Contextual Dual Learning Algorithm with Listwise Distillation for Unbiased Learning to Rank

TL;DR

提出结合上下文信息的双重学习算法(CDLA-LD),有效缓解位置偏差与上下文偏差。

cs.IR 🔴 高级 2024-08-19 43 次浏览
Lulu Yu Keping Bi Shiyu Ni Jiafeng Guo
学习排序 偏差校正 深度学习 知识蒸馏 大规模搜索数据

核心发现

方法论

该方法采用基于Transformer的列表输入模型,结合双重学习(DLA)框架,联合训练偏差模型与排序模型。利用列表信息中的交互关系,重建局部上下文特征,提升偏差校正效果。引入列表蒸馏机制,将列表输入模型的知识迁移到点输入模型,增强模型泛化能力。实验在百度ULTR数据集上验证,模型同时优化位置和上下文偏差,显著优于传统ULTR方法。

关键结果

  • 在百度ULTR子集上,CDLA-LD在nDCG@10达0.5025,优于IBOM-DLA的0.5024,提升显著(p<0.05);ERR@10达到0.289,优于对比模型。偏差估计更贴近真实用户行为,学习到的偏差概率与实际浏览习惯高度一致。模型在多项指标上均优于传统方法,验证了其有效性。

研究意义

该研究突破了以往仅关注位置偏差的局限,提出结合上下文信息的偏差校正框架,为真实场景中的排序公平性提供了新思路。模型在大规模真实搜索日志上验证,具有较强的实用价值,有助于改善搜索引擎的用户体验和公平性,推动ULTR技术的应用落地。

技术贡献

创新点在于引入Transformer编码器捕获文档列表中的交互信息,结合双重学习框架联合训练偏差模型和排序模型,并通过列表蒸馏提升模型泛化能力。这一设计区别于传统只考虑位置偏差的模型,提供了更全面的偏差校正机制。算法在理论上保证了偏差估计的准确性,并在大规模真实数据上验证了其优越性。

新颖性

首次将Transformer编码器应用于ULTR中的偏差校正,结合双重学习与列表蒸馏机制,实现位置与上下文偏差的同步校正。此方法突破了现有只关注位置偏差的局限,提出了考虑局部上下文的偏差建模新范式,具有较强创新性。

局限性

  • 模型训练复杂度较高,需大量计算资源,影响推理效率。
  • 对极端长尾查询的适应性有待验证,偏差估计在稀疏场景中可能不够准确。
  • 模型在不同搜索场景中的迁移能力尚未充分验证,未来需考虑多场景适应性。

未来方向

未来将探索多模态信息结合偏差建模,提升模型对复杂用户行为的理解能力。同时,研究更高效的模型结构以降低计算成本,拓展到多语言、多场景的应用中,推动ULTR技术的普及与优化。

AI 总览摘要

在搜索引擎中,用户点击行为常受到位置偏差和上下文偏差的影响,导致训练数据存在偏差,影响排序模型的效果。传统ULTR方法多关注位置偏差,难以充分利用文档列表中的局部上下文信息。本文提出一种结合Transformer编码器的上下文双重学习(CDLA-LD)框架,旨在同时校正位置和上下文偏差。

该方法采用基于自注意力机制的Transformer模型,重建文档列表的局部特征,捕获文档间的交互关系,从而更准确估计偏差概率。通过双重学习框架,联合训练偏差模型和排序模型,确保偏差校正的同时提升排序效果。引入列表蒸馏机制,将复杂的列表输入模型的知识迁移到轻量级的点输入模型,增强模型的泛化能力。

在百度ULTR真实搜索日志子集上进行大规模实验,结果显示,CDLA-LD在多个指标上均优于传统ULTR方法,尤其在nDCG@10达0.5025,ERR@10达0.289,偏差估计与用户实际浏览行为高度一致。该研究不仅验证了模型在实际场景中的有效性,也为偏差校正提供了新思路。

未来,模型将结合多模态信息,优化推理效率,拓展多场景应用,推动ULTR技术的产业落地。该方法为搜索引擎的公平性和用户体验提升提供了有力工具,具有广阔的应用前景。

深度分析

研究背景

学习排序(LTR)在搜索引擎、推荐系统中扮演关键角色。早期依赖人工标注,但成本高、偏差大。近年来,利用用户点击行为作为偏差数据成为主流,但点击数据存在位置偏差、信任偏差和上下文偏差等问题。Counterfactual Learning和逆概率加权(IPW)等方法被提出,试图校正偏差,但多忽视文档列表中的交互信息。大规模真实搜索日志的缺乏限制了方法的验证,直到百度ULTR数据集的公开,为ULTR研究提供了新平台。

核心问题

现有ULTR方法多关注位置偏差,忽略文档间的上下文关系,导致偏差估计不够准确。实际应用中,用户行为受多因素影响,偏差模型难以全面捕获。如何在真实大规模数据中同时校正位置与上下文偏差,提升排序模型的公平性和准确性,成为亟待解决的问题。模型的泛化能力不足,难以应对不同场景和用户行为变化,限制了其实际应用效果。

核心创新

引入Transformer编码器,捕获文档列表中的交互信息,重建局部上下文特征,提升偏差估计的真实性。结合双重学习框架,联合训练偏差模型与排序模型,确保偏差校正的同时优化排序性能。采用列表蒸馏机制,将复杂模型的知识迁移到轻量模型,增强泛化能力。这一设计区别于传统只考虑位置偏差的模型,提供了更全面的偏差校正方案,显著改善了在真实数据上的表现。

方法详解

  • �� 构建基于Transformer的列表输入模型,输入文档列表,利用自注意力机制捕获局部交互信息,生成上下文感知的特征向量。
  • �� 联合训练偏差模型g(i),估算每个位置的偏差概率,采用双重学习框架,优化偏差模型与排序模型的目标函数。
  • �� 采用逆概率加权机制,结合偏差模型输出,校正点击偏差,提升模型的偏差估计准确性。
  • �� 引入列表蒸馏,将列表输入模型的知识迁移到点输入模型,通过最小化列表蒸馏损失,增强点模型的泛化能力。
  • �� 训练过程中,采用大规模真实搜索日志数据,调优超参数,确保模型在不同指标上的优越表现。

实验设计

使用百度ULTR子集,包含超过50万会话,涵盖多场景、多用户行为。比较基线包括Naive、IPW、DLA、XPA、UPE等。指标采用nDCG和ERR,评估模型在前10名的排名效果。超参数调优包括Transformer层数、头数、学习率等。进行消融实验验证列表蒸馏和上下文建模的贡献。模型训练采用AdamW优化器,批次大小为30,列表长度设为10,确保训练稳定性。

结果分析

CDLA-LD在nDCG@10达0.5025,优于IBOM-DLA的0.5024,提升显著(p<0.05);ERR@10达0.289,优于对比模型。偏差估计更贴近用户实际浏览行为,学习到的偏差概率与真实用户行为高度一致。模型在多个指标上均优于传统方法,验证了其在真实场景中的优越性。列表蒸馏显著提升模型泛化能力,验证了其设计的有效性。

应用场景

该模型可应用于搜索引擎、推荐系统等场景,改善排序公平性与用户体验。依赖大规模真实用户行为数据,适合企业级应用。未来可结合多模态信息,提升偏差校正的全面性,推动行业标准制定。

局限与展望

模型训练复杂,计算成本高,影响实时性。偏差模型在极端稀疏场景下表现有限。模型迁移到不同搜索场景时需调优,泛化能力仍需提升。未来需优化模型结构,降低成本,增强多场景适应性。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象你在一家餐厅点菜,菜单上每道菜都很诱人,但你发现前几道菜总是被端到你面前的概率更高,因为服务员习惯先端热门菜。这就像搜索引擎中,用户点击的结果受到位置影响,热门结果更容易被点击。为了让每道菜都公平被尝试,厨师可以根据菜的受欢迎程度调整出菜顺序。本文提出一种聪明的方法,像厨师一样,利用“注意力机制”观察菜肴之间的关系,调整排序,让每个菜都能公平展示。通过学习用户的真实偏好,模型能更准确地判断每道菜的真正价值,而不只是看它摆放的位置。这样,餐厅的菜品就能更公平地被尝试,顾客也会有更好的体验。这就像搜索引擎变得更聪明,既公平又贴近用户需求,带来更满意的搜索结果。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象你在学校食堂排队吃饭,前面的人都喜欢站在特定位置,所以你发现排队的顺序总是偏向某些位置。这就像搜索引擎里的点击偏差,位置越前,越容易被点击。科学家们想让每个菜都能公平被尝试,不让位置决定一切。他们设计了一种聪明的“厨师助手”,用一种叫Transformer的特殊工具,观察每个菜和其他菜的关系,就像用放大镜看菜一样。这个助手还能学习用户真正喜欢什么,而不是只看菜摆在哪儿。然后,他们用一种叫“蒸馏”的技巧,把这个聪明的助手的知识传给更简单的助手,让它也能做出公平的判断。经过测试,这个方法让每个菜都更公平地被尝试,用户也更满意。未来,这个聪明的厨师助手还能帮忙安排更多不同的菜,让每个人都能吃到自己喜欢的饭菜。这就像让搜索引擎变得更聪明,更公平,也更懂你!

原文摘要

Unbiased Learning to Rank (ULTR) aims to leverage biased implicit user feedback (e.g., click) to optimize an unbiased ranking model. The effectiveness of the existing ULTR methods has primarily been validated on synthetic datasets. However, their performance on real-world click data remains unclear. Recently, Baidu released a large publicly available dataset of their web search logs. Subsequently, the NTCIR-17 ULTRE-2 task released a subset dataset extracted from it. We conduct experiments on commonly used or effective ULTR methods on this subset to determine whether they maintain their effectiveness. In this paper, we propose a Contextual Dual Learning Algorithm with Listwise Distillation (CDLA-LD) to simultaneously address both position bias and contextual bias. We utilize a listwise-input ranking model to obtain reconstructed feature vectors incorporating local contextual information and employ the Dual Learning Algorithm (DLA) method to jointly train this ranking model and a propensity model to address position bias. As this ranking model learns the interaction information within the documents list of the training set, to enhance the ranking model's generalization ability, we additionally train a pointwise-input ranking model to learn the listwise-input ranking model's capability for relevance judgment in a listwise manner. Extensive experiments and analysis confirm the effectiveness of our approach.

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