個人 O2O 優(yōu)惠券預(yù)測分析

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2019.12.020

引 言

本課題基于商業(yè) O2O 優(yōu)惠券發(fā)放問題與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合，使用經(jīng)過特征提取的往期數(shù)據(jù)訓(xùn)練數(shù)學(xué)模型，通過訓(xùn)練好的數(shù)學(xué)模型對優(yōu)惠券核銷二分類問題進行精準預(yù)測。隨機投放優(yōu)惠券這種行為方式不僅會對無需求的用戶造成無意義的干擾，還可能致使商家品牌聲譽降低、營銷成本增高。個性化投放是提高優(yōu)惠券核銷率的重要技術(shù) [1]，利用該技術(shù)不僅可以讓具有一定偏好的消費者從中獲利，同時還可以使商家獲得更好的營銷效果。數(shù)據(jù)來源于天池大數(shù)據(jù)比賽《生活大實惠 ：O2O 優(yōu)惠券使用預(yù)測》，比賽提供 O2O 相關(guān)場景的豐富數(shù)據(jù)，通過分析建模，精準預(yù)測用戶是否會在規(guī)定時間內(nèi)使用相應(yīng)優(yōu)惠券。

1 研究背景及意義

O2O 是 Online To Offline（在線離線 / 線上線下）的簡稱，是將線下商業(yè)機會與線上平臺相結(jié)合的一種電商發(fā)展方式 [2]，將線上平臺作為線下消費的前站。為了吸引互聯(lián)網(wǎng)用戶在線上瀏覽商業(yè)信息，商家采取發(fā)送優(yōu)惠券（團購，如GroupOn）、提供優(yōu)惠信息、服務(wù)（預(yù)定，如 Opentable）等方式吸引顧客 [3]。線下商店推送的消息會被互聯(lián)網(wǎng)用戶收到，從而增大網(wǎng)民轉(zhuǎn)化為自家店鋪線下消費者的幾率。同時店鋪的線下服務(wù)可以用于線上攬客，消費者又可以從線上平臺篩選線下服務(wù)，并在線結(jié)算，店鋪能夠很快達到規(guī)模 [4]。該模式最重要的特點是推廣效果可觀，交易流水可跟蹤。O2O 作為下一代新興電子商務(wù)模式，其使命是把電子商務(wù)的效力引入目前消費中占比 90% 以上的本地消費中去 [5-6]。除此之外，線上與線下的對接將打破電商、店商擠兌份額的競爭格局，兩者將化敵為友，相互彌補、相互促進，并且使整體消費市場迎來一個全新發(fā)展的局面。

2 研究現(xiàn)狀

很多學(xué)者對消費預(yù)測問題進行了研究， 例如 Zhu Zhenfeng等（2018）基 于 傳 統(tǒng) GBDT（GradientBoosting DecisionTree）算法，提出了一種具有層次化集成的改進預(yù)測模型（HGBDT）。該模型通過分析往期商品數(shù)據(jù)來預(yù)測商品未來的銷售趨勢 [7]。Jain（2017）等通過使用 XGBoost（eXtremeGradientBoosting）模型來預(yù)測和估計歐洲主要藥店的零售額。與傳統(tǒng)的回歸算法相比，XGBoost模型算法性能優(yōu)于傳統(tǒng)的建模方法 [8]。國內(nèi)學(xué)者郭倩（2018）對農(nóng)村人均生活消費進行預(yù)測，運用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對農(nóng)村居民的人均消費支出進行分析，結(jié)合數(shù)據(jù)擬合和精度檢驗，對農(nóng)村居民未來三年的生活消費支出進行預(yù)測 [9]。學(xué)者魏艷華（2015） 通過對甘肅省農(nóng)村居民在 1978～2011年中支出與收入的數(shù)據(jù)進行分析，建立以 ARIMAX模型為基礎(chǔ)的消費支出預(yù)測模型，通過此模型對甘肅省農(nóng)村居民未來一年的消費支出進行了預(yù)測研究 [10]。Qiumei Pu 使用 XGBoost 模型對陜西省氣象干旱情況進行預(yù)測，分別以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和 XGBoost算法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，預(yù)測結(jié)果表明 XGBoost 模型比 DLNM和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能更精確地預(yù)測 SPEI[11]。Junqi Guo 等學(xué)者在研究青少年身體體質(zhì)情況時，使用 XGBoost 算法對每個青年的身體健康水平進行分類，并通過貝葉斯優(yōu)化自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)。實驗結(jié)果表明，該模型不僅比現(xiàn)有參考模型具有更高的評估精度，相較于傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，通過 XGBoost 模型可以更好地為未來青少年的體質(zhì)評估提供有效的解決方案 [12]。

由上述論述可知，邏輯回歸、GBDT 及 XGBoost 模型早已被用于實際應(yīng)用中，很多學(xué)者在各領(lǐng)域中的研究均使用了這幾種模型和兩兩融合后的模型，預(yù)測效果得到顯著提升。在商品預(yù)測領(lǐng)域，這些模型在顧客行為和數(shù)據(jù)挖掘競賽中得到了深度使用 [13]。將數(shù)學(xué)模型引入實際問題進行分析研究已成為預(yù)測產(chǎn)業(yè)發(fā)展走向的一種新的研究方式，并且在實際預(yù)測中得到了驗證[14]。

3 研究路線

本文利用天池大數(shù)據(jù)眾智平臺賽題《生活大實惠 ：O2O 優(yōu)惠券使用預(yù)測》中的真實消費者行為數(shù)據(jù)進行研究的步驟如下 ：

(1)對原始數(shù)據(jù)集中的字段進行解釋、數(shù)據(jù)探查、數(shù)據(jù)處理等操作。

(2)利用特征工程對線下消費和優(yōu)惠券領(lǐng)取行為數(shù)據(jù)集構(gòu)造提取出用戶（User）、商家（Merchan）、優(yōu)惠券（Coupon）、用戶 - 商家（User-Merchan）、其他特征（Other）等五大特征群，共 96個特征值的線下特征集，再利用特征工程對用戶線上點擊 / 消費和優(yōu)惠券領(lǐng)取行為數(shù)據(jù)集構(gòu)造提取出 13 個用戶（User）特征值的線上特征集。

(3)通過線下特征集共 96個特征值及線上和線下特征集共 109 個特征值，構(gòu)建兩組不同的預(yù)測模型。

研究流程如圖 1 所示。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 數(shù)據(jù)介紹

根據(jù)天池大數(shù)據(jù)眾智平臺賽題《生活大實惠 ：O2O優(yōu)惠券使用預(yù)測》提供的相關(guān)真實消費數(shù)據(jù) ：2016年 1月 1日至 2016年 6月 30日，O2O場景相關(guān)的消費者線上和線下發(fā)生行為數(shù)據(jù)，通過訓(xùn)練模型預(yù)測 2016 年 7 月 1 日至 2016 年7 月 31 日消費者領(lǐng)取優(yōu)惠券后 15 天內(nèi)優(yōu)惠券的核銷情況。

模型預(yù)測結(jié)果的評判標準 ：使用數(shù)學(xué)模型對優(yōu)惠券預(yù)測的概率值取平均 AUC 值。

賽題共提供 4 個數(shù)據(jù)集，分別對 4 個數(shù)據(jù)集進行數(shù)據(jù)分析。

用戶線下消費和優(yōu)惠券領(lǐng)取行為數(shù)據(jù)集（后面稱為線下數(shù)據(jù)集）中共有 1 754 884 條消費者行為數(shù)據(jù)，其中1 053 282 條數(shù)據(jù)對優(yōu)惠券有操作行為，包含 539 438 個用戶，8 415 個商家，9 738 種優(yōu)惠券，消費者領(lǐng)取優(yōu)惠券的日期為2016 年 1 月 1 日至 2016 年 6 月 15 日，消費者的消費日期為2016 年 1 月 1 日至 2016 年 6 月 30 日。

用戶線上點擊 / 消費和優(yōu)惠券領(lǐng)取行為數(shù)據(jù)集（后面稱為線上數(shù)據(jù)集）中共有 11 429 826 條數(shù)據(jù)，其中 872 357 條數(shù)據(jù)有優(yōu)惠券 ID，表明消費者對優(yōu)惠券有操作行為，線上數(shù)據(jù)集中含 762 858 個用戶（其中 267 448 用戶在線下集）。

用戶 O2O 線下優(yōu)惠券使用預(yù)測集（后面稱為預(yù)測集）中包含 2 050 種優(yōu)惠券，領(lǐng)取日期為 2016 年 7 月 1 日至2016 年 7 月 31 日，有 76 309 個用戶（其中 76 307 個在線下數(shù)據(jù)集，35 965 個在線上數(shù)據(jù)集，線上與線下數(shù)據(jù)集中存在用戶交叉），1 559 家商鋪（其中 1 558 家在用戶線下數(shù)據(jù)集）。

預(yù)測集提交字段和字段說明，選手提交文件字段。其 中 use_id，coupon_id 與 date_received 均來自數(shù)據(jù)集，Probability 字段為通過機器學(xué)習(xí)建立數(shù)學(xué)模型預(yù)測得到的預(yù)測值。

4.2 特征工程

“數(shù)據(jù)決定了機器學(xué)習(xí)的上限，而算法只是盡可能逼近這個上限”[15]，這句話中數(shù)據(jù)的含義是對原始數(shù)據(jù)經(jīng)特征工程轉(zhuǎn)換和處理等一系列操作而得到的數(shù)據(jù)。特征工程流程如圖 2 所示。

圖 3 所示為特征群分布情況。

5 算法介紹

本文所使用的算法為邏輯規(guī)模，GBDT，XGBoost。

5.1 邏輯回歸

Logistic回歸是一種廣義線性回歸（GeneralizedLinear Model），它是一個分類算法而不是回歸算法[16]。其核心思想是 ：線性回歸的輸出結(jié)果是一個連續(xù)且范圍無法確定的值，如果 出現(xiàn)需要利用結(jié)果值映射為判斷結(jié)果的情況，并且輸出結(jié)果 是一個概率值，則可通過 Sigmoid 函數(shù)確定，所以 Logistic 函數(shù)又稱 Sigmoid 函數(shù)。Sigmoid函數(shù)曲線如圖 4所示。

圖 4 Sigmoid 函數(shù)曲線

通常情況下，將一個已知的自變量預(yù)測成一個離散型因變量的值（如二進制值 0/1，對 / 錯，男 / 女）?？煽紤]利用邏輯函數(shù)（logit fuction）建立的數(shù)學(xué)模型對事件發(fā)生的概率進行計算，得到一個預(yù)估值。而該預(yù)估值一般為概率值，因此輸出結(jié)果值在 0 ～ 1 范圍內(nèi)。

5.2 GBDT

GBDT（Gradient Boosting Decision Tree）是一種基于迭代構(gòu)造的決策樹算法，該算法是將決策樹賦予集成算法思想得到的一種數(shù)學(xué)模型?；貧w決策樹、Gradient Boosting 與縮減共同組成了 GBDT 模型 [1]。

5.2.1 回歸決策樹

GBDT 模型中的決策樹為回歸決策樹，而非分類決策樹。回歸決策樹可預(yù)測數(shù)值，如員工薪金、大樹高度等，對回歸樹得到的數(shù)值進行加減計算是有意義的，例如 12 歲 +4 歲 -4 歲 =12 歲，而這也是回歸樹區(qū)別于分類樹的一個顯著特征。GBDT 正是利用回歸樹得到數(shù)值的性質(zhì)，匯總所有樹的結(jié)果， 從而輸出最終結(jié)果。

5.2.2 梯度上升

“Boosting”意為迭代，迭代多棵樹對結(jié)果值進行共同決策 [17]。采用弱學(xué)習(xí)器的結(jié)論進行綜合評判，進而得到 GBDT模型。整個過程采用增量思想對每個弱學(xué)習(xí)器進行累加。

5.2.3 縮減

縮減（Shrinkage）的思想 ：逐漸逼近實際結(jié)果值，該操作方式比快速逼近結(jié)果值的方式更容易降低出現(xiàn)過擬合的概率。因為每一個殘差弱學(xué)習(xí)器只學(xué)到了真理的一小部分，并且都有可能出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，但在這個學(xué)習(xí)過程中增加弱學(xué)習(xí)器的數(shù)量，使用多個弱學(xué)習(xí)器進行學(xué)習(xí)可以彌補上述不足。

5.3 XGBoost

GBDT 算法的運行往往要生成一定數(shù)量的樹才能達到令人滿意的準確率。當面對的數(shù)據(jù)集結(jié)果較為龐大且復(fù)雜時， 可能需要進行上千次迭代運算，還會造成一定的計算瓶頸， 并增加計算空間的消耗。華盛頓大學(xué)的陳天奇博士研發(fā)出的XGBoost（eXtreme Gradient Boosting）解決了這一技術(shù)難點， 此算法基于Gradient Boosting Machine 框架，并使用c++ 實現(xiàn)， 從而極大地提升了模型訓(xùn)練速度和預(yù)測精度 [18]。

XGBoost 是一個優(yōu)化的分布式梯度增強庫，作為 GBDT 模型的升級版，集高效性、靈活性和便攜性等特點于一身。利用 XGBoost 模型可以在較短周期內(nèi)解決數(shù)據(jù)科學(xué)問題，得到較高精度的實驗結(jié)果。利用 XGBoost 算法構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型單臺機運行速度比當下使用的數(shù)學(xué)模型訓(xùn)練速度快十倍以上，并且當分布式模式或內(nèi)存設(shè)置需要限制時仍可獲得較為準確的實驗結(jié)果。

6 實驗結(jié)果6 實驗結(jié)果

6.1 評判標準

在一些二分類問題中給出預(yù)測結(jié)果的同時也會給出相應(yīng)的預(yù)測概率，例如假定 0.6 為正確的判定閾值，那么若預(yù)測概率大于 0.7，則判定為正確值，否則為錯誤值 ；若閾值降低到 0.5，則可以判斷出更多的正確值。數(shù)據(jù)中正確數(shù)占比提高的同時，也導(dǎo)致實際為真實值但判定為錯誤值的數(shù)量的升高。為了直觀表示該變化，引入 ROC（Receiver Operating Characteristic Curve）。ROC 曲線的橫坐標為 FPR，縱坐標為 TPR，ROC 曲線下的面積即為 AUC[19]。

6.2 實驗結(jié)果分析

通過提取特征數(shù)量和不同模型兩個角度總結(jié)實驗。

6.2.1 從特征數(shù)量分析實驗結(jié)果

通過圖 5 可以看到，邏輯回歸、GBDT+ 邏輯回歸融合模型、XGBoost 單模型僅含受線下特征集訓(xùn)練后的預(yù)測效果， 沒有經(jīng)線下和線上特征訓(xùn)練后模型的預(yù)測效果好。說明特征數(shù)量適量增加可以提升數(shù)學(xué)模型的預(yù)測能力和實驗效果。

6.2.2 從模型的角度分析實驗結(jié)果

經(jīng)過線上和線下特征模型訓(xùn)練，XGBoost 模型的預(yù)測效果最好，GBDT+ 邏輯回歸模型的效果次之，邏輯回歸模型的預(yù)測效果相對較差。在經(jīng)線下模型的特征模型訓(xùn)練后，GBDT+ 邏輯回歸模型的預(yù)測效果最好，XGBoost 模型的預(yù)測效果次之，邏輯回歸模型的預(yù)測效果相比較差。說明先利用訓(xùn)練完成的 GBDT 模型輸出邏輯回歸模型訓(xùn)練所需要的實驗結(jié)果和實驗結(jié)果值，再將這些實驗結(jié)果和實驗結(jié)果值作為訓(xùn)練邏輯回歸模型的特征值輸入到邏輯回歸模型中進行學(xué)習(xí)后，預(yù)測效率得到明顯提高。但總體來說，GBDT+ 邏輯回歸，XGBoost 模型對此課題的預(yù)測有較好的準確性和穩(wěn)定性。并且使用 GBDT+ 邏輯回歸模型比傳統(tǒng)邏輯回歸模型有更好的預(yù)測效果、更高的預(yù)測精度。GBDT+ 邏輯回歸，XGBoost模型是比較理想的消費預(yù)測研究模型。圖 6 所示為不同模型對比預(yù)測集提交測試 AUC 值。

7 結(jié) 語

本論文研究基于簡單的集成模型，以 O2O 優(yōu)惠券為數(shù)據(jù)載體對消費者領(lǐng)取優(yōu)惠券（15 天內(nèi)）后對優(yōu)惠券是否核銷進行了精確預(yù)測。采用簡單的集成學(xué)習(xí)模型預(yù)測用戶在領(lǐng)取優(yōu)惠券后 15 天內(nèi)的使用情況。

除此之外，對于大量往期數(shù)據(jù)，實際數(shù)據(jù)中無實際特征可直接使用，但這些數(shù)據(jù)中含有大量可以提取的特征，所以如何科學(xué)合理地利用應(yīng)用特征工程是一個重點問題。如果沒有合理的特征工程，將極大地限制數(shù)學(xué)模型預(yù)測精度的提高。

在科技越來越發(fā)達的今天，數(shù)學(xué)模型已被大量用于醫(yī)療、餐飲、工業(yè)等領(lǐng)域，比如在醫(yī)學(xué)中使用數(shù)學(xué)模型對人體檢測數(shù)據(jù)進行掃描，使用數(shù)學(xué)模型預(yù)測餐飲店中的消費人數(shù)等。通過這種方式，精確預(yù)測行業(yè)運營及行業(yè)日常的管理對于后期事物的良性發(fā)展具有重要意義。