基于主題概率分布模型的個(gè)性化信息推薦系統(tǒng)研究

摘 要：【目的】傳統(tǒng)基于相似度計(jì)算的個(gè)性化信息推薦系統(tǒng)因算力要求過高、推薦時(shí)滯過長等問題，致使其無法在中小型新聞圖情領(lǐng)域得到廣泛的普及。為了幫助中小型新聞圖情機(jī)構(gòu)以較低的成本開展個(gè)性化信息的精準(zhǔn)推薦服務(wù)，構(gòu)建了一套基于主題概率分布模型的個(gè)性化信息推薦系統(tǒng)?！痉椒ā客ㄟ^數(shù)據(jù)采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)語料的采集；通過LDA模型訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)原始文本信息的分類；通過將用戶信息代入LDA模型訓(xùn)練獲取用戶主題畫像；將用戶主題畫像與文本信息分類相結(jié)合實(shí)現(xiàn)個(gè)性化信息推薦?！窘Y(jié)果】經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)推薦時(shí)效強(qiáng)，可達(dá)毫秒級(jí)。通過與用戶閱讀記錄進(jìn)行比較，該系統(tǒng)的推薦結(jié)果均符合用戶興趣主題，具有較高的推薦精準(zhǔn)度?！窘Y(jié)論】該基于主題概率分布模型的個(gè)性化信息推薦系統(tǒng)，能夠幫助中小型新聞圖情機(jī)構(gòu)以較低的成本開展個(gè)性化信息精準(zhǔn)推薦服務(wù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：LDA主題模型；主題概率分布模型；個(gè)性化信息推薦；系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TP391.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）15-0012-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.003

Research on Personalized Information Recommendation System Based on Subject Probability Distribution Model

DOU Zhilei1 JIN Jiejie2

（1. Luohe Vocational Technology College， Luohe 462000， China;

2.Luohe Medical College， Luohe 462000， China）

Abstract： [Purposes] The traditional personalized information recommendation system based on similarity calculation can not be widely used in the field of small and medium-sized news picture because of the high requirement of computing power and time delay of recommendation. This paper constructs a personalized information recommendation system based on subject probability distribution model to help small and medium-sized news organizations to carry out personalized information accurate recommendation service with lower cost. [Methods] The data collection technology was used to collect the original data corpus; LDA model training was used to classify the original text information; the user's subject portrait was obtained by substituting user's information into LDA model training results; the personalized information recommendation is realized by combining user subject portrait with text information classification. [Findings] the experimental results showed that the system had a strong recommendation time， which could reach the millisecond level. Compared with the reading records of users， the recommendation results were in accordance with user's interest topics， and had a high recommendation accuracy. [Conclusions] The personalized information recommendation system based on topic probability distribution model can help small and medium-sized news picture and information organizations to develop personalized information accurate recommendation service with lower cost， which has certain application value.

Keywords： LDA subject model; subject probability distribution model; personalized information recommendation; system design and implementation

0 引言

隨著數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的普及，信息產(chǎn)生的速度遠(yuǎn)超人們處理信息的能力。人們不僅要面對(duì)來自傳統(tǒng)媒體的新聞、廣告，還要應(yīng)對(duì)社交媒體、博客、論壇等平臺(tái)上不斷更新的內(nèi)容。信息過載不僅會(huì)導(dǎo)致人們難以找到真正有價(jià)值的信息，而且會(huì)引起人們陷入信息恐慌、信息焦慮。隨著生活水平的提高，人們對(duì)于個(gè)性化和定制化服務(wù)的需求也越來越高。用戶希望無論是在生活方面，還是娛樂方面等，都能獲得符合自己興趣、偏好和需求的內(nèi)容。在數(shù)智時(shí)代，伴隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)快速發(fā)展，個(gè)性化信息推薦系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，特別是電商、新聞、咨詢領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通過構(gòu)建個(gè)性化推薦系統(tǒng)，可以很好地解決信息過載問題，幫助用戶從海量的數(shù)據(jù)中快速找到所感興趣的內(nèi)容，提升用戶體驗(yàn)，進(jìn)而緩解信息過載與用戶個(gè)性化信息需求之間的矛盾。

1 傳統(tǒng)個(gè)性化推薦算法

1.1 協(xié)同過濾算法的基本原理

協(xié)同過濾算法是一種在個(gè)性化推薦系統(tǒng)中最為廣泛應(yīng)用的算法，其核心思想在于“物以類聚、人以群分”，即利用群體的智慧（興趣相投或擁有共同經(jīng)驗(yàn)的群體喜好）來為用戶推薦感興趣的內(nèi)容［1］。其通過分析用戶的行為數(shù)據(jù)，如購買記錄、瀏覽歷史、評(píng)分等，找出與當(dāng)前用戶興趣相似的其他用戶，或者找出與當(dāng)前用戶喜歡的物品所相似的其他物品，然后基于這些相似性進(jìn)行個(gè)性化信息或物品推薦。

協(xié)同過濾算法的原理主要基于兩點(diǎn)：一是相似性計(jì)算，二是推薦生成。首先，算法需要收集用戶的行為數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算用戶之間的相似性（基于用戶的協(xié)同過濾）或物品之間的相似性（基于物品的協(xié)同過濾）來找出相似度較高的用戶或物品。相似性計(jì)算通常使用余弦相似度、皮爾遜相關(guān)系數(shù)等方法［2］。其次，基于計(jì)算出的相似性，算法會(huì)為用戶生成推薦列表。在基于用戶的協(xié)同過濾中，算法會(huì)找到與目標(biāo)用戶最相似的k個(gè)用戶，并推薦這k個(gè)用戶喜歡的、但目標(biāo)用戶尚未接觸過的物品。而在基于物品的協(xié)同過濾中，算法會(huì)找到與目標(biāo)用戶喜歡的物品最相似的物品進(jìn)行推薦。

1.2 協(xié)同過濾算法的特點(diǎn)與不足

協(xié)同過濾算法的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在個(gè)性化推薦、易于實(shí)現(xiàn)和可擴(kuò)展性上［3］。首先，協(xié)同過濾算法能夠根據(jù)用戶的歷史行為數(shù)據(jù)進(jìn)行個(gè)性化推薦，滿足不同用戶的個(gè)性化需求；其次，協(xié)同過濾算法的原理相對(duì)簡單，易于實(shí)現(xiàn)和部署，適用于各種規(guī)模的推薦系統(tǒng)；最后，協(xié)同過濾算法具有很好的可擴(kuò)展性，可以應(yīng)用于各種領(lǐng)域和場(chǎng)景，如電商、視頻、音樂等。通過不斷收集用戶的行為數(shù)據(jù)，協(xié)同過濾算法能夠不斷優(yōu)化推薦結(jié)果，提高用戶的滿意度。

盡管協(xié)同過濾算法具有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足之處。一是數(shù)據(jù)稀疏性問題［4］。由于用戶的行為數(shù)據(jù)通常是相對(duì)稀疏的，即大部分用戶只對(duì)少數(shù)物品產(chǎn)生了行為，這可能導(dǎo)致算法難以找到足夠的相似用戶或物品，從而影響推薦的準(zhǔn)確性。二是冷啟動(dòng)問題。協(xié)同過濾算法一定程度上依賴于用戶的歷史行為數(shù)據(jù)，當(dāng)推薦系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)或者新加入了用戶或物品時(shí)，由于缺乏足夠的歷史數(shù)據(jù)，協(xié)同過濾算法很難進(jìn)行準(zhǔn)確的推薦［5］。三是響應(yīng)時(shí)滯問題。隨著用戶和物品的增加，協(xié)同過濾算法的計(jì)算復(fù)雜度會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長。由于協(xié)同過濾算法需要不斷計(jì)算用戶之間或項(xiàng)目之間的相似度，因此會(huì)造成其在大規(guī)模數(shù)據(jù)集上的性能下降，致使系統(tǒng)出現(xiàn)延遲甚至崩潰，無法滿足用戶實(shí)時(shí)性響應(yīng)的要求。

1.3 傳統(tǒng)個(gè)性化推薦算法普及的主要障礙

響應(yīng)時(shí)滯問題是影響協(xié)同過濾算法無法得到廣泛普及的主要障礙。對(duì)于大型企業(yè)而言，可以采用一些分布式計(jì)算技術(shù)，如MapReduce、Spark等來提高算法的可伸縮性和處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集的能力，保障基于協(xié)同過濾算法的個(gè)性化推薦系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行。但通過提高算力來解決個(gè)性化推薦系統(tǒng)需要持續(xù)投入大量的人力、技術(shù)、設(shè)備和金錢。從經(jīng)濟(jì)方面來看，上述投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了中小型新聞圖情信息服務(wù)機(jī)構(gòu)的可承受范圍，致使個(gè)性化推薦系統(tǒng)在中小型新聞圖情信息服務(wù)機(jī)構(gòu)中并未得到普及。基于此，本研究另辟蹊徑，采用LDA模型構(gòu)建了一套基于主題概率模型的個(gè)性化信息推薦系統(tǒng)，以期能夠幫助中小型新聞圖情機(jī)構(gòu)以較低成本開展個(gè)性化信息精準(zhǔn)推薦服務(wù)。

2 主題概率分布模型——LDA主題模型

2.1 LDA主題模型簡介

隱含狄利克雷分布（Latent Dirichlet Allocation，LDA）是當(dāng)前最為常用的主題概率分析模型，由David M.Blei、Andrew Y.Ng、Michael I.Jordan于2003年提出［6］。其結(jié)構(gòu)包含三層貝葉斯結(jié)構(gòu)（文檔層、主題層和單詞層），并通過貝葉斯概率公式來推斷每個(gè)文檔中包含哪些主題，以及每個(gè)主題中包含哪些單詞，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)文本復(fù)雜主題結(jié)構(gòu)的有效表示。LDA主題模型具有以下特點(diǎn)：一是自動(dòng)發(fā)現(xiàn)隱藏主題［7］。LDA能夠自動(dòng)從大量文本數(shù)據(jù)中識(shí)別并提取出隱藏的主題結(jié)構(gòu)，而無須人工定義或標(biāo)注。這使得它能夠處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集，并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中可能存在的未知或難以直接觀察到的主題。二是可解釋性強(qiáng)。LDA生成的主題分布模型具有良好的可解釋性，每個(gè)主題由一組相關(guān)的單詞或短語組成，這些單詞或短語能夠清晰地反映主題的內(nèi)容。這使得人們可以直觀地理解數(shù)據(jù)的主題結(jié)構(gòu)，從而更好地進(jìn)行文本分析和解讀。三是降維與簡化。LDA基于詞袋模型，能夠忽略詞序和語法，專注于文本的主題內(nèi)容，將高維的文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為低維的主題分布表示，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的降維和簡化。這有助于降低計(jì)算的復(fù)雜性，提高處理效率，并且便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和可視化。四是適應(yīng)性強(qiáng)［8］。LDA對(duì)于不同的文本數(shù)據(jù)具有較好的適應(yīng)性，既可以處理各種類型的文本數(shù)據(jù)，如新聞、社交媒體帖子、學(xué)術(shù)論文等， 處理數(shù)量從幾篇文檔到數(shù)百萬篇文檔均可。又可以與其他自然語言處理技術(shù)相結(jié)合，如詞嵌入、命名實(shí)體識(shí)別等，以進(jìn)一步提高文本分析的準(zhǔn)確性和效率。五是支持個(gè)性化推薦。LDA通過聯(lián)合構(gòu)建用戶畫像和文檔主題分布模型，實(shí)現(xiàn)信息的精準(zhǔn)個(gè)性化推薦。

2.2 LDA主題模型的應(yīng)用

LDA模型的輸出結(jié)果主要包括文檔—主題分布（Doc—topic）、詞匯—主題分布（Word—topic）和主題—詞匯分布（Topic—word）。這三個(gè)分布相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成了LDA模型的核心。文檔—主題分布描述了每個(gè)文檔在各個(gè)主題上的概率分布，告訴我們每個(gè)文檔是由哪些主題混合而成的。詞匯—主題分布則描述了每個(gè)單詞在各個(gè)主題上的概率分布，揭示了單詞與主題之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。而主題—詞匯分布則描述了每個(gè)主題在詞匯表上的概率分布，告訴我們每個(gè)主題是由哪些單詞組成的。通過分析這些輸出結(jié)果能夠幫助我們理解和分析文本數(shù)據(jù)中的主題和詞匯之間、文檔和主題之間的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能。

正是基于上述特點(diǎn)以及其在處理文本數(shù)據(jù)時(shí)展現(xiàn)出強(qiáng)大的能力，LDA主題模型已廣泛應(yīng)用于信息檢索、文本分類、文本聚類等領(lǐng)域。在信息檢索中，LDA模型可以提高搜索系統(tǒng)的相關(guān)性，通過理解文檔和查詢背后的主題，提高搜索結(jié)果的質(zhì)量；在文本分類中，LDA模型可以通過分析文檔的主題分布，將文檔劃分到不同的類別中；在文本聚類中，LDA模型則可以將相似的文檔分到一起，形成簇，從而揭示文檔集合中的主題結(jié)構(gòu)；在個(gè)性化推薦中，LDA可以將用戶近期閱讀的信息合并成一篇長文檔，并使用該文檔的主題分布作為用戶畫像，結(jié)合文本分類結(jié)果，實(shí)現(xiàn)信息的個(gè)性化推薦［9］。

2.3 LDA主題模型的實(shí)現(xiàn)過程

LDA主題模型的實(shí)現(xiàn)步驟如下：①數(shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)文本數(shù)據(jù)進(jìn)行分詞、去停用詞、去除標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等預(yù)處理操作，以便后續(xù)的分析；②構(gòu)建語料庫。將預(yù)處理后的文本數(shù)據(jù)構(gòu)建成LDA模型所需的語料庫形式，包括文檔集合和詞匯表等；③確定主題數(shù)。根據(jù)實(shí)際需求和研究目的確定LDA模型中的主題數(shù)；④訓(xùn)練LDA模型。使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)LDA模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到文檔的主題分布和每個(gè)主題下的詞匯分布；⑤應(yīng)用LDA模型。將訓(xùn)練好的LDA模型應(yīng)用于實(shí)際的文本分析任務(wù)中，如文本分類、話題發(fā)現(xiàn)等。LDA常用的訓(xùn)練工具包括gensim和tomotopy等，均可實(shí)現(xiàn)對(duì)LDA主題模型的高效訓(xùn)練和業(yè)務(wù)處理。

3 基于LDA主題模型的個(gè)性化推薦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

利用LDA主題模型構(gòu)建個(gè)性化推薦系統(tǒng)的主要思路如下：首先，通過訓(xùn)練LDA主題模型將文本信息實(shí)現(xiàn)分類；其次，將用戶的各類屬性信息和近期閱讀的信息合并成一篇長文檔，并使用該文檔的主題分布作為用戶畫像，獲取用戶信息偏好（代入訓(xùn)練結(jié)果獲取用戶的文檔主題分布）；最后，結(jié)合用戶興趣偏好與文本分類結(jié)果，按照預(yù)定規(guī)則實(shí)現(xiàn)信息的個(gè)性化推薦。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

文本信息分類、用戶興趣建模和內(nèi)容推薦是實(shí)現(xiàn)基于LDA主題模型在個(gè)性化推薦系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.2.1 文本信息分類。文本信息分類是基于主題概率分布模型個(gè)性化信息推薦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。信息作為推薦的最終對(duì)象，其分類的準(zhǔn)確與否直接影響個(gè)性化推薦結(jié)果的質(zhì)量。通過對(duì)LDA主題模型訓(xùn)練結(jié)果中的文檔—主題分布進(jìn)行分析，可以得到原始語料庫中每一條語料的最大概率主題分布（即該條原始語料屬于哪個(gè)主題的概率最大），進(jìn)而明確該原始語料屬于某一主題分類。主題明確后，在原始信息數(shù)據(jù)庫中針對(duì)該語料信息進(jìn)行唯一主題分類標(biāo)注，以供個(gè)性化推薦階段與用戶興趣主題分布進(jìn)行匹配和檢索［10］。

3.2.2 用戶興趣建模。個(gè)性化推薦系統(tǒng)需要理解用戶的興趣以便提供相關(guān)的推薦。LDA可以用來分析用戶的歷史行為數(shù)據(jù)（如瀏覽歷史、購買歷史、評(píng)分等），從而挖掘用戶的潛在興趣主題。具體來說就是將用戶的交互項(xiàng)目（如商品、文章、電影等）視為文檔，項(xiàng)目中的特征（如商品描述、文章內(nèi)容、電影情節(jié)等）視為單詞，使用LDA模型對(duì)這些文檔進(jìn)行主題建模，得到每個(gè)用戶的興趣分布。

3.2.3 內(nèi)容推薦。在得到用戶的興趣分布后，系統(tǒng)根據(jù)用戶興趣主題分布從已分類的文本信息數(shù)據(jù)庫中按照一定規(guī)則檢索、查詢相關(guān)的主題內(nèi)容來為用戶進(jìn)行個(gè)性化信息推薦。例如，如果一個(gè)用戶的興趣主題表明該用戶對(duì)科技新聞感興趣，那么系統(tǒng)會(huì)推薦與科技相關(guān)的新聞文章。此外，針對(duì)一些實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的新項(xiàng)目，如國際要聞、新商品上架等，LDA可以分析待推薦新項(xiàng)目的內(nèi)容，將其也表示為主題分布，通過比較用戶興趣分布和新項(xiàng)目內(nèi)容分布，從而確定該新項(xiàng)目是否應(yīng)該推薦給用戶，以解決實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的新項(xiàng)目的個(gè)性化精準(zhǔn)推薦問題。

3.3 系統(tǒng)的試驗(yàn)與結(jié)果驗(yàn)證

本研究采用爬蟲技術(shù)，從新浪、搜狐等網(wǎng)站采集新聞標(biāo)題共20多萬條作為原始語料，通過分詞、刪除停用詞、構(gòu)建詞袋模型、利用困惑度確定主題數(shù)、進(jìn)行模型訓(xùn)練等步驟，實(shí)現(xiàn)了基于LDA主題模型的文本信息主題分類。同時(shí)隨機(jī)選擇了10條信息作為假設(shè)用戶的閱讀記錄，并將這些記錄作為文檔，代入已經(jīng)訓(xùn)練好的主題模型中，獲取用戶專屬的文檔—主題分布，完成用戶興趣偏好主題分析。根據(jù)用戶興趣偏好主題，按照一定推薦規(guī)則（如以主題歸屬概率大小作為推薦順序等），從已分類的文本信息中推薦50條信息作為推薦結(jié)果。經(jīng)與用戶閱讀記錄比較，這些推薦結(jié)果均符合用戶興趣主題。經(jīng)驗(yàn)證，本研究設(shè)計(jì)的基于LDA主題模型的個(gè)性化信息推薦系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可行性和實(shí)用價(jià)值。

為了提高推薦工作的實(shí)時(shí)性，特別是在數(shù)據(jù)規(guī)模較大的情況下，可以通過預(yù)生成模式，對(duì)模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練。在進(jìn)行個(gè)性化推薦時(shí)，僅需計(jì)算用戶興趣偏好分類，進(jìn)行相似信息內(nèi)容概率匹配，即可完成個(gè)性化信息推薦。推薦響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到毫秒級(jí)，具有較高的時(shí)效性。同時(shí)，為提高系統(tǒng)推薦結(jié)果的精準(zhǔn)度，可以采用迭代訓(xùn)練的方式，在上級(jí)文本分類結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)分類子集進(jìn)行再訓(xùn)練和細(xì)分，循環(huán)往復(fù)，直至實(shí)現(xiàn)推薦信息的精準(zhǔn)度達(dá)到系統(tǒng)的使用要求［11］。上述擴(kuò)展方法在試驗(yàn)階段也得到了驗(yàn)證，進(jìn)一步豐富和擴(kuò)展了該個(gè)性化信息推薦系統(tǒng)的適用場(chǎng)景。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的基于主題概率分布模型的個(gè)性化推薦系統(tǒng)，無論是在模型訓(xùn)練階段，還是在個(gè)性化推薦階段，均使用LDA主題概率模型作為基礎(chǔ)算法，方法相對(duì)統(tǒng)一，避免了多種算法的混合開發(fā)，降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，更有利于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，基于主題概率分布模型的個(gè)性化推薦系統(tǒng)避免了大量用戶之間的相似度計(jì)算比較造成的大量計(jì)算資源消耗，降低了個(gè)性化推薦系統(tǒng)使用的門檻，讓中小型新聞圖情機(jī)構(gòu)也能以較低的成本實(shí)現(xiàn)個(gè)性化信息推薦，有利于提升服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)層次，達(dá)到了預(yù)期目的。

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