多渠道归因分析（Attribution）：用attention-RNN来做归因建模（附代码demo）

Posted 2021-12-11 悟乙己

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了多渠道归因分析（Attribution）：用attention-RNN来做归因建模（附代码demo）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

之前几篇多渠道归因分析应该算是比较通用的一些方法论：

之前在查阅资料的时候，有看到一篇更进阶的，用深度学习来解决问题，
论文可参考18年的一篇：
Deep Neural Net with Attention for Multi-channel Multi-touch Attribution

我们来看这篇以及品鉴一下关联代码：
官方：channel-attribution-model

我把可以跑通demo代码放在自己的github之中：mattzheng/Attention-RNN-Multi-Touch-Attribution

1 基于注意力的循环神经网络多点触摸归因模型

假设有如下7-13个触点的路径：

1.1 与markov、Sharpley 的差异

markov、Sharpley 是市面上最、最常见的两种归因分析的方法了，但是两种都缺少考虑：

长路径序列下路径间的影响（markov考虑了顺序）
未融入用户属性信息

1.2 注意力的循环神经网络多点触摸归因模型框架

一种基于注意力的循环神经网络多点触摸归因模型，以监督学习的方式预测一系列事件是否导致转换(购买)。
模型可以输出不同节点的重要性（LSTM的），同时还结合了非常关键的信息，将用户背景信息(如用户人口统计和行为)作为控制变量，以减少媒体效应的估计偏差。
来说明几个特色：

LSTM 来捕捉长路径模式
RNN with Attention 将时间衰减作为attention加入
customer profile — embedding layer + ANN：额外融入用户属性信息
还可以输出每个触点的重要性（即LSTM的节点）

用LSTM来解读路径周期，将路径作为input输入LSTM之中

将时间衰减作为attention加入

整个架构图：

左边是路径模块，右边是用户属性模块，

路径模块带有attenion（时间衰减）
用户模块，属性embedding之后输出
最后两者add()在一起做输出。

1.3 LSTM 来捕捉长路径模式

路径变量作为输入数据被发送到LSTM层，并获得每个路径变量的输出。LSTM体系结构能够捕获通道数据的顺序模式。

1.4 RNN with Attention 将时间衰减作为attention加入

这个环节是节点模块的比较有意思的模块：

The time-lapse data are scaled and will be used in the revised softmax function in Attention layer.

在机器翻译上下文中，重复这一步，得到长度等于翻译单词数的输出向量上下文，然后将这些输出再次发送到另一个LSTM中，得到最终的翻译结果。但在本例中，我们只需要从注意力输出一个结果。
值得注意的是，由于时间衰减元素在客户路径中起着作用，我们将修改softmax函数来考虑这个因素。

源码中为，参考FFDNA.py ：

input_att = Input(shape=(self.Tx, self.vocab_size), name='input_path')
s0 = Input(shape=(self.n_s,), name='s0')
s = s0
# input time decay data
t0 = Input(shape=(self.Tx,1), name='input_timeDecay')
t = t0
# Step 1: Define pre-attention LSTM.
a = LSTM(self.n_a,return_sequences=True)(input_att)

# Step 2: import attention model
context = self.one_step_attention(a,s,t)
c = Flatten()(context)
out_att = Dense(32, activation = "sigmoid", name='single_output')(c)

这里主要是路径模块，完全可以当做文本来看待，这里有三个需要输入的：

input_att ，第一个输入，主要记录路径的，其中self.vocab_size一般是总词量 +1，这边就是所有路径节点数+ 1（5个）；self.Tx 代表文字的padding 长度，这里是20，之后 -> 进入到LSTM -> attention层
s0 = Input(shape=(self.n_s,), name='s0')，初始化decoder LSTM隐藏层 -> attenion层
t0 = Input(shape=(self.Tx,1), name='input_timeDecay') 时间维度因素 -> attention层

然后简单来看一下attention层，上面的三个输入如何计算：

def one_step_attention(self, a, s_prev,t0):
    repeator = RepeatVector(Tx)
    concatenator = Concatenate(axis=-1)
    densor1 = Dense(10, activation = "tanh")
    densor2 = Dense(1, activation = "relu")
    activator = Activation(self.softmax, name='attention_weights') # We are using a custom softmax(axis = 1) loaded in this notebook
    dotor = Dot(axes = 1)
    # Use repeator to repeat s_prev to be of shape (m, Tx, n_s) so that you can concatenate it with all hidden states "a".
    s_prev = repeator(s_prev)
    # Use concatenator to concatenate a and s_prev on the last axis
    concat = concatenator([s_prev,a])
    # Use densor1 to propagate concat through a small fully-connected neural network to compute the "intermediate energies" variable e.
    e = densor1(concat)
    # Use densor2 to propagate e through a small fully-connected neural network to compute the "energies" variable energies.
    energies = densor2(e)
    # Use "activator" on "energies" to compute the attention weights "alphas" 
    energies = Subtract(name='data-time')([energies,t0])
    alphas = activator(energies)
    # Use dotor together with "alphas" and "a" to compute the context vector to be given to the next layer
    context = dotor([alphas,a])
    return context

大概是先计算attention weights：
将三个Input，concatenator([s_prev,a])，然后求差Subtract(name='data-time')([energies,t0])，进入activator激活层中特别的softmax，计算attention weights
然后将attention weights 点积路径的lstm隐含层，得到输出项

这里的attention weights就是非常关键的每个节点的权重了

1.5 customer profile — embedding layer + ANN：额外融入用户属性信息

一个简单的全连接神经网络来处理客户数据。这部分非常简单，只有几个密集的层。
之前用户编码会用one-hot encoding，这里使用的是embedding layer自训练。

嵌入层 Embedding:将正整数（索引值）转换为固定尺寸的稠密向量。
例如： [[4], [20]] -> [[0.25, 0.1], [0.6, -0.2]]
来看一个keras官方的例子[Embedding]：

model = Sequential()
model.add(Embedding(1000, 64, input_length=10))
# 模型将输入一个大小为 (batch, input_length) 的整数矩阵。
# 输入中最大的整数（即词索引）不应该大于 999 （词汇表大小）
# 现在 model.output_shape == (None, 10, 64)，其中 None 是 batch 的维度。

input_array = np.random.randint(1000, size=(32, 10))

model.compile('rmsprop', 'mse')
output_array = model.predict(input_array)
assert output_array.shape == (32, 10, 64)

来看一下开源的代码,整个用户属性模块的embedding张这样，参考FFDNA.py ：

def build_embedding_network(self, no_of_unique_cat=83, output_shape=32):
    inputss = []
    embeddings = []
    for c in self.categorical_vars:
        inputs = Input(shape=(1,),name='input_sparse_'+c)
        #no_of_unique_cat  = data_lr[categorical_var].nunique()
        embedding_size = min(np.ceil((no_of_unique_cat)/2), 50 )
        embedding_size = int(embedding_size)
        embedding = Embedding(no_of_unique_cat+1, embedding_size, input_length = 1)(inputs)
        embedding = Reshape(target_shape=(embedding_size,))(embedding)
        inputss.append(inputs)
        embeddings.append(embedding)
    input_numeric = Input(shape=(1,),name='input_constinuous')
    embedding_numeric = Dense(16)(input_numeric)
    inputss.append(input_numeric)
    embeddings.append(embedding_numeric)

    x = Concatenate()(embeddings)

    x = Dense(10, activation = 'relu')(x)
    x = Dropout(.15)(x)
    out_control = Dense(output_shape)(x)
    return inputss,out_control

这里每个用户属性categorical_vars，都会进行一次Embedding，然后之后拼接在一起Concatenate()(embeddings)，进入一个dense(10)全连接层。
该模块的输入：inputss，需要同时给入三个属性变量，
输出：out_control 32维的全连接输出

1.6 融合层

路径模块和客户属性模块，输出到另一个dense层，然后由sigmoid激活函数到最终，0/1分类

 out_att = Dense(32, activation = "sigmoid", name='single_output')(c)

 # Step 3: import embedding data for customer-ralated variables
 input_con,out_control = self.build_embedding_network()
 added = Add()([out_att, out_control])

github中的代码两个输出直接相加add()，不是conatenate()

作者自己的测试结果：

RNN-attenion模型，96% accuracy 和0.98 AUC
markov模型，0.86 AUC

2 下游应用

2.1 下游应用一：分配路径权重

我将使用性能最好的模型来计算分配给每个通道的权值。基本上，对于每一个送入模型的观测数据，如果输出概率大于0.5(这意味着该观测将被归类为转换)，我会从Attention层提取权值，并将其累加到相应的通道。
在得到每个渠道的权重后，我们将使用下面的公式来分配营销预算。

2.2 下游应用二：预算评估

哪些营销渠道在推动转化率和销售额，意味着你可以更好地将营销资金分配到最有效的渠道上，并更好地跟踪潜在客户的互动

如果你有一定预算，你会如何分配；当你通过模型得出不同路径的权重，就可以根据权重来分配。
当然这种方式比较简单，详细可见我之前贴的俩论文：
预算分配Budget Allocation：两篇论文（二）

2.3 确定最有影响力的路径

根据每个客户路径的转换概率排名，我列出了最具影响力的N条路径。
代码如下:

def critical_paths(self):
    prob = self.model.predict([self.X_tr,self.s0,self.time_decay_tr,self.X_tr_lr.iloc[:,0],self.X_tr_lr.iloc[:,1],
       self.X_tr_lr.iloc[:,2],self.X_tr_lr.iloc[:,3]])
    cp_idx = sorted(range(len(prob)), key=lambda k: prob[k], reverse=True)
    #print([prob[p] for p in cp_idx[0:100]])
    cp_p = [self.paths[p] for p in cp_idx[0:100]]
    
    cp_p_2 = set(map(tuple, cp_p))
    print(list(map(list,cp_p_2)))

3 案例代码demo解读

笔者测试的时候的tf 、 keras版本号：

tf.__version__,keras.__version__
Out[7]: ('1.14.0', '2.2.4')

3.1 数据样式

在文章How to implement an Attention-RNN model into solving a marketing problem: Multi-Channel Attribution中没有放出数据，所以笔者自己造了按博文自己造了几条，代码可见：mattzheng/Attention-RNN-Multi-Touch-Attribution

total_conv就是最后是否转化
last_time_lapse，节点访问时间经过，放入的是路径模块，作为attention模块，不过这个样式我自己造的时候也有点不确定，是否每个节点对应，可以自由灵活调配
marketing_area 、 tier 、 customer_type都是用户属性类型，这里自由发挥，可以很多

这里在process_data.py中经过预处理之后：

data_all = process_data(data,seq_length = seq_length)

需要输出的内容：

time_decay_tr, 训练集时间
time_decay_te,测试集时间
X_tr, 用户路径模块 -训练集X
X_te,用户路径模块 - 测试集X
X_tr_lr,用户属性模块-训练集X
X_te_lr,用户属性模块-测试集X
Y_train,
Y_test,
all_X, 所有x
time_decay,所有时间
newlines.shape,17*20,pad_sequence
y ,所有y
categorical_vars,用户属性模块哪些字段
paths , 所有路径

3.2 训练与预测

def train_model(self,save_name, loss='binary_crossentropy',opt='adam',metrics=['accuracy']):
    self.model.compile(loss=loss,optimizer=opt,metrics=metrics)
    self.history = self.model.fit([self.X_tr,self.s0,self.time_decay_tr,self.X_tr_lr.iloc[:,0],self.X_tr_lr.iloc[:,1],
           self.X_tr_lr.iloc[:,2],self.X_tr_lr.iloc[:,3]
          ], self.Y_train, epochs=self.epochs, batch_size=self.batch_size,verbose=2)

    self.save_weight(save_name,self.model)

从model.fit来看，这里需要Input的内容非常多；而且，这里的用户属性self.X_tr_lr.iloc[:,1],self.X_tr_lr.iloc[:,2],self.X_tr_lr.iloc[:,3]为什么分为三个？
因为用户属性每个属性特征都需要独立embedding

3.3 确定最优影响力的路径

其实这里就是一个预测，所有数据集中，因为本次训练target是购买率0/1，所以最高购买率的就是有影响力的。

prob = ana_mta_model.model.predict([ana_mta_model.X_tr,ana_mta_model.s0,ana_mta_model.time_decay_tr,\\
                                    ana_mta_model.X_tr_lr.iloc[:,0],\\
                                        ana_mta_model.X_tr_lr.iloc[:,1],
   ana_mta_model.X_tr_lr.iloc[:,2],ana_mta_model.X_tr_lr.iloc[:,3]])

    # 训练集预测 - 找到预测概率比较高的路径
cp_idx = sorted(range(len(prob)), key=lambda k: prob[k], reverse=True)
#print([prob[p] for p in cp_idx[0:100]])
cp_p = [ana_mta_model.paths[p] for p in cp_idx[0:100]]

cp_p_2 = set(map(tuple, cp_p))
print(list(map(list,cp_p_2)))

是在原函数的critical_paths之中

3.4 确定attention weight

确定每个节点的权重

layer = ana_mta_model.model.layers[20]
m_all,_,_ = ana_mta_model.all_X.shape  # 训练集
ana_mta_model.s_all = np.zeros((m_all, ana_mta_model.n_s))
f_f = K.function([ana_mta_model.model.input[0],ana_mta_model.model.input[1],ana_mta_model.model.input[2]], [layer.output])
r=f_f([ana_mta_model.all_X[ana_mta_model.y==1],ana_mta_model.s_all[ana_mta_model.y==1],ana_mta_model.time_decay[ana_mta_model.y==1]])[0].reshape(ana_mta_model.all_X[ana_mta_model.y==1].shape[0],ana_mta_model.all_X[ana_mta_model.y==1].shape[1])


# att_f = {m:0 for m in range(1,6)}
# att_count_f = {m:0 for m in range(1,6)}
att_f = {m:0 for m in range(1,n_channels+1)}
att_count_f = {m:0 for m in range(1,n_channels+1)}

chan_used = ana_mta_model.newlines[ana_mta_model.y==1]
for m in range(chan_used.shape[0]):
    for n in range(chan_used.shape[1]):
        if chan_used[m,n]!=0:
            att_f[chan_used[m,n]] += r[m,n]
            att_count_f[chan_used[m,n]] += 1
for n in range(n_channels):
    att_f[channels[n]] = att_f.pop(n+1)

在原函数的attributes,因为我是自己造的数据，channel不一样，所以需要自己改造一下这个函数。
就可以得到每个节点的权重。