机器学习在美团配送系统的实践：用技术还原真实世界（附完整报告下载）

报告下载：美团 即时配送中的机器学习技术1.pdf

美团“超脑”配送系统的由来

2014年，斯嘉丽约翰逊主演的科幻片《超体》大火，影片中主人公Lucy由于无意中摄入了大量的代号为“CPH4”的神秘药物，大脑神经元获得空前的开发，获得了异乎寻常的超能力，她能够对这个世界进行全新的感知、理解和控制（比如控制无线电波），最终跨越时间和空间成为了一个超级个体。

这种对真实世界的深度感知、理解和控制，与配送AI系统对配送场景的感知、理解和配送环节控制的目标非常一致。可以说，美团要建设的AI就是配送系统的“超级大脑”。因此我们内部把配送的AI系统，简称为“超脑”配送系统。

即时配送在全球快速发展

最近几年，以外卖为依托，即时配送业务在全球范围内掀起了一波快速发展的浪潮，全球各地都出现了很多创业公司，其中国外知名的包括美国的Uber Eats（全球）、英国的Deliveroo、印度的Swiggy、Zomato（分别被美团和阿里投资），印尼的go-jek等等。国内除了美团外卖、饿了么、滴滴外卖等典型代表外，而还有专注于即时配送服务创业公司，比如闪送、UU跑腿、达达、点我达等。

这种全球爆发的现象说明了两个问题：

•       “懒”是人类的天性。平价、方便、快捷的服务是人类的普遍需求，尤其是在“吃”这个事情上，外卖成为了一种高频的刚需。

•       外卖的商业模式完全可行。以美团外卖为例，2018年上半年整体收入160亿，同步增长90%。根据Uber公布的数据，Uber Eats在2018第一季度占整体营业的13%。

即时配送的业务模型

即时配送，是一种配送时长1小时以内，平均配送时长约30分钟的快速配送业务。如此快速的配送时效，将传统的线上电商交易与线下物流配送（传统划分比较明确的两条业务）整合为统一整体，形成了用户、商户、骑手和平台互相交错的四元关系。

其整合力度空前紧密，几乎渗透到各个环节。以外卖搜索和排序为例，在下午时段，在用户搜索和推荐中可以看到更多的商家，因为此时运力充分，可以提供更远距离的配送服务，不仅能更好满足用户的需求，提高商家的单量，而且能够增加骑手的收入。

即时配送的核心指标是效率、成本、体验，这三者也形成了即时配送的商业模型。简单来说可以分为以下几步：

1、首先配送效率提升

      让骑手在单位时间内配送更多订单，产生更多价值。

2、然后配送成本下降

      更高的效率，一方面让骑手收入增加，一方面也让订单平均成本下降。

3、然后用户体验提升

      低成本能够让用户（商户）以更低的价格享受更好的配送服务，从而保证更好的用户体验。

4、进一步提升效率并形成循环

      更好的用户体验，让更多用户（商户）聚集过来，提升规模和密度，进一步提升配送效率。

这样，就形成了一个正向循环，不断创造更多商业价值。而技术的作用，就是加速这个正向循环。

美团“超脑”配送系统

目前互联网技术，很大部分还是针对线上产品和系统研发，整个流程可以在线上全部完成，而这也正是配送AI技术最大的不同和挑战。简单来说，类似搜索、推荐、图象和语音识别这种线上产品常用的AI技术帮助不大，因为配送必须在线下一个一个环节的进行，这就要求AI技术必须能够面对复杂的真实物理世界，必须能深度感知、正确理解与准确预测、并瞬间完成复杂决策。

为了满足这些要求，我们建设了美团“超脑”配送系统，包含以下几个方面：

•   大数据处理和计算能力

•       算法数据和计算平台：包括实时特征计算、离线数据处理、机器学习平台等。

•   建立对世界深度感知

•       LBS系统：提供正确位置（用户/商户/骑手）以及两点之间正确的骑行导航。

•       多传感器：提供室内定位以、精细化场景刻画、骑手运动状态识别

•   正确理解和准确预测

•       时间预估：提供所有配送环节时间的准确预估

•       其他预估：销量预估、运力预估等

•   完成复杂决策

•       调度系统：多人多点实时调度系统，完成派单决策：谁来送？怎么送？

•       定价系统：实时动态定价系统，完成定价决策：用户收多少钱？给骑手多少钱？

•       规划系统：配送网络规划系统，完成规划决策：站点如何划分？运力如何运营？

机器学习技术挑战

如何构建一个在真实物理世界运行的AI系统，就是我们最大的挑战。具体到机器学习方向而言，挑战包括以下几个方面：

•   精度足够高、粒度足够细

•       时间要求：一方面是周期性变化，比如早午晚，工作假日，季节变化；一方面是分钟级的精细度，比如一个商圈单量和运力的实时变化。

•       空间要求：一方面是不同商圈独有特性，比如CBD区域；一方面是要实现楼栋和楼层的精度，比如1楼和20楼，就是完全不同的配送难度。

•       鲁棒性要求：处理各种不确定的能力，比如天气变化、交通变化等等。

•   线下数据质量的巨大挑战

•       大噪音：比如GPS定位漂移，尤其是在高楼附近，更不要说在室内GPS基本不可用。

•       不完备：比如商家后厨数据、堂食数据、其他平台数据，都极难获得。

•       高复杂：配送场景多样而且不稳定，随着时间、天气、路况等在不断变化。

配送系统的核心参数ETA

ETA（Estimated Time of Arrival，时间送达预估）是配送系统中非常重要参数，与用户体验、配送成本有直接关系，而且会直接影响调度系统和定价系统的最终决策。

一个订单中涉及的各种时长参数(如上图右侧所示），可以看到有十几个关键节点，其中关键时长达到七个。这些时长涉及多方，比如骑手（接-到-取-送）、商户（出餐）、用户（交付），要经历室内室外的场景转换，因此挑战性非常高。

通过机器学习方法，我们已经将外卖配送几乎所有环节都进行了精准预估预测。用户感知比较明显是预计送达时间，贯穿多个环节，商家列表（从配送时长角度让用户更好选择商家）、订单预览（给用户一个准确的配送时间预期）、实时状态（下单后实时反馈最新的送达时间）。当然这里面还有很多用户看不到的部分，比如商家出餐时间、骑手到店时间、交付时间等。其中交付时长，与用户关系比较大，也很有意思，下文会详细展开。

精准到楼宇和楼层的预估：交付时长

交付时长是指骑手到达用户后，将外卖交付到用户手中并离开的时间，实际是需要考虑三维空间内计算（上楼-下楼）。交付时间精准预估，有两点重要的意义，首先是客观的衡量配送难度，给骑手合理补贴；其次，考虑对骑手身上后续订单的影响，防止调度不合理，导致其他订单超时。

交付时长的目标是，做到楼宇和楼层的精准颗粒度，具体可以拆解为以下几步：

1、地址的精准解析（精确到楼宇/单元/楼层）

      地址精度需要在5级之上（4级：街道，5级：楼宇），国内拥有这个级别精细化数据的公司屈指可数。

      数据的安全级别很高，我们做了很多脱敏工作，做了各种数据保护与隔离，保证用户隐私和数据安全。

      地址信息的多种表达方式、各种变形，需要较强的NLU技术能力。

2、交付时长预估

      通过骑手轨迹进行“入客-离客”识别，并进行大量数据清洗工作。

      统计各个粒度的交付时长，通过树形模型实现快速搜索各个粒度的数据。

      因为预估精度是楼宇和楼层，数据很稀疏，很难直接进行统计，需要通过各种数据平滑和回归预估，处理数据稀疏和平滑的问题。

3、下游业务应用

      给调度和定价业务，提供楼宇+楼层维度的交付时长。从上图可以看到，在不同楼宇，不同楼层交付时长的区分度还是很明显的。

      尤其是楼层与交付时长并不是线性相关，我们还具体调研过骑手决策行为，发现骑手会考虑等电梯的时间，低楼层骑手倾向于走楼梯，高楼层则坐电梯。

可以看到，真实世界中影响决策因素非常多，我们目前做的还不够。比如交付时长也可以进一步细化，比如准确预估骑手上楼时间、下楼时间和等待时间，这样其实能够与商家取餐环节保持一致，之所以没这么做，主要还是数据缺失，比如骑手在商家其实有两个操作数据（到店、取餐），这样能支持我们做精细化预估的，但是在用户环节只有（送达）一个操作。

举这个例子，其实是想说明，数据的完备性对我们到底有多重要。数据方面的挑战，线下业务与线上业务相比，要高出好几个等级。

配送中最重要的数据之一：地图

地图对配送的重要性毋庸置疑（位置和导航都不准确，配送如何进行？），前面提到的5级地址库只是其中一部分。配送地图的目标可以概括为以下两点：

- 正确的位置    - 实时部分：骑手实时位置。    - 静态部分：用户和商户准确的地址和位置。 - 正确的导航    - 两点之间正确的距离和路线。    - 突发情况的快速反应（封路、限行）。

如果横向对比配送、快递、打车等行业对地图的要求，其实是一件很有意思的事情，这个对于配送地图技术建设来说，是一件非常有帮助的事情。

即时配送 VS 物流快递：即时配送对地图的依赖程度明显高于物流快递

即时配送 VS 出行行业：地图厂商在车载导航的优势和积累，在即时配送场景较难发挥

从这两方面对比可以看到，在即时配送业务中，骑行地图的重要性非常之高，同时很多问题确实非常具有行业特色，通过驾车地图的技术无法很有效的解决。这样就需要建设一套即时配送业务地图的解决方案。

基于签到数据的位置校正：交付点

如前文所述，配送地图的方向有很多，这次我重点讲一下用户位置相关的工作“交付点挖掘”。首先看一下目前主要问题：用户位置信息有很多错误，比如：

用户选择错误

上图左，一个小区会有1期2期~N期等，用户在选择POI的时候就可能发生错误（比如1期的选了2期），两者地理位置相差非常远，很容易造成骑手去了错误的地方。这样在订单发送到配送系统的时候，我们需要做一次用户坐标纠正，引导骑手到达正确的位置。

POI数据不精细

上图右，用户本来在xx区xx栋，但是只选了xx区这个比较粗的位置信息。现实中在一个小区里面，找到一个具体xx栋楼还是非常困难的，大家可以想想自己小区中，随便说一个楼号你知道它在哪个角落吗，更别说如果是大晚上在一个你不熟悉的小区了。造成这种原因，一方面可能是用户选择不精细，还有一种可能，就是地图上没有具体楼栋的POI信息。

在实际配送中，我们都会要求骑手在完成交付后进行签到，这样就会积累大量的上报数据，对于后续进行精细化挖掘非常有帮助。大家可以先看看我们收集的原始数据（上图），虽然还是非常凌乱，但是已经能看到这其中蕴含着极高的价值，具体来说有三方面：

•   数据量大

•       每天几千万订单，几十亿的轨迹数据。

•       可以充分覆盖每一个小区/楼栋/单元门。

•   维度多样

•       除了骑手签到和轨迹数据，我们还有大量的用户、商户和地图数据。

•       多种数据维度可以交叉验证，有效避免数据的噪音，提高挖掘结果精度。

•   数据完备

•       在局部（用户和商户）数据足够稠密，置信度比较高。

交付点挖掘的技术实战：挑战

在数据挖掘实际过程中，其实并没有什么“高大上”的必杀技，无法使用流行的End2End方法，基本上还是需要对各个环节进行拆解，扎扎实实的做好各种基础工作，基本整个挖掘过程，分为以下几个步骤：（1）基于地址分组；（2）数据去噪；（3）数据聚合；（4）置信度打分。其中主要技术挑战，主要在各种场景中保证数据挖掘质量和覆盖率，具体来说主要有三个挑战：

•   数据去噪

•       数据噪音来源比较多样，包括GPS的漂移、骑手误操作、违规操作等各种。一方面是针对噪音原因进行特殊处理（比如一些作弊行为），另一方面要充分发挥数据密度和数据量的优势，在保证尽量去除Outlier后，依然保持可观的数据量。能够同时使用其他维度的数据进行验证，也是非常重要的，甚至可以说数据多样性和正交性，决定了我们能做事情的上限。

•   数据聚合

•       不同区域的楼宇密度完全不一样，具有极强的Local属性，使用常规聚类方法，比较难做到参数统一，需要找到一种不过分依赖样本集合大小，以及对去噪不敏感的聚类算法。

•   重名问题

•       这个属于POI融合的一个子问题，判断两个POI信息是否应该合并。这个在用户地址中比较常见，用户提供的地址信息一样，但实际是两个地方。这种情况下，我们的处理原则是一方面要求纠正后坐标更符合骑手签到情况，另一方面新坐标的签到数据要足够稠密。

交付点挖掘的技术实战：效果

目前，我们已经上线了一版交付点，对用户位置进行主动纠正，让骑手可以更准确更快的找到用户。目前效果上看还是非常明显的。包括几个方面：

•   骑手交付距离明显降低

•       从上图左侧部分看到，在上线前（绿色）交付距离>100M的占比很高（这个距离会导致实际位置差几栋楼，甚至不同小区），也就是用户自己选着的位置错误率比较高，导致骑手交付难度较高，对效率影响比较大。上线后（红色），交付距离明显缩短（均值左移），同时>100M的长尾比例明显下降。

•   单元门级别的高精度位置

•       上图右侧部分看到，我们挖掘的交付点基本上能与楼宇的单元门对应。而且没有明显偏差比较大的部分。这个质量基本达到我们之前设定目标，也证明配送大数据的巨大潜力。

•   目前的问题以及后续的优化点

•       如何提升其作为POI挖掘和发现手段的准确率？这里面有很多优化点，比如去重（交付点-位置信息的一一映射），POI信息补全和更新。

•       如何扩大数据渠道并做到信息整合？目前主要渠道还是骑手签到和轨迹数据，这个明显有更大的想象空间，毕竟每天在全国大街小巷，有几十万骑手在进行配送，除了前面（以及后面）提到的通过手机被动采集的数据，让骑手主动采集数据，也是不错的建设思路。只不过想要做好的话，需要建立一个相对闭环数据系统，包括上报、采集、清洗、加工、监控等等。

更精细化的配送场景识别：感知

前面提到的地图技术，只能解决在室外场景的位置和导航问题。但配送在商家侧（到店、取餐）和用户侧（到客、交付）两个场景中，其实是发生在室内环境。在室内的骑手位置是在哪里、在做什么以及用户和商家在做什么，如果了解这些，就能解决很多实际问题。比如：

这个技术方向可以统称为“情景感知”，目标就是还原配送场景中（主要是室内以及GPS不准确），真实配送过程发生了什么，具体方向如下图所示：

情景感知的目标就是做到场景的精细刻画（上图的上半部分），包含两个方面工作：

•   配送节点的精确刻画

•       在ETA预估中已经展示过一些，不过之前主要还是基于骑手上报数据，这显然无法做到很高精确，必须引入更客观的数据进行描述。目前，我们选择的是WiFi和蓝牙的地理围栏技术作为主要辅助。

•   配送过程的精确刻画

•       骑手在配送过程中经常会切换方式，比如可能某个小区不让骑电动车，那骑手必须步行，再比如骑手在商家发生长时间驻留，那应该是发生了等餐的情况（用户侧同理）。目前，我们选择使用基于传感器的运动状态识别作为主要辅助。

这些数据，大部分来至于手机，但是随着各种智能硬件的普及，比如蓝牙设备，智能电动车、智能头盔等设备的普及，我们可以收集到更多数据的数据。WiFi/蓝牙技术，以及运动状态识别的技术比较成熟，这里主要说一下概况，本文不做深入的探讨。

对于配送系统来说，比较大的挑战还是对识别精度的要求以及成本之间的平衡。我们对精度要求很高，毕竟这些识别直接影响定价、调度、判责系统，这种底层数据，精度不高带来的问题很大。

考虑成本限制，我们需要的是相对廉价和通用的解决方案，那种基于大量传感器硬件部属的技术，明显不适用我们几百万商家，几千万楼宇这种量级的要求。为此，在具体技术方面，我们选用的是WiFi指纹、蓝牙识别、运动状态识别等通用技术方案，就单个技术而言，其实学术界已经研究很充分了，而且也有很多应用（比如各种智能手环等设备）。对于我们的挑战在于要做好多种传感器数据的融合（还包括其他数据），以确保做到高识别精度。当然为了解决“Ground Truth”问题，部署一些稳定&高精度的智能硬件还是必须的，这对技术迭代优化和评估都非常有帮助。

总结

美团外卖日订单量超过2400万单，已经占有了相对领先的市场份额。美团配送也构建了全球领先的即时配送网络，以及行业领先的美团智能配送系统，智能调度系统每小时路径计算可达29亿次。如何让配送网络运行效率更高，用户体验更好，是一项非常困难的挑战，我们需要解决大量复杂的机器学习和运筹优化等问题，包括ETA预测，智能调度、地图优化、动态定价、情景感知、智能运营等多个领域。过去三年来，美团配送AI团队研发效果显著，配送时长从一小时陆续缩短到30分钟，并且还在不断提升，我们也希望通过AI技术，帮大家吃得更好，生活更好。