# Two-Tower Models（双塔模型）

## 核心思想一句话概括

**Two-Tower Model 是一种通过两个独立的深度神经网络（“双塔”）分别学习查询（Query）和候选（Candidate）的向量表示，并通过计算这两个向量之间的相似度（如点积）来进行匹配、排序或推荐的模型架构。**

它的核心目标是：**将从不同模态（如文本、图像、ID）来的查询和候选，映射到同一个向量空间（Embedding Space），从而在这个空间里，相似度的计算变得简单且高效。**

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## 模型结构：为什么叫“双塔”？

顾名思义，该模型由两个并行的、结构相似但参数不共享的神经网络组成，形似两座塔。

1.  **查询塔（Query Tower）**：
    *   **输入**：代表用户意图的信息。在推荐中，这可以是用户的历史行为序列、用户画像特征、当前的上下文（如时间、地点）等。在搜索中，这就是搜索词（Query）。
    *   **输出**：一个固定长度的低维稠密向量，称为**查询向量（Query Embedding）**，记为 $u$。

2.  **候选塔（Candidate Tower）**：
    *   **输入**：代表被推荐物品的信息。在推荐中，这可以是物品的ID、标题、标签、封面图等特征。在搜索中，这就是文档、商品或视频。
    *   **输出**：一个同样固定长度的低维稠密向量，称为**候选向量（Candidate Embedding）**，记为 $v$。

3.  **相似度计算（Similarity Score）**：
    *   最终的输出分数是这两个向量之间的相似度，最常用的是**点积（Dot Product）** 或**余弦相似度（Cosine Similarity）**。
    *   **分数 = $u \cdot v$**



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## 双塔模型的核心特点和工作流程

### 1. 离线计算（候选塔的预计算）- 高效的关键
这是双塔模型能应用于超大规模推荐（百万甚至十亿级别候选池）的**最关键优势**。

*   由于候选物品（如视频、商品）是相对固定的，我们可以**提前**用候选塔计算出**所有**候选物品的向量 $v$，并将其存入高效的向量数据库（如FAISS, ScaNN）中。
*   当用户的请求（Query）到来时，我们只需要**实时地**用查询塔计算一次用户向量 $u$。
*   然后，在向量数据库中进行**最近邻搜索（Approximate Nearest Neighbor, ANN）**，快速找到与 $u$ 点积最大的Top-K个候选向量，这些就是最终要推荐的物品。

**这种“离线计算候选，在线计算查询”的模式，使得模型能承受极高的并发请求，延迟极低。**

### 2. 在线服务
*   **输入**：用户实时请求。
*   **步骤**：
    1.  查询塔实时计算用户向量 $u$。
    2.  将 $u$ 发送到向量数据库。
    3.  数据库通过ANN搜索返回最相似的N个候选物品ID。
    4.  将这些ID返回给用户。

整个过程在毫秒级别内完成。

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## 双塔模型的优势

1.  **极高的服务效率**：如上述，在线计算量极小，非常适合大规模候选集的召回（Matching/Candidate Generation）阶段。
2.  **灵活性**：双塔可以处理多种类型的特征（稀疏特征、稠密特征、文本、图像），通过不同的网络结构（如MLP, CNN, Transformer）学习其表示。
3.  **解耦性好**：查询和候选的编码过程是完全独立的，这意味着可以方便地单独更新某一塔（例如，只更新物品塔加入新物品特征，而无需改动用户塔）。

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## 双塔模型的劣势与挑战

1.  **信息损失**：由于双塔在最终点积之前没有任何交互，**查询和候选的早期特征交叉信息丢失了**。这与精排模型（如DeepFM, DIN）允许大量特征交叉相比是一个劣势。因此，双塔通常只用于召回阶段，而不是最终排序。
2.  **负采样挑战**：模型的训练严重依赖于负样本（用户未点击的物品）的质量。如何选择负样本（随机采样？困难负样本采样？）对模型效果影响巨大。
3.  **热度偏差**：容易偏向于推荐热门物品，因为热门物品的向量范数可能更大，点积更容易占优。

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## 应用场景

1.  **推荐系统召回层**：这是最经典的应用。从百万物品库中快速召回几百个用户可能感兴趣的物品。
2.  **广告召回**：从海量广告中快速匹配可能对当前用户感兴趣的广告。
3.  **语义搜索/文本匹配**：一塔编码查询文本，另一塔编码文档文本，学习语义层面的匹配。
4.  **跨模态检索**：例如，一塔编码文本描述（“一只黑猫”），另一塔编码图片，实现文搜图或图搜文。

## 总结

**Two-Tower Model 是一种为大规模检索和匹配任务而设计的高效神经网络架构。它通过“双塔”结构分别学习查询和候选的嵌入表示，并通过近似最近邻搜索实现毫秒级的海量数据检索。尽管它在特征交叉上存在不足，但其无可比拟的服务效率使其成为现代工业级推荐系统、搜索和广告系统中召回阶段不可或缺的核心技术。**