客戶購買行為建模分析預(yù)測(cè)

朱玨樟

（浙大城市學(xué)院計(jì)算機(jī)系，杭州310000）

0 引言

近年來，隨著電商行業(yè)的不斷發(fā)展，網(wǎng)上購物的用戶不斷增加，用戶的行為數(shù)據(jù)相比以前網(wǎng)絡(luò)不普及，電商平臺(tái)不成熟的時(shí)候要多得多。

電商行業(yè)的蓬勃發(fā)展使各個(gè)商家希望運(yùn)用計(jì)算機(jī)分析方法從大量的商品數(shù)據(jù)、客戶數(shù)據(jù)、客戶購買行為數(shù)據(jù)中找到某些規(guī)律并根據(jù)規(guī)律來進(jìn)一步預(yù)測(cè)客戶的購買行為，從而來減小營銷成本并提升收益，更好的留住用戶。雖然目前已經(jīng)有了很多成熟的算法，例如協(xié)同過濾，可以利用興趣相同或有相似行為的用戶歷史數(shù)據(jù)，來推薦或者預(yù)測(cè)未來用戶可能會(huì)對(duì)哪些商品有行為。但是由于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的用戶數(shù)據(jù)量、商品數(shù)據(jù)量、用戶購買行為數(shù)據(jù)量巨大，直接使用算法會(huì)導(dǎo)致計(jì)算效率低而且無法運(yùn)用于實(shí)際場(chǎng)景中。本文想要從大量的商品中，挑選出部分商品，再結(jié)合用戶的歷史購買行為從這部分商品中選出用戶未來最有可能對(duì)其有購買行為的商品，這種方法可以更好地應(yīng)用到實(shí)際中。

1 研究背景

通過查閱相關(guān)內(nèi)容的文獻(xiàn)和研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)用戶的行為預(yù)測(cè)主要可以分為，通過電商平臺(tái)所獲得的真實(shí)用戶行為數(shù)據(jù)記錄，發(fā)現(xiàn)用戶所感興趣的商品，并根據(jù)推薦算法來為用戶推薦可能感興趣的商品的方法，還有一種是通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，分析用戶行為記錄來找到用戶行為的某些規(guī)律來預(yù)測(cè)用戶的行為，兩種方式。

在基于推薦系統(tǒng)進(jìn)行用戶行為預(yù)測(cè)方面，韓民琦通過挖掘用戶的隱式反饋數(shù)據(jù)來研究用戶在決策過程中的行為，發(fā)現(xiàn)隱式反饋的數(shù)據(jù)更能反映消費(fèi)者的購物傾向[1]。高茂庭提出了融合主題模型和協(xié)同過濾的彈幕視頻推薦算法（DRCFT）來解決一些網(wǎng)站由于缺乏用戶評(píng)分而無法推薦的問題[2]。

在基于機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行用戶行為預(yù)測(cè)方面，楊颯然在XGBoost 和LightBGM 算法上進(jìn)行了客戶購買行為的建模和預(yù)測(cè)[3]。陳軍華利用客戶購買行為數(shù)據(jù)構(gòu)建了基于隱藏多維度的客戶偏好推薦算法[4]。胡東波對(duì)電子商務(wù)消費(fèi)者調(diào)查問卷使用了決策樹來進(jìn)行挖掘[5]。Silahtaroglu 等在顧客歷史購物行為數(shù)據(jù)和人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，用決策樹和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測(cè)顧客是否會(huì)購買自己購物車?yán)锏纳唐穂6]。

本文希望借用先召回少量商品再用XGBoost、LightGBM、CatBoost 算法對(duì)召回的商品進(jìn)行排序的方法，來實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶行為的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)介紹

該競(jìng)賽提供的數(shù)據(jù)是一組1-16 天的用戶行為日志和用戶信息以及感興趣商品信息。原本是要用1-16天的用戶行為來預(yù)測(cè)未來17 天的用戶行為，但是線上的測(cè)試集不可見。所以我改為用1-15 天的用戶行為預(yù)測(cè)未來第16 天的用戶行為。同時(shí)因?yàn)樵瓟?shù)據(jù)集數(shù)據(jù)量過大，硬件條件的限制，所以從原數(shù)據(jù)中提取了100000 個(gè)用戶的5537110 條行為記錄作為訓(xùn)練集，第16 天5000 個(gè)用戶的行為記錄，作為測(cè)試集。在用戶行為數(shù)據(jù)集中，分別包含了4 個(gè)字段，用戶ID、商品ID、行為類型、時(shí)間戳。其中行為類型有‘pv’、‘buy’、‘cart’、‘fav’，分別對(duì)應(yīng)瀏覽，購買，添加到購物車，收藏等用戶行為，并視每一種行為均為用戶對(duì)該商品感興趣的表現(xiàn)。在用戶信息數(shù)據(jù)集中也包含了4 個(gè)字段，用戶ID，性別，年齡，購買力。其中性別由數(shù)字0 和1來表示，0 代表男性用戶，1 代表女性用戶。購買力由整數(shù)1-9 來表示不同用戶的購買能力。

在商品信息數(shù)據(jù)集中同樣包含了4 個(gè)字段，商品ID，類目ID，店鋪ID，品牌ID。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過查看用戶信息、商品信息、用戶行為數(shù)據(jù)集發(fā)現(xiàn)無缺失值。由于用戶行為數(shù)據(jù)集中的時(shí)間戳不方便觀察和統(tǒng)計(jì)，所以將其轉(zhuǎn)化為天數(shù)，以便后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析。之后我們將用戶行為按照興趣程度分別把‘pv’設(shè)為1，‘fav’設(shè)為2，‘cart’設(shè)為3，‘buy’設(shè)為4。圖1 統(tǒng)計(jì)了在未來用戶感興趣的商品類別在過去15 天的數(shù)量變化情況。

圖1 未來用戶感興趣商品在過去15天的數(shù)量分布情況

從圖1 中可以看出隨著時(shí)間離第15 天越近，未來被用戶感興趣的商品被感興趣的次數(shù)就越多，離第15天越遠(yuǎn)，未來被用戶感興趣的商品被感興趣的次數(shù)就越少。所以我們根據(jù)時(shí)間對(duì)行為的重要程度，將時(shí)間轉(zhuǎn)化為權(quán)重計(jì)算用戶對(duì)商品的感興趣程度。

2.3 用戶信息分析

用戶信息在本數(shù)據(jù)集中分別有性別、年齡、消費(fèi)水平三個(gè)特征。數(shù)據(jù)集包含了100000 個(gè)用戶。我們首先根據(jù)性別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中男性用戶有40822 位，女性用戶有59178 位，以女性用戶居多。統(tǒng)計(jì)各個(gè)年齡的用戶數(shù)量發(fā)現(xiàn)用戶主要集中在20-40 歲左右，這也和實(shí)際情況相符合，這個(gè)年齡段的人相比20 歲以下的還未有經(jīng)濟(jì)能力的少年來說，更有能力和時(shí)間進(jìn)行網(wǎng)上購物，相比40 歲以后的人來說，更有購物的欲望和對(duì)更好品質(zhì)生活的追求。這個(gè)年齡段的用戶有69067位，差不多占了所有用戶的2/3。最后統(tǒng)計(jì)不同消費(fèi)能力的用戶數(shù)量。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)消費(fèi)水平為‘6’的用戶占絕大多數(shù)。根據(jù)編號(hào)的順序可以知道，這一消費(fèi)水平的用戶屬于中產(chǎn)階級(jí)或略微好于中產(chǎn)階級(jí)的這一類人群，有27742 位用戶差不多占了總用戶的1/3 左右。圖2 展示了男性用戶在不同年齡所擁有的不同消費(fèi)能力的數(shù)量情況。圖3 展示了女性用戶在不同年齡所擁有的不同消費(fèi)能力的數(shù)量情況。

從圖中可以明顯的發(fā)現(xiàn)，小于20 歲的人群以低消費(fèi)水平為主，20 歲之后，隨著年齡的增長低消費(fèi)人群快速變少，高消費(fèi)人群快速增加。在30 歲左右低消費(fèi)和高消費(fèi)人群都到達(dá)頂峰，之后隨著年齡的增長緩慢下降。圖中各個(gè)消費(fèi)水平人數(shù)隨年齡的變化曲線都比較類似，側(cè)面反映出了年齡對(duì)消費(fèi)水平和消費(fèi)欲望的影響。

圖2 男性用戶年齡-消費(fèi)能力數(shù)量分布圖

圖3 女性用戶年齡-消費(fèi)水平數(shù)量分布圖

2.4 用戶行為數(shù)據(jù)中用戶信息分析

數(shù)據(jù)集中所記錄的是0-14 天的用戶行為（假定最早的行為發(fā)生在第0 天）。對(duì)這15 天用戶所進(jìn)行的操作類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)‘pv’操作，即瀏覽的次數(shù)最多，有4896977 次，占據(jù)了所有記錄的88.4%，‘cart’操作，即添加購物車的次數(shù)有318981 次，占了所有記錄的6%左右，‘buy’操作，即購買的次數(shù)有186855 次，占所有記錄的3.3%，‘fav’操作，即收藏的次數(shù)僅有134297次，占所有記錄的2.3%。這說明，在網(wǎng)購期間，絕大多數(shù)用戶以瀏覽為主，即絕大多數(shù)人都喜歡在電商平臺(tái)‘閑逛’，雖然該行為只是瀏覽，但是也反映了該商品吸引了用戶點(diǎn)擊瀏覽。添加購物車的行為比瀏覽更代表用戶對(duì)商品感興趣。值得注意的是，經(jīng)比賽解釋，并不是所有購買的行為都有添加購物車的記錄，有可能添加購物車是在第0 天之前，所以購買行為和添加購物車行為沒有必然的聯(lián)系，經(jīng)統(tǒng)計(jì)在15 天內(nèi)先發(fā)生‘cart’再發(fā)生‘buy’的記錄只有僅僅數(shù)百條。為了更加明顯直觀的看出不同用戶群體的用戶行為特征，我們將用戶信息數(shù)據(jù)集和用戶行為數(shù)據(jù)集連接在一起，根據(jù)上述對(duì)用戶信息的分析，將用戶分為低消費(fèi)水平男性/女性少年/壯年/中年/老年用戶，中等消費(fèi)水平男性/女性少年/壯年/中年/老年用戶，高消費(fèi)水平男性/女性少年/壯年/中年/老年用戶，這24 類用戶。為了發(fā)現(xiàn)同年齡段，同性別的用戶之間的行為共同點(diǎn)，我們挑選了20-40 歲之間的男性用戶，并對(duì)這些用戶所操作過的共同商品數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，同時(shí)考慮到不同消費(fèi)水平的用戶所喜愛的商品也會(huì)有所不同，所以將20-40 歲之間的男性用戶分為20-40 歲消費(fèi)水平1-5/6/7-9 的男性用戶。圖4 為20-40 歲消費(fèi)水平1-5 即低消費(fèi)的男性用戶，圖5 為20-40 歲消費(fèi)水平為6 即中等消費(fèi)的男性用戶，圖6 為20-40 歲消費(fèi)水平7-9 即高等消費(fèi)的男性用戶。

圖4 20-40歲低消費(fèi)男性用戶操作的商品和商品數(shù)量分布

圖5 20-40歲中等消費(fèi)男性用戶操作的商品和商品數(shù)量分布

圖6 20-40歲低消費(fèi)女性用戶操作的商品和商品數(shù)量分布

從上述圖表中可以很明顯的發(fā)現(xiàn)，相似的用戶群體對(duì)相同商品有著相似的興趣，而且都在第200 個(gè)商品左右用戶關(guān)注的商品開始分散，并且每種商品被用戶操作的次數(shù)都差不多，所以呈現(xiàn)出了長尾分布。這種長尾分布的尾部占了很大一部分，而且這一部分的商品種類很多，但是數(shù)量又很少。所以我們把每個(gè)用戶群體最感興趣的前k 個(gè)商品當(dāng)做是能夠代表這個(gè)用戶群體興趣的商品，這為之后從商品庫中挑選商品候選集提供了思路。

2.5 用戶行為數(shù)據(jù)中商品信息分析

在商品信息數(shù)據(jù)集中，有商品ID，商品類別，店鋪ID，品牌ID，4 個(gè)字段的信息。一共有1306170 件商品。其中商品類別有7824 個(gè)，店鋪有423589 個(gè)，品牌有177464 個(gè)。為了發(fā)現(xiàn)用戶行為和商品信息之間的關(guān)系，我們將用戶行為數(shù)據(jù)集和商品信息數(shù)據(jù)集進(jìn)行連接。對(duì)于歷史上用戶曾經(jīng)感興趣過的商品類型是否會(huì)在未來仍會(huì)被用戶所感興趣的問題，我們沒有區(qū)分用戶行為一同分析了用戶在15 天內(nèi)的行為記錄。如圖7 所示，大半用戶在未來仍會(huì)對(duì)之前感興趣的商品類型有操作，這些被重復(fù)操作的商品類型更能表現(xiàn)用戶的喜好，而這些商品類型隨著用戶的數(shù)量增多重復(fù)次數(shù)也會(huì)增多。

圖7 用戶對(duì)歷史感興趣商品類別重復(fù)操作數(shù)量情況

同樣對(duì)于歷史上用戶曾經(jīng)感興趣過的店鋪是否在未來仍會(huì)被用戶所感興趣的問題，同樣進(jìn)行了上述統(tǒng)計(jì)計(jì)算。如圖8 所示，用戶對(duì)之前感興趣的店鋪在未來仍有較大可能訪問。

圖8 用戶對(duì)歷史感興趣店鋪重復(fù)操作數(shù)量情況

這些信息都表明，用戶對(duì)同樣的商品類型和店鋪有一定的依賴性，用戶更喜歡去訪問以前有訪問或接觸過的東西。這對(duì)之后構(gòu)造特征有所幫助。

3 商品召回

由于商品數(shù)量非常龐大，評(píng)估用戶對(duì)每個(gè)商品的興趣度不現(xiàn)實(shí)，所以要從大量的商品信息中盡可能的挑選出用戶可能會(huì)感興趣，可能會(huì)對(duì)其有所行為的商品。這不僅減少了之后對(duì)商品排序的工作量，又剔除了一些長尾分布中處于尾部，可能會(huì)影響排序的樣本。本文通過商品類別和用戶類別進(jìn)行召回，并結(jié)合兩種召回所得到的商品，作為商品候選集，同時(shí)構(gòu)造測(cè)試集。

3.1 考慮時(shí)間序列的商品類別召回

根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)用戶行為離未來越近，用戶感興趣的商品類別和未來用戶感興趣的商品類別越相似。而傳統(tǒng)的根據(jù)商品類別召回的方法是根據(jù)用戶所有的感興趣的商品類別不加區(qū)分的進(jìn)行推薦，但是用戶很可能對(duì)很久之前買過的那種類別的商品已經(jīng)失去了興趣，例如用戶在過去對(duì)鼠標(biāo)很感興趣，但某一段時(shí)間之后對(duì)鼠標(biāo)沒有任何操作，近期對(duì)自行車類的商品經(jīng)常有行為，那么可以認(rèn)為這個(gè)用戶的興趣已經(jīng)發(fā)生了改變，對(duì)鼠標(biāo)類的商品已經(jīng)失去了興趣而對(duì)自行車類的商品有著濃厚的興趣。所以在進(jìn)行商品類別召回的時(shí)候，可以多召回一些自行車類的商品，少召回一些鼠標(biāo)類的商品，這樣的方法相比傳統(tǒng)的方法更加符合實(shí)際情況，召回的效果更好。

同時(shí)根據(jù)傳統(tǒng)的商品類別進(jìn)行召回，以便在最后進(jìn)行結(jié)果對(duì)比。

3.2 根據(jù)用戶所在的類別召回

針對(duì)在15 天內(nèi)沒有過行為的新客戶進(jìn)行召回，以解決冷啟動(dòng)問題。因?yàn)樵谶^去沒有任何關(guān)于新用戶的行為記錄，所以無法利用之前的得出的結(jié)論進(jìn)行預(yù)測(cè)。所以我們根據(jù)之前通過分析用戶信息得到的結(jié)果，將不同性別、年齡、消費(fèi)水平的用戶分為20 歲以下/20-40 歲/40-60 歲/60 歲以上的男/女性低消費(fèi)/中等消費(fèi)/高消費(fèi)用戶24 類。因?yàn)橥愑脩羲信d趣的商品數(shù)量呈現(xiàn)長尾分布，所以我們選擇前k 件商品作為能代表該類用戶興趣的商品，并將這些商品推薦給同類的新用戶。

4 建模和排序

4.1 實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)歷史用戶行為數(shù)據(jù)分別構(gòu)造了用戶特征，用戶-商品行為特征，商品特征中提取相關(guān)特征，并根據(jù)是否加入時(shí)間因素分為靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)特征兩種特征，一共69 種特征。通過對(duì)之前召回的商品進(jìn)行排序就可以獲得最終的推薦列表，也就是用戶在未來可能會(huì)對(duì)其有所行為的商品列表。我們將對(duì)商品排序的問題轉(zhuǎn)化為二分類問題，即判斷該商品是否會(huì)被用戶有所行為，并根據(jù)可能為1 的概率對(duì)商品進(jìn)行排序。根據(jù)15 天內(nèi)的用戶行為記錄和商品候選集構(gòu)造訓(xùn)練集。將用戶曾經(jīng)感興趣的商品同該類商品類別中熱門的商品做并集，并把曾經(jīng)感興趣的商品的標(biāo)簽置為1，其余商品的標(biāo)簽置為0，即從商品候選集中選取正樣本和負(fù)樣本，并不是將所有用戶所感興趣的商品都作為正樣本，因?yàn)橛行┥唐繁桓信d趣的次數(shù)太少，如果將其作為正樣本可能會(huì)影響結(jié)果。用同樣方法對(duì)不同類別的用戶構(gòu)造訓(xùn)練集。

由于正樣本和負(fù)樣本的比例過于不均衡，所以我們對(duì)負(fù)樣本采取隨機(jī)抽樣的方法最終將正、負(fù)樣本數(shù)的比例定為1:10，正樣本數(shù)量232329，負(fù)樣本數(shù)量2323290。最終的訓(xùn)練集大小為2555619 條數(shù)據(jù)。之后使用XGBoost、LGBM、CatBoost 進(jìn)行建模預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)的每個(gè)商品為1 的可能性進(jìn)行排序，選出前k 個(gè)商品作為推薦商品，使用競(jìng)賽給出的公式（1）計(jì)算結(jié)果。其中u 表示用戶，Pu(∣Pu∣≤50)為最后選出的用戶u的未來感興趣商品合集。Gu 為用戶u 的真實(shí)興趣商品合集，Hu 為用戶u 的歷史感興趣商品集合。即要從預(yù)測(cè)的商品合集中刪除用戶以往感興趣的商品。

本文采取交叉驗(yàn)證的方式來對(duì)模型的訓(xùn)練效果進(jìn)行驗(yàn)證，從訓(xùn)練集中按照4:1 的比例劃分訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，同時(shí)生成混淆矩陣來計(jì)算相應(yīng)的預(yù)測(cè)結(jié)果，如召回率、AUC、F1-score，最后用全部訓(xùn)練集數(shù)據(jù)建模預(yù)測(cè)測(cè)試集樣本。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在召回階段，本文采取的召回方式相較于傳統(tǒng)的根據(jù)商品類別召回方式不同，傳統(tǒng)的根據(jù)商品類別進(jìn)行召回是將所有用戶所產(chǎn)生的用戶行為當(dāng)做是同一時(shí)間發(fā)生的行為，并沒有對(duì)用戶行為的時(shí)間順序加以區(qū)別。實(shí)際情況中，用戶對(duì)商品的興趣會(huì)隨著時(shí)間的增加而不斷減弱，所以本文將用戶最后一次對(duì)某商品類別感興趣的時(shí)間轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的權(quán)重，時(shí)間離未來近的商品類別所占的比重就越大，該商品類別召回的商品就越多。同時(shí)盡可能保持和傳統(tǒng)方式所召回的商品數(shù)量一致，方便結(jié)果對(duì)比。最后通過對(duì)兩組不同的5000 個(gè)用戶進(jìn)行預(yù)測(cè)推薦，結(jié)果取平均值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，XGBoost 要優(yōu)于CatBoost 要優(yōu)于LightGBM。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最后將本文采用的方法與傳統(tǒng)的方法預(yù)測(cè)的結(jié)果相比較，如圖9 所示。

圖9 本文方法與傳統(tǒng)方法結(jié)果比較

從結(jié)果對(duì)比圖中發(fā)現(xiàn)，使用XGBoost 模型進(jìn)行排序，本文的方法要比傳統(tǒng)方法提升了30%，使用LGBM模型進(jìn)行排序結(jié)果提升了5.3%，使用CatBoost 模型進(jìn)行排序結(jié)果提升了10.6%。根據(jù)以上結(jié)論，可以得出本文使用的方法要比傳統(tǒng)根據(jù)商品類別召回的方法更加符合實(shí)際情況，能更好地預(yù)測(cè)未來用戶的行為和適應(yīng)用戶興趣的變化，在實(shí)際場(chǎng)景中有一定的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)阿里巴巴天池大數(shù)據(jù)比賽提供的用戶行為數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了用戶歷史行為對(duì)未來用戶行為的影響，并嘗試從大量的商品中召回少量商品再通過模型進(jìn)行排序的方法，來提高預(yù)測(cè)用戶行為、推薦用戶商品的效率和準(zhǔn)確率。對(duì)于將推薦算法更好地應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景有著一定的借鑒意義。