近年来，由于图的弱小表达才能，应用机器学习分析图的研讨越来越遭到关注。图（graph）作为一种数据结构，由节点（node）和边（edge）组成，假如赋予节点和边不同的含义，那么看似简单的图就可以组成非常庞大的信息。例如，若图中的节点代表商品，边表示购买顺序，那么连起来就代表了一个用户的购物网络。
图 | 一个最简单的图包含节点和边（箭头表示关系方向）
如今，在图范畴机器学习中，图神经网络（Graph Neural Network,简称 GNN）又成为新的研讨热点。由于 GNN 对图节点之间依赖关系停止建模的弱小才能，它在社交网络、知识图、引荐系统甚至生命迷信等各个范畴都得到了越来越广泛的运用。
近日，清华大学研讨团队就针对 GNN 的最新发展，于 AI OPEN 发表了题为 “Graph neural networks: A review of methods and applications” 的研讨综述。文中详细总结了构建 GNN 模型的 “四步” 框架并作实际分析，展现了 GNN 在各学科中常见的运用，并最后提出四个开放性成绩，表明了图神经网络的次要应战和将来研讨方向。
论文地址：https://arxiv.org/abs/1812.08434
1四步构建GNN
GNN 是基于图的深度学习方法，作为神经模型的一种，它经过图节点之间的音讯传递来捕获图的依赖性。GNN 的设计流程通常包含四个步骤：找出相应的图结构、指定图类型与规模、设计损失函数、运用计算模块构建模型。
图 | GNN 的设计流程图（来源：论文）
在此次的研讨中，作者就详细描画这四个步骤的操作框架。
（1）找到与目的相顺应的图结构：通常可以分为结构化场景和非结构化场景。在结构化场景中，图结构在运用中比较明白，例如在分子、物理系统、知识图等上的运用。而在非结构化场景中，图是隐含的，因此首先要从义务中构建图，例如为文本构建一个完全衔接的 “词” 图或为图像构建一个场景图。
（2）指定图类型和规模：在获得图形后，需求找出图形类型及其规模。图通常分为有向 / 无向图、同构 / 异构图（同构图中的节点和边具有相反的类型，而异构图中的节点和边具有不同的类型）、静态 / 动态图（当输入特征或图的拓扑随工夫变化时，该图被视为动态图）。
图 | 图类型与规模及其详细分类（来源：论文）
（3）设计损失函数：对于图学习义务，通常有节点级义务、边级义务、图级义务三种。而从训练设置的角度来看，图学习义务分为监督设置（为训练提供标记数据）、半监督设置（给出大批标记节点和大量未标记节点用于训练）、以及无监督设置（仅提供未标记的数据）。
（4）运用计算模块构建模型：常用的计算模块有传播模块、采样模块、池化模块。传播模块用于在节点之间传播信息，以便聚合信息可以捕获特征和拓扑信息。当图很大时，通常需求采样模块对图停止传播。假如需求高级子图或图的表示，则需求池化模块从节点中提取信息。
图 | 三种计算模块及其详细操作（来源：论文）
2GNN 的实践运用
接上去，作者们还对当前 GNN 的热点运用逐一停止阐释，并根据结构化场景和非结构化场景对其停止分类。
结构化场景 GNN 运用包括：图发掘（如图婚配、图分类、图聚类）、物理（即模拟理想世界的物理系统，如电磁系统、机器人系统等）、化学和生物学（如分子指纹、化学反应预测、生物工程等）、知识图谱（knowledge graph，表示理想世界实体的集合以及实体对之间的关系理想，例如问答、信息检索和知识引导生成）、生成模型、组合优化、交通网络（例如预测交通形状）、引荐系统（如社交网络自动引荐功能）、其他运用（如预测股票将来趋向、预测市场指数走势、优化路由功能、在文本生成义务的笼统含义表示等）。
非结构化场景 GNN 运用则次要包括 图像和文本上的义务，如机器视觉推理、语义分割、文本分类、神经机器翻译、关系抽取、事情验证、阅读了解等等。
图 | GNN 运用场景（来源：论文）
3应战与将来发展
虽然 GNN 在不同范畴获得了宏大成功，但值得留意的是，GNN 模型还不足以为大多图义务提供令人称心的处理方案。于是，研讨人员经过综述已有研讨，总结了以下四个未处理的成绩：
稳健性：作为一种基于神经网络的模型，GNN 也很容易遭到对抗性攻击。而且与仅关注特征的对图像或文本的对抗性攻击相比，对图的攻击进一步思索了却构信息。
可解释性：可解释性也是神经模型的一个重要研讨方向，不过目前 GNN 好像黑箱，仍缺乏解释。因此，将 GNN 模型运用于具有可解释性的实践运用非常重要。
图预训练：基于神经网络的模型需求大量的标记数据，但是获得大量人工标记的数据成本很高。因此，用自监督方法来指点 GNN 模型从未标记数据中学习从而停止预训练无疑是一种创新，但该范畴仍有许多开放性成绩需求研讨、。
复杂的图结构：图结构在理想生活的运用中灵敏又复杂，而且随着互联网上社交网络的疾速发展，一定会出现更多的成绩、应战和运用场景，需求更弱小的模型。
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