Все ли волки страшные: AUF или как приручить uplift?

Всем привет! Меня зовут Мельников Виктор, я работаю Junior Data Scientist в хабе Розничного Бизнеса Департамента Продвинутой Аналитики в Альфа-Банке. В этой статье я расскажу про AUF — Open Source библиотеку Альфа-Банка. 

Её главная задача — автоматическое решение задач uplift-моделирования.

Позволяет ускорять разработку в десятки раз и убирает рутину, избавляя от привычного fit-predict. Приятным бонусом идёт полный отчёт по качеству модели, понятный как DS, так и бизнесу.

Дисклеймер: эта статья не про uplift-моделирование, а про библиотеку, которая решает задачу uplift-моделирования. Если хотите почитать про общую постановку задачи, посмотреть на математику, лежащую в основе uplift, в конце статьи оставил раздел с ссылками на полезные материалы.

Откуда растут ноги, и что в итоге может получить бизнес от AUF

Рассмотрим на примере молока в любом продуктовом магазине. Допустим,  у него подходит срок годности и на него дают скидку. Купили бы вы это молоко, если бы один литр молока подешевел на 5 рублей? А если на 10? А если бы оно подешевело в 2 раза? 

Если с последним почти, наверное, многие согласились бы (конечно, если срок годности ещё только подходит, а не машет рукой вслед), то с первыми двумя вопросами всё не так просто.

Другой пример: что, если клиент интересуется некоторым продуктом компании (например, подпиской Альфа-Смарт), но почему-то её не подключает? В таком случае можно отправить ему коммуникацию в виде СМС или push-уведомления с описанием преимуществ, которые он получит от подписки. Возможно, после такого кто-то соберётся с духом и оформит её.

Подобные задачи есть и в ритейле, и в телекоме, и даже в медицине. В них нужно оценить изменение поведения клиента после некоторого воздействия на него. Бизнес таким образом сможет повысить конверсию в продажи через более эффективные маркетинговые кампании. Такие задачи решаются методами uplift-моделирования, которые и реализованы в нашей Python-библиотеке AUF.

Как обычно решают uplift-задачи?

Data Scientist, не знакомый с uplift-моделированием, чтобы не изобретать велосипед с нуля, сначала пойдёт гуглить существующие решения.

Так он, скорее всего, найдет библиотеки:

• scikit-uplift ^[1],

• causalml ^[2],

• EconML ^[3],

• Pylift ^[4].

Каждый из инструментов содержит строительные блоки, из которых можно собрать итоговое решение. Однако от DS потребуется собрать это всё воедино и при этом не посадить багу в код.

Отсюда возникла идея автоматизировать процесс создания uplift-моделей. Так появилась библиотека AUF — Automatic Uplift Framework.

Преимущества AUF

AUF означает Automatic Uplift Framework — то есть AUF берёт на себя всю рутину по обучению моделей. Просто загрузи выборку в пайплайн, и на выходе тебя будет ждать шикарная модель (прям как с обложки журнала)!

Структура библиотеки для ознакомления.

Если по-серьёзному, то обычно на разработку всего одной uplift-модели уходит порядка 1-2 недель. Но часто срок растягивается из-за необходимости проверить новые гипотезы бизнеса. С помощью AUF каждую такую итерацию можно ускорить с пары недель до нескольких часов. Ускорение в десятки раз на лицо!

Как использовать AUF?

В этом разделе мы рассмотрим использование AUF на примере реальных данных из соревнования Мегафон.

Скачивание данных

Для этого нам понадобится модуль datasets из библиотеки sklift (полное название scikit-uplift). В нём содержатся датасеты основных соревнований по uplift.

import pandas as pd
from sklift import datasets

data, target, treatment = datasets.fetch_megafon(
        download_if_missing=True,
        return_X_y_t=True
)

df = pd.concat([data, target, treatment], axis=1)

# зададим явно колонку с айдишником наблюдения для работы паплайна
df["id"] = list(range(df.shape[0]))

print(df.shape)
df.head(2)

В результате выполнения данного кода выводятся размеры таблицы с данными и её две первые строки.

Обратим внимание на названия последних колонок:

Таргет называется «conversion», а тритмент – «treatment_group» (что это такое, описано ниже в разделе «загрузка выборки»). Теперь, когда выборка скачана к нам в окружение, можно приступать к установке AUF.

Установка библиотеки

Всё почти так же, как с привычными нам библиотеками. Но перед установкой библиотеки нужно установить Matplotlib версии 3.5.3 и перезапустить ядро для корректной отрисовки графиков.

Команды для начала работы с AUF:

(при запуске ноутбука на kaggle нужно переустановить matplotlib)
pip uninstall matplotlib -y
pip install matplotlib==3.5.3
(перезапустить ядро, restart kernel)
pip install auf

Класс UpliftPipeline

Это ядро всей библиотеки. Вся работа на 99% ведётся именно через методы данного класса. 

Из названия понятно, что этот класс имеет методы для всех основных шагов любого пайплайна машинного обучения: загрузки выборки, отбора признаков, обучения моделей и визуализации качества. Далее мы рассмотрим краткие примеры использования этих методов.

Создать экземпляр данного класса можно с помощью простого кода:

from auf.pipeline import UpliftPipeline
pipeline = UpliftPipeline(print_doc=False, task_name_mlflow=None, run_id=None)

Аргумент print_doc отвечает за печать документации класса в выводе ячейки (False означает, что мы решили её пока не печатать). Аргументы task_name_mlflow и run_id нужны только при использовании mlflow. То есть при желании вы можете логировать все промежуточные результаты выполнения пайплайна в MLflow. Это даёт возможность спустя время вернуться к какому-то эксперименту и сравнить разные версии моделей.

Загрузка выборки

Здесь мы считаем, что у вас уже есть готовая выборка в виде pandas.DataFrame с айдишниками, таргетом, тритментом и всеми доступными фичами:

• Айдишник (id) — уникальный идентификатор записи/наблюдения.

• Таргет (target) — бинарная целевая переменная.

• Тритмент (treatment) — группа воздействия на клиента.

• Фичи — признаковое описание клиента.

Можно использовать унифицированные названия для колонок с таргетом, тритментом и айдишником: target, treatment, id. Аналогично и с названиями групп воздействия на клиента: 0 — контрольная, 1 — целевая. Но при надобности можете передать свои в виде двух словариков (см. пример ниже).

Также есть возможность задать колонку со своим разбиением на train/val/test выборки (унифицированное название колонки — segm) в вашем датафрейме с данными или отдать это на откуп AUF.

base_cols_mapper = {
        “id”: “id”,
        “treatment”: “treatment_group”,
        “target”: “conversion”,
        “segm”: “segm”
}

treatment_groups_mapper = {
        “control”: 0,
        “treatment”: 1
}

pipeline.load_sample(
        df,
        base_cols_mapper,
        treatment_groups_mapper
)

В выводе ячейки с этим кодом увидим:

№1. Результаты проверки гипотезы об отсутствии эффекта от воздействия (то есть о равенстве конверсий в целевой и контрольной группах).

№2. Табличку со средними конверсиями в целевой и контрольной группах в разрезе train/val/test выборок.

Видно, что конверсия в целевой группе статистически значимо выше конверсии в контроле. Это подтверждается околонулевым p-value (для наглядности мы выводим всегда только первые три цифры после запятой). Также видно, что «единичек» (таргетов, равных 1) достаточно много в каждой группе, это позволит построить более точную модель.

Метод run()

У класса UpliftPipeline есть метод, в котором соединены все промежуточные шаги, кроме load_sample. Это метод run(), который позволит всего в одну строку получить готовую модель. Все параметры запуска можно указать прямо в аргументах метода run(). При желании их можно выставить самим, либо использовать наши дефолтные значения.

В случае, если выборка содержит лишь колонки с унифицированными именами и фичами, получить модель и признаки можно совсем просто:

from auf.pipline import UpliftPipeline
pipeline = UpliftPipeline(print_doc=False)
pipeline.load_sample(df)
model, features, model_result = pipeline.run()

Вывод данной ячейки будет состоять из выводов промежуточных методов, которые мы рассмотрим по отдельности прямо сейчас. Так будет проще понять, что происходит внутри нашего пайплайна.

Отбор признаков

Отбор признаков мы разделили на 4 главных этапа:

1. Удаление «пустых» признаков.

2. Очистка выборки от «ликов».

3. Отбор «кандидатов» в признаки для uplift-модели.

4. Ранжирование кандидатов различными способами.

У каждого этапа своя цель:

1. Удалить признаки со всеми пропусками и 1 уникальным значением.

2. Удалить признаки, которые нарушают гомогенность выборки.

3. Ускорить обучение модели и убрать шум из данных.

4. Отобрать разными способами ТОП признаков для обучения моделей.

Рассмотрим этап 2 подробнее, поскольку он очень важен.

Гомогенность выборки — это свойство, которое необходимо для построения uplift-модели. Оно означает, что назначение воздействия было рандомным (случайным). В таких данных нет информации, которая позволила бы определить группу, к которой был отнесён клиент (целевая или контрольная). Это позволит при моделировании оценить чистый эффект от нашего конкретного воздействия (например, скидки или звонка/push/смс).

На практике эту проверку можно совершить так: взять бинарный флаг воздействия и попробовать его предсказать для каждого клиента на основе наших данных. Использовать можно любые классические модели для бинарной классификации, но мы обычно используем CatBoost.

Также мы модифицировали этот подход: вместо обучения большой модели один раз мы обучаем несколько раз модели поменьше. Обучив одну модель, мы выкидываем ТОП-1 фичу по важности и повторяем процедуру, пока можем предсказать тритмент с качеством выше порога. Так мы находим потенциальные «лики» тритмента.

Теперь посмотрим, как это можно сделать через методы класса UpliftPipeline. Первый этап вшит в метод для загрузки выборки из-за его очевидной необходимости. Этапы 2-4 с дефолтными настройками можно запустить так:

pipeline.check_treatment_leaks()
pipeline.preselect_features_candidates()
pipeline.rank_features_candidates()

Метод check_treatment_leaks выводит информацию о найденных «ликах». Он показывает их число, а также для ТОП-5 «ликов» он выводит ROC-AUC при предсказании тритмента с использованием данной фичи. Важно, что под капотом для предсказания тритмента используется небольшая моделька (бустинг из 10–20 деревьев глубины 2–3). И если рядом с фичей указан ROC-AUC 0,8, то это значит, что к этой фиче нужно особо внимательно присмотреться. Возможно, это «лик».

Но в нашем примере с соревнования Магафон такой проблемы не оказалось, повезло!

pipeline.check_feature_values()
pipeline.check_correlated_features()
pipeline.show_removed_features_with_reasons()
pipeline.get_removed_features_by_reason(“too correlated”)
pipeline.plot_treatment_leaks(top_k=5)
pipeline.remove_features(features=[“feature1”, “feature2”])

Обучение моделей

В нашей библиотеке доступны все основные типы uplift-моделей:

• S-learner.

• T-learner.

• X-learner.

• Uplift Tree.

• Uplift Random Forest.

После ранжирования «кандидатов» каждый тип моделей будет обучен на разных количествах топ-признаков по каждому способу ранжирования. При этом структура модели (её гиперпараметры) будут подобраны для каждого набора признаков и класса модели через Optuna. В качестве метрики для оптимизации можно выбрать метрику из списка доступных в нашей библиотеке. О метриках речь подробнее пойдёт ниже.

Пример кода для обучения моделей:

from sklift.metrics import qini_auc_score
pipeline.train_models(
        classes=["TwoModels"],           # классы моделей для обучения
        feature_nums=[5, 15],               # количества ТОП-признаков для обучения моделей
        use_default_params=False,       # использовать ли дефолтные параметры моделей
        metric=qini_auc_score,             # метрика для оптимизации в Optuna
        timeout_estimator=10               # время обучения 1 модели в секундах
)

Вывод данного метода выглядит на данный момент довольно просто: для каждой модели указывается статус «начало обучения» и «конец обучения».

Поиск лучшей модели

После обучения моделей у нас есть множество троек вида (модель, метод ранжирования признаков, число ТОП-признаков). Далее нужно найти лучшую из них — ту, которая в среднем даёт лучшее качество. Для поиска лучшей модели используется оценка медианного значения оптимизируемой в Optuna метрики. Такую оценку легко получить через бутстрап. После этого выбирается тройка с наибольшим медианным значением метрики.

Пример кода для поиска лучшей модели:

model_class_name, ranker_method, model_result = pipeline.get_result(
        metric = qini_auc_score,
        n_max_features = 15,
        rating = 0
)

Разберём возвращаемые значения. 

• Первые два поля означают название класса лучшей модели и название метода ранжирования фич из лучшей модели соответственно.

• Также возвращается model_result — специальная структура, в которой хранится вся информация про модель. В ней хранится сама модель, а также нужные ей признаки и некоторые служебные поля.

Визуализация качества модели

Обычно даже для простой модели бинарной классификации недостаточно посмотреть на одну метрику или один график. Например, классические метрики, такие как ROC-AUC, Precision или Recall не покажут всей картины. Нужно смотреть на графики по типу ROC-кривой или PR-кривой. Из них можно извлечь заметно больше информации.

Оценить качество uplift-модели ещё сложнее. 

Поэтому в нашей библиотеке мы реализовали не только основные метрики и графики качества uplift-моделей. Также мы включили графики анализа важностей признаков и некоторые кастомные метрики со своей интуицией. Полный перечень метрик представлен в модуле auf.metrics.

Здесь нам понадобятся два метода. 

• Первый — show_metrics_table для вычисления датафрейма с метриками по всем обученным моделям. 

• Второй – plot_results для вывода краткой статистики по лучшей модели и отрисовки графиков.

Пример кода:

full_metrics_df = pipeline.show_metrics_table(
        metrics_names=[
                "uplift@10",
                "uplift_rel@10",
                "uplift@15",
                "uplift_rel@15",
                "uplift@20",
                "uplift_rel@20",
                "qini_auc",
                "qini_auc_20"
        ]
)

self.plot_results(
        full_metrics_df,
        model_class_name,
        ranker_method,
        best_result,
        n_uplift_bins=10
)

Это, пожалуй, самый информативный метод класса UpliftPipeline. Он позволяет под разными углами взглянуть на качество получившейся модели. Рассмотрим его вывод ниже.

Сначала идёт табличка с результатами лучшей модели, которые показаны в виде основных, на наш взгляд, метрик. Это даёт возможность сразу понять, может ли модель принести какой-то эффект. Значения метрик показаны по train/val/test выборкам, чтобы можно было оценить степень переобучения.

Далее идёт другая табличка. В ней показана информация по бакетам предсказанного uplift в порядке убывания (в бакете 0-10 клиенты с самым высоким uplift). Какие есть поля в таблице:

• percentile — бакет предсказанного uplift;

• n_treatment — число клиентов из целевой группы в данном бакете;

• n_control — число клиентов из контрольной группы в данном бакете;

• response_rate_treatment — средняя реальная конверсия у клиентов из целевой группы в данном бакете;

• response_rate_control — средняя реальная конверсия у клиентов из контрольной группы в данном бакете;

• uplift — разница response_rate_treatment и response_rate_control;

• rel_uplift = response_rate_treatment / response_rate_control - 1.

Поля uplift и uplift_rel показывают разницу конверсий в каждом бакете в целевой и контрольной группах. Первое поле показывают абсолютную разницу (простая разность конверсий). Второе поле показывает относительную разницу конверсий (делим конверсию в целевой группе на конверсию в контрольной и вычитаем 1). Это позволяет понять, сколько реально дополнительных продаж мы совершили, которые бы не получилось совершить без воздействия. 

Частая проблема моделей склонности в том, что uplift_rel у них низкий, хотя uplift может быть высоким. Именно поэтому они не подходят для решения uplift-задач: например, мы так можем дать скидку тем клиентам, кто купил бы наш продукт и без неё.

Далее идут графики качества для train/val/test выборок. Они идут парами — слева диаграмма uplift_by_percentile, а справа qini кривая. Первый график показывает ту же информацию по бакетам, что и в табличке выше. Зелёные столбики показывают конверсии в бакетах по клиентам из целевой группы, а жёлтые — из контрольной. 

Второй график показывает накопительным образом число дополнительных продаж/сделок/целевых событий в зависимости от количества клиентов с наибольшим uplift, которым решили отправить воздействие.

Интерпретация модели

Кроме оценки качества модели, также важно понять, насколько она получилась адекватной. Например, логично ожидать, что в модель оценки вероятности дефолта при выплате ипотеки зайдёт признак типа «количество просрочек платежей по ипотеке». Это можно понять с помощью визуализации важности признаков, зашедших в финальную модель. 

Также может быть полезно посмотреть на портрет чувствительного клиента (с высоким uplift) в виде решающего дерева. Часто такая визуализация помогает понять, насколько модель получилась адекватной, и позволяет представить бизнесу некоторую интерпретацию, по которой они смогут понять, насколько модель применима в конкретном бизнес-процессе.

Вывести их можно с помощью кода:

pipeline.plot_feature_importances(
        model_result=model_result
)

plot_portrait_tree(
        x=df[model_result.features],
        uplift= model_result.estimator.predict(df[df.segm=='val'][ model_result.features]),
        max_depth=2
)

Примеры графиков приведены ниже.

for f in model_result.features:
        plot_uplift_by_feature_bins(
                df[f],
                df[base_cols_mapper["treatment"]],
                df[base_cols_mapper["target"]],
                f"{f}",
                amount_of_bins= 4
        )

Источники и ссылки

Пример использования AUF на данных Мегафон (ссылка ^[5]).

Цикл статей от МТС по аплифт моделированию: раз ^[6], два ^[7], три ^[8].

Документации библиотек: scikit-uplift ^[1], CausalML ^[2], EconML ^[3], Pylift ^[4].

Благодарности

Спасибо тем, кто также работал над статьёй и помогал с редактурой: Дмитрию Светлову (TeamLead DS), Даниилу Лескевичу (Senior DS) и Арине Неволиной (Junior DS).