基于图的异常检测（三）：GraphRAD
论文：《GraphRAD: A Graph-based Risky Account Detection System》
作者：Jun Ma（Amazon）,Danqing Zhang(Berkeley)
来源：MLG ' 18
本文介绍Amazon基于图的欺诈交易账户检测系统，相比LOCKINFER 和 OddBall，本文是面向实际业务设计的检测系统，并使用了标签数据。
早期做过十分类似的项目，在可视化关联分析的基础上，为案件调查人员提供智能风险团伙分析服务。所以个人还是比较认可的，在整个系统设计及社区发现模块比较有借鉴价值。
1.背景
应用场景：黑产通过窃取支付信息在Amazon的在线零售商户购买商品获利。
假设：在“欺诈社区”中欺诈账户间连接紧密，而与社区外的账户连接稀疏。
检测系统目标：给予账户之间关系图和一批黑种子，系统检测出有潜在风险的社区及账户供专家调查。并满足以下特性：
- 检测需要做到准实时，以及时止损。
- 返回的可疑社区不能太大和重叠，减少专家工作量。
- 每个账户需要有风险评分，专家根据评分决定优先级。
- 目标是对已有规则引擎的补充，额外发现未识别的欺诈账户。
2.系统框架
大概思路是：通过最近交易事件提取一批黑种子账户，构建账户之间关系网络，然后识别和过滤社区，然后为社区中节点打分，然后返回结果。
流程介绍：
- Transaction Record：交易事件数据查询接口模块，交易事件字段包括交易时间、账户id、收货地址、决策引擎结果（Trusted、Fraud、Risky），提供一段时间查询交易事件的接口。
- Graph Generator：构建账户之间关系图“big-graph”模块，通过某些共享属性（如收货地址等）建立连边。
- Seeding：筛选黑种子模块，决策引擎中标记为Fraud 以及 部分Risky的账户（根据启发式规则）。
- Community Detection：局部社区发现模块，以黑种子账户为输入，识别出围绕种子的一个个局部社区。算法是Personal PageRank变种ACL，线性复杂度。
- Screen + Merge：过滤及合并：根据风险大小过滤一些局部社区，然后合并成这些局部社区成“big-comm”（局部社区之间会部分重叠，合并减少冗余）。
- Community Extractor：最终社区抽取，基于上面ACL算法得到的基于PPR向量，通过层次聚类得到最终的社区
- Feature Extractor：提取“big-comm”中节点特征，基于交易数据，特征使用决策引擎规则
- Scoring：基于图的惩罚项，训练半监督模型，为每个节点评分
最后给专家提供社区结构和节点评分以供调查使用。
3.核心模块
3.1 构建网络(Graph Generator)
数据来源：最近的交易事件
例如 有两个交易事件：
- 交易事件1：账户A，收货地址为：杭州市西湖区蒋村花园23幢
- 交易事件2：账户B，收货地址为：杭州市西湖区蒋村花园23幢
因为账户A和账户B共享同一个收货地址，故他们会有一条边，以此来建立账户与账户之间关系网络。
实践中如共享同一个设备、同一个IP都可以作为连边条件。
3.2 社区发现及过滤
该模块是本文的比较有意思的地方，不是对网络进行全局的划分，而是先以欺诈账户为种子节点，找到每一个种子节点所在的局部社区，然后对这一个个局部社区进行过滤和合并成一个大社区，最后对这大社区进行划分，得到一个个不重叠的社区。
这样做的优势是：
- 计算复杂度非常低，局部社区发现计算复杂度仅跟输出的结果线性相关。
- 个人认为还有个优势是降噪和考虑用户需求，通过加入黑种子、社区过滤等人为干预方式，降低数据噪声，控制社区规模和冗余，方便专家进行案件审查。
下图比较是直观的一个全局和局部社区发现的对比：
3.2.1 局部社区发现(Community Detection)
以黑种子节点为输入，使用基于Personal Pagerank局部社区算法ACL，该算法比较经典， 复杂度仅取决于输出结果。
算法使用电阻率(conductance)作为评价指标（模块度是全局的）：
后面会补上对ACL的解读。
3.2.2 过滤和合并(Screen + Merge)
因为局部社区发现返回的结果是一个个围绕着黑种子的局部社区，必然会有冗余
另外局部社区规模非常小，可能是不存在是个体风险，而不是群体风险。
故需要对局部社区进行过滤，本文是先过滤掉规模较小的局部社区，然后对每个局部社区建一个风险评分模型，再过滤掉风险较低局部社区（y怎么定义用什么特征没仔细说）。
（个人觉得过滤环节不用做太多的操作，简单原则。另外对社区评分模型不好做的，考验泛化能力，还不如用规则）
过滤完后再对这一个个局部社区进行合并，组成一个“大社区“（其实就是将所有节点和边都放在一起）。
3.2.3 社区提取(Community Extractor)
因为局部社区发现用的是基于personal pagerank 的方法，可以得到每个节点的一个pagerank 向量，表示节点与其他节点的相似度。将该一个个向量转换成矩阵，并用层次聚类的方法得到最终的社区。 社区数量k的设置控制社区规模，方便专家分析。
3.3 节点评分(Scoring)
在“大社区”上为每个节点打上一个分数，方便专家分析时确定优先级及过滤低评分的节点。
本文对比了Node2vec、GCN和在基于图惩罚项的模型给节点评分，发现基于图惩罚项的模型效果是最好的（也许是样本量有限？按理说应该是GCN好）。
基于图惩罚项的模型即在有监督损失如交叉熵中加入图的惩罚项（相邻节点的预测结果是相近的），这样在训练时不仅考虑了有标签节点，也考虑了无标签的相邻节点，故称为半监督学习。
特征是用了决策引擎中的规则，标签y定义即是否欺诈。
3.4 例子
“大社区“
最终返回的一个个社区
4. 效果评估
该检测系统目标是 发现更多规则引擎没有发现的欺诈账户，而不是去跟规则引擎去PK，故评价标准是“missed bad” ——检测到的未发现的欺诈账户占比 （通过专家标注，用比例的原因是对于准确率的考量）
首先与随机抽样对比，系统每一个模块的missed bad情况，证明好的系统每一个模块检测比例应该是递增的：
- 随机抽样：0.017%
- 经过局部社区发现和过滤合并得到的大社区上：0.054%
- 经过社区提取后：1.51%
- 根据节点评分排序和过滤： 2.77%
上述模块中的missed bad 没有考虑，被决策引擎判为正常的欺诈账户，故真实结果应该会更高。
另外对比简单规则——欺诈节点直接相连的邻居认为是欺诈的对比，GraphRAD检测还是有比较大的增益的。
