核心始終圍繞when、where、who、what、why 這五個(gè)問(wèn)題進(jìn)行。但是推薦系統(tǒng)發(fā)展至今，主要集中于對(duì)前四個(gè)問(wèn)題的研究，忽略了推薦模型的可解釋性，即模型本身或者利用模型推薦系統(tǒng)給出推薦特定物品的理由。該解釋性對(duì)上述“why”類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行了回答與研究。雖然早期Schafer 在電商領(lǐng)域?qū)τ脩?hù)推薦的內(nèi)容給予了相關(guān)解釋:“您正在看的這個(gè)產(chǎn)品與您過(guò)去喜歡的其他產(chǎn)品相似”[1]，但是并沒(méi)有對(duì)“Why”在推薦系統(tǒng)領(lǐng)域的概念進(jìn)行定義，直至2014年Zhang 正式提出了可解釋性推薦系統(tǒng)（Explainable Recommendation）的概念[2]。與普通電商領(lǐng)域不同的是，如果一個(gè)推薦系統(tǒng)在個(gè)別場(chǎng)景中對(duì)結(jié)果提供可解釋性，那么其說(shuō)服用戶(hù)接受結(jié)果的能力及可信度都將越高，比如在用戶(hù)自身利益中產(chǎn)生較大影響的醫(yī)療領(lǐng)域，解釋某些藥品的作用或者解釋指定藥品在服用時(shí)需要一定順序的原因。

基于順序感知的推薦（Sequence-aware）主要根據(jù)用戶(hù)歷史行為輸出有序的物品列表。一般而言，物品與物品之間會(huì)存在某種特定的關(guān)聯(lián)[3]。比如電商領(lǐng)域，當(dāng)一個(gè)用戶(hù)買(mǎi)了iPhone 之后，他可能在短期之內(nèi)繼續(xù)購(gòu)買(mǎi)iPhone 配套的耳機(jī)AirPods 的概率更大，而買(mǎi)其它品牌的手機(jī)的概率會(huì)更小[3]。又比如大學(xué)課程推薦領(lǐng)域，學(xué)生選擇課程時(shí)，因?yàn)檎n程和課程之間存在關(guān)聯(lián)，所以選擇課程集合需要考慮先決條件，例如《線性代數(shù)》是《矩陣論》的先決條件。Xu等人以先決條件作為選課的基礎(chǔ)，為大學(xué)生提供了在盡早滿(mǎn)足畢業(yè)條件的要求下，績(jī)點(diǎn)較高的推薦內(nèi)容[4]。近年來(lái)，雖然越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始研究如何將深度學(xué)習(xí)和推薦系統(tǒng)更好的融合，但在推薦領(lǐng)域依舊存在數(shù)據(jù)稀疏、冷啟動(dòng)等問(wèn)題。通過(guò)知識(shí)圖譜技術(shù)所刻畫(huà)的用戶(hù)、物品畫(huà)像，既可以直接用于推薦系統(tǒng)，也可以作為輔助信息結(jié)合深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行推薦。該技術(shù)不僅能夠有效地解決數(shù)據(jù)稀疏、冷啟動(dòng)等問(wèn)題，其中，基于路徑的知識(shí)圖譜推薦算法還使得推薦結(jié)果具備一定的可解釋性。

因此，我們以護(hù)膚品搭配為研究領(lǐng)域，著重考慮順序推薦中物品與物品之間的約束信息，通過(guò)知識(shí)推理結(jié)合約束信息，對(duì)不同物品之間的搭配給予可行性答案，并給出推薦的依據(jù)和理由。

本文共分為五章，第二章知識(shí)圖譜的設(shè)計(jì)，圍繞構(gòu)建知識(shí)圖譜中信息約束和知識(shí)補(bǔ)充。第三章可解釋性模塊的設(shè)計(jì)，主要研究如何將信息約束融合知識(shí)推理對(duì)推薦可行性方案提供一定的解釋。第四章實(shí)驗(yàn)，對(duì)可解釋性模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比和分析，驗(yàn)證了我們提出方案的可行性。第五章結(jié)束語(yǔ)，包含對(duì)工作的總結(jié)以及對(duì)未來(lái)工作的展望。

2 知識(shí)圖譜的設(shè)計(jì)

我們將利用描述實(shí)體與實(shí)體之間關(guān)系的知識(shí)圖譜技術(shù)，定義類(lèi)與類(lèi)、實(shí)例與實(shí)例之間的關(guān)系，該技術(shù)不僅能夠通過(guò)描述實(shí)體間的關(guān)系來(lái)增強(qiáng)信息語(yǔ)義表達(dá)能力，還具備推理能力以及一定的可解釋性。由于沒(méi)有相關(guān)領(lǐng)域的開(kāi)放知識(shí)圖譜，因此本章利用當(dāng)前技術(shù)自行設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套完整的護(hù)膚品知識(shí)圖譜。

2.1 圖譜構(gòu)建

知識(shí)圖譜構(gòu)建的流程如圖1 所示。依據(jù)設(shè)計(jì)的本體，對(duì)目前Kaggle 網(wǎng)站公開(kāi)的Sephora 數(shù)據(jù)集 的缺陷以及理想數(shù)據(jù)集需求進(jìn)行了分析，本文設(shè)計(jì)使用深度爬蟲(chóng)策略進(jìn)行信息獲取和信息抽取，利用多標(biāo)簽文本分類(lèi)技術(shù)對(duì)缺失的信息進(jìn)行了補(bǔ)全。最終的數(shù)據(jù)集整理為嵌套字典類(lèi)型的JSON 鍵值對(duì)格式，我們將物品名稱(chēng)作為Key，將其成分列表、適合的膚質(zhì)等其余屬性作為Value。字典類(lèi)型不僅可以避免實(shí)體對(duì)齊，也可以在查詢(xún)、讀取數(shù)據(jù)時(shí)擁有較低的時(shí)間復(fù)雜度。最終所構(gòu)建的數(shù)據(jù)集被分為了護(hù)膚品和成分?jǐn)?shù)據(jù)集 兩個(gè)JSON 文件，利用自動(dòng)化腳本將其以資源描述框架（Resource Description Framework, RDF）的形式存儲(chǔ)于Neo4j 圖形數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.2 知識(shí)補(bǔ)充

為了更清楚地表達(dá)物品與物品之間存在的約束信息，描述護(hù)膚品和成分、功能之間的關(guān)系，除了數(shù)據(jù)集中本身存在的屬性三元組中的關(guān)系，本文額外設(shè)計(jì)增強(qiáng)關(guān)系work well with 以及互斥關(guān)系in conflict with 來(lái)表示物品實(shí)例之間的約束信息。其中，work well with 表示該兩種物品可以進(jìn)行搭配并且具備良好的反應(yīng)；in conflict with 表示物品之間的互斥關(guān)系。在避免因使用護(hù)膚品過(guò)程中出現(xiàn)不良反應(yīng)的幾率時(shí)，用戶(hù)不僅需要了解成分的作用，還需要了解成分之間的搭配關(guān)系。如若忽略以上兩種因素，可能會(huì)造成某種程度的損失，例如花費(fèi)高昂的護(hù)膚品使用之后反而達(dá)不到預(yù)期效果，或者疊加產(chǎn)品的使用反而會(huì)讓皮膚變得敏感脆弱等情況。

圖1：知識(shí)圖譜構(gòu)建流程圖

圖2：不同類(lèi)別物品之間的約束關(guān)系

表1：推理規(guī)則設(shè)計(jì)

表2：膚質(zhì)影響搭配結(jié)果

表3：多類(lèi)別不可搭配結(jié)果

通過(guò)人工采集知識(shí)的方式，我們對(duì)2.1 節(jié)已存在的成分實(shí)體、膚質(zhì)實(shí)體，進(jìn)行知識(shí)補(bǔ)充。主要包含成分之間關(guān)系添加和膚質(zhì)關(guān)系添加兩個(gè)維度。對(duì)于第一個(gè)維度，我們?cè)谝朁S醇和維生素C、酒精和蛋白質(zhì)等不能搭配使用的成分實(shí)例之間建立互斥關(guān)系，在視黃醇和煙酰胺等成分實(shí)例之間建立增強(qiáng)關(guān)系。對(duì)于第二個(gè)維度，考慮到成分表中當(dāng)一些防腐劑、香精等危險(xiǎn)系數(shù)較高的成份如果排序靠前，敏感性肌膚的人群需要謹(jǐn)慎選擇，因此需要在甲基氯異噻唑啉酮等刺激性較強(qiáng)的防腐劑和敏感肌膚質(zhì)中建立互斥關(guān)系。

基于上述思路，本文構(gòu)建的知識(shí)圖譜包含5252 個(gè)實(shí)體，5 種類(lèi)別的關(guān)系，共計(jì)38841 條。類(lèi)別關(guān)系包括：has ingredients 物品包含的成分關(guān)系、suits for 物品適合的膚質(zhì)關(guān)系、has effect 成功功能關(guān)系、in conflict with 互斥關(guān)系和work well with 增強(qiáng)關(guān)系。

3 可解釋性模塊設(shè)計(jì)

在護(hù)膚品順序搭配的過(guò)程中，為確定搭配是否合理，本文研究設(shè)計(jì)了一套合理的算法，對(duì)知識(shí)圖譜中的知識(shí)進(jìn)行推理，并將推理的結(jié)果可視化輸出，為用戶(hù)提供解釋功能。

3.1 利用關(guān)系的傳遞性制定推理規(guī)則

在知識(shí)圖譜構(gòu)建的過(guò)程中，我們?cè)诔煞謱?shí)體之間建立了物品與成分之間的包含關(guān)系，以及互斥和增強(qiáng)關(guān)系。為了增強(qiáng)可解釋性，我們提出關(guān)系的傳遞性，將該關(guān)系由成分傳遞到物品實(shí)體中。關(guān)系傳遞性指：如果用大寫(xiě)字母A、B 代表護(hù)膚品中某兩種實(shí)體、小寫(xiě)字母a、b 表示成分實(shí)體，那么可以根據(jù)A 擁有成分a，B 擁有成分b，而a 和b 具備增強(qiáng)關(guān)系推理出：A 和B 也具備增強(qiáng)關(guān)系?；コ怅P(guān)系同理，如表1 所示。

3.2 進(jìn)行搭配判斷

在具備約束關(guān)系順序推薦的過(guò)程中，物品間的約束關(guān)系尤其重要。所以需要在用戶(hù)提供膚質(zhì)信息的前提下，根據(jù)用戶(hù)想要指定搭配的種類(lèi)和名稱(chēng)，進(jìn)行以下2 個(gè)步驟的推理，并以RDF 記錄該約束信息。

3.2.1 物品與用戶(hù)膚質(zhì)間的互斥

膚質(zhì)類(lèi)型包括正常肌膚、油性肌膚、干性肌膚、混合型肌膚以及敏感型肌膚5 大類(lèi)，我們考慮到正常肌膚、油性肌膚、干性肌膚、混合型肌膚兩兩互斥，而敏感肌除了和正常肌膚互斥外，和其余肌膚可以相交的性質(zhì)，即膚質(zhì)類(lèi)型可以組合成干性肌膚和敏感肌膚混合類(lèi)等。依據(jù)膚質(zhì)性質(zhì)，我們考慮搭配列表中的物品是否與膚質(zhì)存在suits for 關(guān)系的路徑，如果路徑可達(dá)則保留該物品，否則，我們初步判定該物品不符合用戶(hù)需求。此外我們需要利用已獲取的知識(shí)幫助我們進(jìn)行知識(shí)推理，如某個(gè)物品含有有種成分，該成分與用戶(hù)膚質(zhì)信息具備in conflict with 的互斥關(guān)系，我們可以則認(rèn)為出：該物品并不適合此膚質(zhì)類(lèi)型的用戶(hù)。

3.2.2 物品和物品之間存在的約束

在推理過(guò)程中，我們需要對(duì)不同類(lèi)別的子集在知識(shí)圖譜中進(jìn)行約束關(guān)系查詢(xún)，約束關(guān)系包括互斥關(guān)系和增強(qiáng)關(guān)系。本文利用反向推演的思想，當(dāng)且僅當(dāng)不同類(lèi)別產(chǎn)品之間不存在in conflict with 的路徑，我們則認(rèn)為兩種產(chǎn)品之間不會(huì)產(chǎn)品互斥影響，產(chǎn)品可以進(jìn)行搭配使用。如若如果存在增強(qiáng)關(guān)系，則直接以RDF 記錄該信息。

3.3 輸出推理內(nèi)容

經(jīng)過(guò)上一步，我們可以依據(jù)約束結(jié)果的RDF 信息，對(duì)搭配內(nèi)容進(jìn)行判定：當(dāng)且僅當(dāng)不存在任何互斥條件時(shí)，該搭配方案方能被認(rèn)為具備可行性。對(duì)具備約束關(guān)系的方案進(jìn)行可解釋性輸出時(shí)，需要結(jié)合3.1 中利用關(guān)系的傳遞性制定推理規(guī)則進(jìn)行推理。如圖2，假設(shè)用戶(hù)目前的需要判斷的種類(lèi)包括:清潔產(chǎn)品、護(hù)膚水、面霜，物品名稱(chēng)依次為“Miracle Water Micellar Cleanser”，“The True Tincture Essence Chamomile”，“Active Moist Moisturizer”。

從圖2 中我們可以看出，“Miracle Water Micellar Cleanser”擁有成分“Retinol”和“Niacinamide”，“The True Tincture Essence-Chamomile”包含成分“Niacinamide”，“Niacinamide”成分和“Retinol”具備增強(qiáng)關(guān)系，為此可以推理出清潔產(chǎn)品“Miracle Water Micellar Cleanser”和護(hù)膚水“The True Tincture Essence-Chamomile”具備增強(qiáng)關(guān)系，一起使用的效果會(huì)更好。而由于成分“Niacinamide”和成分“Di-c12-13alkymalate”互斥，所以可以推理出，護(hù)膚水“The True Tincture Essence-Chamomile” 和 面 霜“Active Moist Moisturizer”互斥。由于存在互斥關(guān)系，因此該方案不可行。雖然該洗面奶和護(hù)膚水具備增強(qiáng)關(guān)系，但是與面霜互斥，因此該方案仍為不推薦的方案。此外，通過(guò)對(duì)互斥和增強(qiáng)的相關(guān)成分三元組信息的輸出，也可以幫助用戶(hù)進(jìn)行更好地理解推薦原因。

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文方法的可行性，假設(shè)用戶(hù)屬于干性敏感肌膚質(zhì)，在指定護(hù)膚水是否可用的情況下進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，該護(hù)膚水中的成分”Diazolidinyl Urea”，敏感肌不適用，因此該搭配不可行。

針對(duì)清潔產(chǎn)品、護(hù)膚水、面霜三種不同類(lèi)別的物品搭配，假設(shè)用戶(hù)屬于干性非敏感肌，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。結(jié)果判定為該三種物品不能一起搭配，根據(jù)解釋原因我們可以得到：雖然清潔產(chǎn)品和護(hù)膚水具備增強(qiáng)關(guān)系，但是護(hù)膚水和面霜存在互斥關(guān)系。因此在這種情況下，用戶(hù)可以更換面霜，來(lái)搭配清潔產(chǎn)品和護(hù)膚水。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)可解釋性推理增加模型的可信度，用戶(hù)可以更加清楚地了解模型判斷的原因，從而更好地進(jìn)行方案選擇。在具備強(qiáng)烈約束關(guān)系的順序推薦中，可以利用知識(shí)圖譜技術(shù)，為推薦結(jié)果提供可解釋性。后續(xù)的研究?jī)?nèi)容將圍繞對(duì)解釋語(yǔ)句進(jìn)行權(quán)重分配調(diào)節(jié)的研究與設(shè)計(jì)，凝練輸出內(nèi)容。