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來自悉尼科技大學最新《可解釋圖神經網絡研究》綜述，重點研究可解釋圖神經網絡，并基于可解釋方法對其進行分類。

圖神經網絡(GNNs)已經證明了對圖數據的預測性能的顯著提高。與此同時，這些模型做出的預測往往難以解釋。在這方面，已經有很多人從GNNExplainer、XGNN和PGExplainer等角度來解釋這些模型的預測機制。雖然這些工作提供了解釋GNN的系統框架，但對可解釋GNN的全面綜述還沒有。在這項綜述中**，我們提出了一個可解釋GNN的全面綜述。重點研究可解釋圖神經網絡，并基于可解釋方法對其進行分類**。在此基礎上，我們進一步給出了解釋GNN的常用性能指標，并指出了未來的研究方向。 圖G可以看作是一組節點Ni (i = 1,2，···，n)和邊Ej (j = 1,2，···，m)組成的某種關系的表示，它是一種理想的數據結構，可用于對各種現實世界的數據集(如分子)建模。隨著深度學習的復興，圖神經網絡(GNNs)已經成為對圖數據建模的強大工具，并在推薦、化學、醫學等許多領域和應用中取得了令人印象深刻的性能[27,7,24]。然而，將圖結構和特征信息結合在一起，產生了復雜的非線性模型，增加了理解其工作機制和預測的難度。另一方面，一個可解釋的模型是受歡迎的，甚至是必要的，特別是在實際場景中(例如，醫療診斷)，因為解釋可以在多種方面使用戶受益，例如提高模型的公平性/安全性，它還可以增強對模型建議的信任。因此，可解釋GNN(eXplainable gnn, XGNN)近年來得到了相當多的研究關注，可分為兩類:1)采用可解釋AI (eXplainable- AI, XAI)方法直接解釋GNN;2)基于圖的內在結構和特征制定策略，不涉及XAI方法。 雖然近年來對GNN可解釋性的研究越來越多，但對其進行系統的討論卻很少。我們認為，全面分析XGNN最近的這些工作，將有助于更好地理解這些方法，激發新的想法，并為開發新的可解釋的方法提供見解。因此，我們對目前研究GNN的可解釋方法進行了分析和總結。特別地，我們將它們分為兩組——第2節中的基于XAI的XGNN和第3節中的非基于XAI的XGNN。然后，我們將在第4節中介紹用于衡量XGNN可解釋性的指標。第5節討論了XGNN的常見問題，最后在第6節指出了今后的研究方向。 我們的貢獻可以概括為:

• 我們系統地分析了最新的XGNNs方法，并將其分為兩組: 基于XAI的XGNNs，利用現有的XAI方法來解釋GNN;基于非XAI的XGNNs，它脫離了當前的XAI方法，同時試圖通過利用圖的固有結構和特性來解釋GNN。

• 我們提出了XGNNs的評估指標，可以用來衡量XGNNs方法的性能，因為評估指標的知識對于教育XGNNs的最終用戶/從業者是必要的。

• 討論了XGNNs研究中經常出現的問題和可能的解決方案，最后指出了進一步提高XGNNs可解釋性的幾個潛在研究方向。

基于XAI的可解釋圖神經網絡

通過分析XGNNs的文獻，我們對可解釋GNN的方法進行了二元分類，分為基于XAI的方法和基于非XAI的方法兩類。XGNN的分類如圖1所示。我們首先簡要介紹XAI，然后介紹XGNN，因為它將有助于理解XGNN基于XAI的可解釋技術。

可解釋人工智能

在過去的幾年里，XAI已經成為一個熱門的研究課題，在這一領域的研究越來越多。多項研究綜述了它的歷史、分類、評價、挑戰和機遇，主要集中在深度神經網絡(DNNs)[1][4][6][20][8]的解釋。XAI技術可以按照[6]中討論的三種分類: (i)可解釋范圍的差異，(ii) 方法的差異，和 (iii) ML模型使用的差異(見圖2)。

根據ML模型使用的不同，我們還可以將XAI分為模型特定的XAI和模型無關的XAI。特定于模型的XAI是指專注于單個或一組特定AI模型的可解釋性的任何方法;而模型無關的XAI并不強調底層的AI模型。

模型無關的XAI可以用于評估大多數AI模型，通常在訓練后應用，因此它們通常被視為事后方法。模型無關的XAI依賴于分析輸入和輸出特征對，并且無法訪問AI模型的具體內部工作方式(例如，權重或結構信息)，否則將不可能將其與黑箱模型[21]解耦。通過分析模型特定型XAI和模型無關XAI的特點可以看出，模型特定型XAI方法對特定參數的依賴程度較高，而模型架構的任何變化都可能導致解釋方法本身或對應的可解釋算法發生顯著變化。因此，特定于模型的XAI方法無法擴展以解釋GNN。然而，一些模型無關的XAI方法可以被擴展來解釋GNN。

用XAI方法解釋圖神經網絡

卷積神經網絡(CNNs)通過將卷積運算擴展到圖和一般的非歐幾里得空間，可用于圖結構數據。將神經網絡擴展到非歐幾里得空間視為圖卷積神經網絡(GCNNs)。因此，我們可以將最初為CNN設計的常見解釋方法，擴展到GCNN。我們發現XAI的多種方法都可以很容易地推廣到GNN，如LRP [2]， LIME [16]， Grad-CAM[18]。表1總結了這些擴展。

分層關聯傳播(LRP)假設分類器可以分解為多個計算層，并將頂層的DNNs輸出傳播到輸入層。在每一層，應用一個傳播規則[2]。對目標輸出節點的貢獻反向傳播到輸入特征，形成對該節點貢獻的特征映射。因此，LRP在可視化輸入特征對模型預測的貢獻方面非常有用，特別是對于基于核的分類器和多層神經網絡。受此激勵，研究人員[22]在GNN中使用LRP來獲得GNN模型黑箱的洞見。Schnake等人[17]提出了基于GNN-LRP的高階泰勒展開法。GNN- LRP生成包含GNN模型和輸入圖之間復雜嵌套交互的詳細解釋。此外，Cho等人[5]使用LRP對個體預測進行了事后解釋。LRP通過網絡反向傳播計算每個神經元的相關性，從預測的輸出水平到輸入水平，相關性表示給定神經元對預測的定量貢獻。此外，Baldassarre等[3]也將LRP應用于圖模型。LRP方法通過將輸出預測分解為輸入的組合來計算顯著性映射。

局部可解釋模型無關解釋(LIME)是XAI中另一種流行的方法。LIME從黑盒模型中提取單個預測實例，并生成一個更簡單、可解釋的模型，如線性模型，以近似其決策特征。然后可以解釋這個簡單的模型，并使用它來解釋原始的黑盒預測[16]。許多其他的論文已經改進和擴展了LIME。Zhao等人[35]引入了BayLIME，將LIME與貝葉斯相結合。Zafar等人[33]使用了多個生成解釋之間的Jaccard相似性，并提出了一個確定性版本的LIME。此外，LIME也被廣泛應用于GNN中來解釋GNN模型。Huang等[9]提出了GraphLIME，一種使用Hilbert-Schmidt獨立準則(HSIC) Lasso的圖的局部可解釋模型解釋，這是一種非線性特征選擇方法來實現局部可解釋。它們的框架是通用的GNN模型解釋框架，該框架在被解釋節點的子圖中局部學習非線性可解釋模型。

梯度加權類激活映射(Gradient-weighted Class Activation Mapping, Grad-CAM)通過放松倒數第二層必須是卷積[18]的架構限制來改進CAM。通過將目標概念的梯度流到最終的卷積層，生成粗略的定位圖，以突出輸入圖像中的重要區域。CAM已廣泛應用于各種卷積神經網絡模型族[18]。Pasa[14]直接將其作為卷積神經網絡解釋的可視化工具。Vinogradova等人[25]進一步擴展了Grad-CAM，并將其應用于局部生成熱圖，顯示語義分割中單個像素的相關性。Grad-CAM也可以擴展到GNN。Pope等人[15]描述了將CNN可解釋方法擴展到GCNNs。他們為GCNNs的決策引入了解釋法(Grad-CAM)。Grad-CAM能夠生成關于網絡不同層的熱圖。

基于非XAI的可解釋圖神經網絡

大多數基于XAI的XGNN方法不需要知道GNN模型的內部參數，用于解釋的XAI方法也不是專門為CNN模型設計的。因此，當人們需要進一步探索GNN模型的結構時，尤其是對于大型和復雜的模型來說，這些方法可能無法給出令人滿意的解釋，這并不奇怪。為了緩解這一問題，近年來，研究人員開始考慮圖結構的特點，開發適合GNN模型的可解釋方法。有三種不同的方法來實現這個目標:(1)通過找到重要的子圖來解釋GNN模型;(2)通過生成新的圖來解釋GNN模型，而生成的圖應該保持最多的信息特征(如節點、節點特征和邊);(3)通過添加中間層次解釋GNN模型。

通過子圖可解釋的GNN

通過子圖可解釋的GNN是一組使用子圖添加GNN模型可解釋性的方法，它通常專注于局部特性，然后只產生最重要的子圖

通過圖生成可解釋的GNN

與關注子圖不同，通過圖生成解釋GNN需要考慮整個圖結構(或全局結構)。它考慮了圖的整體結構。然后生成一個新的圖，其中只包含GNN進行決策所需的結構。

可通過中間層解釋GNN

通過中間層注入解釋GNN可以直接將知識/信息作為因子圖編碼到模型體系結構中。如Ma等人[12]建立的因子圖神經網絡(Factor Graph Neural Network, FGNN)模型，將基因本體等生物知識直接編碼到模型架構中。因子圖神經網絡模型中的每個節點對應一些生物實體，如基因或基因本體術語，使模型具有透明性和可解釋性。

可解釋技術的評估指標

由于解釋者被用來解釋為什么做出了某個決定，而不是描述整個黑盒，所以解釋者本身的保真度存在不確定性。因此，使用正確的度量來評估可解釋性技術的正確性和完整性是至關重要的。此外，XAI[36]的一些評估指標也可以應用到XGNNs 中。本節簡要介紹xgnn解釋的常用評估指標。我們特別關注保真度、稀疏性、準確性、魯棒性和對比度。

討論

本綜述的重點是為可解釋GNN提供一個清晰的分類。通過對可解釋GNN相關文獻的分析，我們總結出以下問題。

如何解釋圖神經網絡? 主要有兩種觀點。

GNN可以被視為一個黑箱，并找到一種獨立的方式來解釋輸入和輸出之間的聯系，如GraphLIME或RelEx。

另一種方法試圖解釋GNN的細節，利用節點和邊本身的信息。

如何將XAI方法擴展到神經網絡圖?有一些研究使用XAI方法來解釋gnn(見第2.2節)。XAI方法包括Saliency Maps、LRP、LIME、Guided BP、Grad-CAM等，具有較好的性能，可以推廣用于解釋GNN。然而，這些方法并不是專門為gnn設計的，需要了解模型的內部參數。

如何找到影響圖神經網絡預測的最重要的子圖結構?正如我們在第3.2節中提到的，有幾種方法可以通過聚焦子圖結構來解釋GNN。例如，GNNExplainer識別出一個緊湊的子圖結構和一個小子集的節點特征，這可能在GNN的預測中發揮關鍵作用。此外，PGMExplainer和GISST通過生成與任何基于圖的任務相關的重要子圖和節點特征子集來生成解釋。然而，這些方法只關注局部信息的子圖結構，而沒有考慮任何全局特征。

如何從全局角度解釋圖神經網絡?相對于通過局部圖結構獲得的分段信息，全局結構往往可以提供更有趣、更完整的信息。例如，PGExplainer專注于解釋完整的圖結構，并提供了GNN所做預測的全局理解。它可以在一組實例上集體解釋GNN的預測，并很容易將學習到的解釋器模型推廣到其他實例。

近幾年來,將深度學習應用到處理和圖結構數據相關的任務中越來越受到人們的關注．圖神經 網絡的出現使其在上述任務中取得了重大突破,比如在社交網絡、自然語言處理、計算機視覺甚至生命 科學等領域得到了非常廣泛的應用．圖神經網絡可以把實際問題看作圖中節點之間的連接和消息傳播 問題,對節點之間的依賴關系進行建模,從而能夠很好地處理圖結構數據．鑒于此,系統綜述了圖神經網絡模型以及應用．首先從譜域、空間域和池化３方面對圖卷積神經網絡進行了闡述．然后,描述了基于注意 力機制和自編碼器的圖神經網絡模型,并補充了一些其他方法實現的圖神經網絡．其次,總結了針對圖 神經網絡能不能做大做深等問題的討論分析．進而,概括了圖神經網絡的４個框架．還詳細說明了在圖 神經網絡在自然語言處理、計算機視覺等方面的應用．最后,對圖神經網絡未來的研究進行了展望和總 結．相較于已有的圖神經網絡綜述文章,詳細闡述了譜理論知識,并對基于譜域的圖卷積神經網絡體系 進行全面總結．同時,給出了針對空間域圖卷積神經網絡效率低的改進模型這一新的分類標準．并總結 了針對圖神經網絡表達能力、理論保障等的討論分析,增加了新的框架模型．在應用部分,闡述了圖神經 網絡的最新應用．

在過去幾年,深度學習已經在人工智能和機器 學習上取得了成功,給社會帶來了巨大的進步．深度 學習的特點是堆積多層的神經網絡層,從而具有更 好的學 習 表 示 能 力．卷 積 神 經 網 絡 (convolutional neuralnetwork,CNN)的飛速發展更是將深度學習 帶上了一個新的臺階[１Ｇ２]．CNN 的平移不變性、局部 性和組合性使其天然適用于處理像圖像這樣的歐氏 結構數據的任務中[３Ｇ４],同時也可以應用于機器學習 的其他各個領域[５Ｇ７]．深度學習的成功一部分源自于 可以從歐氏數據中提取出有效的數據表示,從而對 其進行高效的處理．另一個原因則是得益于 GPU 的 快速發展,使得計算機具有強大的計算和存儲能力, 能夠在大規模的數據集中訓練和學習深度學習模 型．這使得深度學習在自然語言處理[８]、機器視覺[９] 和推薦系統[１０]等領域都表現出了良好的性能．

但是, 現有的神經網絡只能對常規的歐氏結構 數據進行處理．如圖１(a)歐氏數據結構,其特點就是 節點有固定的排列規則和順序,如２維網格和１維 序列．而當前越來越多的實際應用問題必須要考慮 非歐氏數據,如圖１(b)非歐氏數據結構中節點沒有 固定的排列規則和順序,這就使得不能直接將傳統 的深度學習模型遷移到處理非歐氏結構數據的任務 中．如若直接將 CNN 應用到其中,由于非歐氏數據中心節點的鄰居節點數量和排列順序不固定,不滿 足平移不變性,這就很難在非歐氏數據中定義卷積 核．針對圖神經網絡(graphneuralnetwork,GNN) 的研究工作,最開始就是在如何固定鄰居節點數量 以及如何給鄰居節點排序展開的,比如 PATCHYＧ SAN [１１],LGCN [１２],DCNN [１３]方法等．完成上述２項 工作之后,非歐氏結構數據就轉化為歐氏結構數據, 然后就可以利用 CNN 處理．圖是具有點和邊的典型 非歐氏數據,在實際中可以將各種非歐氏數據問題 抽象為圖結構．比如在交通系統中,利用基于圖的學 習模型可以對路況信息進行有效的預測[１４]．在計算 機視覺中,將人與物的交互看作一種圖結構,可以對 其進行有效地識別[１５]。

近期已有一些學者對圖神經網絡及其圖卷積神經網絡分支進行了綜述[１６Ｇ１９]．本文的不同之處在于,首先由于經典模型是很多變體模型的基石,所以給 出了經典模型的理論基礎以及詳細推理步驟．在１．２ 節基于空間方法的圖卷積神經網絡中,多用圖的形 式列出模型的實現過程,使模型更加通俗易懂．文獻 [１６Ｇ１９]并未對目前廣大學者熱點討論的問題進行 總結,所以在第５節針對圖神經網絡的討論部分,首 次列出了目前研究學者對 GNN 的熱點關注問題, 比如其表達能力、過平滑問題等．然后,在第６節中 總結了圖神經網絡新框架．同時,針對圖神經網絡的 應用,在第７節中較全面地介紹了 GNN 的應用場 景．最后,列出了圖神經網絡未來的研究方向．在圖２ 中列出了本文的主體結構．

研究圖神經網絡對推動深度學習的發展以及人 類的進步具有重大意義．首先,現實中越來越多的問 題可以抽象成非歐氏結構數據,由于圖數據的不規 則性,傳統的深度學習模型已經不能處理這種數據, 這就亟需研究設計一種新的深度神經網絡．而 GNN 所處理的數據對象就是具有不規則結構的圖數據,GNN 便在這種大背景下應運而生[２０Ｇ２１]．然后,圖數 據的結構和任務是十分豐富的．這種豐富的結構和 任務也正是和人們生活中要處理的實際問題相貼合 的．比如,圖數據有異質性以及邊的有向連接特性, 這和推薦系統中的場景完全類似．圖數據處理任務 中節點級別、邊級別以及整圖級別也同樣可以應用到深度學習的各個應用場景中．所以,GNN 的研究 為解決生活中的實際問題找到了一種新的方法和途 徑．最后,GNN 的應用領域是十分廣泛的,能夠處理 各種能抽象成圖數據的任務．不管是在傳統的自然 語言處理領域[２２Ｇ２４]或者圖像領域[２５Ｇ２６],還是在新興 的生化領域[２７Ｇ２８],GNN都能表現出強大的性能．

１ 圖卷積神經網絡

CNN 已經在圖像識別、自然語言處理等多個領 域取得了不俗的成績,但其只能高效地處理網格和 序列等這樣規則的歐氏數據．不能有效地處理像社 交多媒體網絡數據、化學成分結構數據、生物蛋白數 據以及知識圖譜數據等圖結構的非歐氏數據．為此, 無數學者經過不懈努力,成功地將 CNN 應用到圖 結構的非歐氏數據上,提出了圖卷積神經網絡(graph convolutionalnetwork,GCN)．GCN 是 GNN 中一 個重要分支,現有的大多數模型基本上都是在此基 礎上變化推導而來．下面我們將按照從基于譜方法、 空間方法和池化３方面對 GCN 進行總結和概括．

2 基于注意力實現的圖神經網絡

注意力機制在處理序列任務已經表現出強大的 能力[６０],比如在機器閱讀和學習 句 子 表 征 的 任 務 中．其強大的優勢在于允許可變大小的輸入,然后利 用注意力機制只關心最重要的部分,最后做出決策處理．一些研究發現,注意力機制可以改進卷積方 法,從而可以構建一個強大的模型,在處理一些任務 時能夠取得更好的性能．為此,文獻[６１]將注意力機 制引入到了圖神經網絡中對鄰居節點聚合的過程 中,提出了圖注意力網絡(graphattentionnetworks, GAT)．在傳統的 GNN 框架中,加入了注意力層,從 而可以學習出各個鄰居節點的不同權重,將其區別對待．進而在聚合鄰居節點的過程中只關注那些作 用比較大的節點,而忽視一些作用較小的節點．GAT 的核心思想是利用神經網絡學習出各個鄰居節點的 權重,然后利用不同權重的鄰居節點更新出中心節 點的表示。

３ 基于自編碼器實現的圖神經網絡

在無監督學習任務中,自編碼器(autoencoder, AE)及其變體扮演者非常重要的角色,它借助于神 經網絡模型實現隱表示學習,具有強大的數據特征 提取能力．AE 通過編碼器和解碼器實現對輸入數 據的有效表示學習,并且學習到的隱表示的維數可 以遠遠小于輸入數據的維數,實現降維的目的．AE 是目前隱表示學習的首選深度學習技術,當我們把 具有某些聯系的原始數據(X１,X２,…,Xn)輸入到 AE中進行重構學習時,可以完成特征提取的任務． 自編碼器的應用場景是非常廣泛的,經常被用于數據去噪、圖像重構以及異常檢測等任務中．除此之 外,當 AE被用于生成與訓練數據類似的數據時, 稱之為生成式模型．由于 AE具有上述優點,一些學 者便將 AE 及其變體模型應用到圖神經網絡當中 來．文 獻 [６９]第 １ 個 提 出 了 基 于 變 分 自 編 碼 器 (variationalautoencoder,VAE)的變分圖自編碼器 模型 (variationalgraphautoencoder,VGAE),將 VAE應用到對圖結構數據的處理上．VGAE利用隱 變量學習出無向圖的可解釋隱表示,使用了圖卷積 網絡編碼器和一個簡單的內積解碼器來實現這個模 型．

4. 未來研究展望 GNN

雖然起步較晚, 但由于其強大的性能, 已經取得了不俗的表現, 并且也在例如計算機視覺和推薦系統等實際應用中發揮著巨大的作用．不難發現, GNN 確實更符合當前實際應用的發展趨勢, 所 以 在 近 幾 年 才 會 得 到 越 來 越 多 人 的 關 注．但 是, GNN 畢竟起步較晚,還沒有時間積累,研究的深度 和領域還不夠寬廣．目前來看,它依然面臨著許多亟 待解決的問題,本節總結了 GNN 以后的研究趨勢．

１) 動態圖．目前,GNN 處理的圖結構基本上都 是靜態圖,涉及動態圖結構的模型較少[１３８Ｇ１３９],處理 動態圖對 GNN 來說是一個不小的挑戰．靜態圖的 圖結構是靜態不變的,而動態圖的頂點和邊是隨機 變化的,甚至會消失,并且有時還沒有任何規律可 循．目前針對 GNN 處理動態圖結構的研究還是比 較少的,還不夠成熟．如果 GNN 能夠成功應用于動 態圖結構上,相信這會使 GNN 的應用領域更加寬 廣．將 GNN 模型成功地推廣到動態圖模型是一個 熱點研究方向．

２) 異質圖．同質圖是指節點和邊只有一種類型, 這種數據處理起來較容易．而異質圖則是指節點和 邊的類型不只一種,同一個節點和不同的節點連接 會表現出不同的屬性,同一條邊和不同的節點連接 也會表現出不同的關系,這種異質圖結構處理起來 就相對復雜．但異質圖卻是和實際問題最為貼切的 場景,比如在社交網絡中,同一個人在不同的社交圈 中可能扮演著父親、老師等不同的角色．對于異質圖 的研究還處在剛起步的階段[１４０Ｇ１４１],模型方法還不 夠完善．所以,處理異質圖也是將來研究的一個熱點．

３) 構建更深的圖神經網絡模型．深度學習的強 大優勢在于能夠形成多層的不同抽象層次的隱表 示,從而才能表現出優于淺層機器學習的強大優勢． 但對于圖深度學習來說,現有的圖神經網絡模型大 多還是只限于淺層的結構．通過實驗發現,當構造多 層的神經網絡時,實驗結果反而變差．這是由過平滑 現象造成的,GNN 的本質是通過聚合鄰居節點信息 來表征中心節點．當構造多層的神經網絡之后,中心 節點和鄰 居 節 點 的 差 異 就 會 變 得 微 乎 其 微,從 而 會導致分類結果變差．如何解決過平滑現象,使圖神 經網絡能夠應用于更多層的結構,從而發揮出深度 學習的強大優勢．雖然已有文獻對其進行了討論[９１], 但構建更深的圖神經網絡模型仍是值得深入研究的 問題．

４) 將圖神經網絡應用到大圖上．隨著互聯網的 普及,圖神經網絡處理的數據也變得越來越大,致使 圖中的節點數量變得巨大,這就給圖神經網絡的計 算帶來了不小的挑戰．雖然一些學者對該問題進行 了研究改進[１４２],但針對將圖神經網絡應用到大圖 上的研究同樣是將來研究的熱點問題,在這方面,引 入摘要數據結構,構造局部圖數據,并能適當地融合 局部圖結構,形成整體圖神經網絡的表示是可能的 思路．

５) 探索圖中更多有用的信息．在當前諸多學者 對于圖神經網絡模型的研究中,僅僅利用了圖中節 點之間有無連接這一拓撲結構信息．但是,圖是一個 非常復雜的數據結構,里面還有很多有用的信息未 被人們發現利用．比如,圖中節點的位置信息．中心 節點的同階鄰居節點處于不同位置,距離中心節點 的遠近不同應該會對中心節點產生的影響程度不 同．如果能夠探索出圖中更多的有用信息,必會將圖 神經網絡的性能提升一個層次,這是一個非常值得 探討的問題．

６) 設計圖神經網絡的數學理論保障體系．任何 神經網絡模型必須有強大的數學理論支撐才能發展 得更快,走得更遠．現在對于圖神經網絡模型的設 計,大多還只是依靠研究者的經驗和基于機理邏輯 設計出來的,并且對于圖神經網絡模型的性能分析 僅僅是從實驗結果中得來,并沒有從數學理論層面 給出 一 個 合 理 的 解 釋．目 前,該 領 域 已 有 一 些 研 究[９０Ｇ９１],但為圖神經網絡設計出強大的數學理論,指 導圖神經網絡的構造、學習和推理過程．能夠給出圖 神經網絡學習結果正確性的數學理論保障,仍是未 來發展的一個重要方向．

7. 圖神經網絡的工業落地．當前對于圖神經網 絡的研究大多還只是停留在理論層面,首先設計出模型,然后在公開數據集上進行測試驗證,鮮有把工 業的實際情況考慮在內．雖然圖神經網絡在工業上 已有一小部分的實際應用,但還遠沒有達到大規模 應用的程度．任何研究只有真正地在工業界落地,才 能發揮它的應用價值,反之也會促進其進一步的研 究發展．盡快將圖神經網絡應用到實際的工業場景 中,是一個亟需解決的問題．

摘要

推薦系統已經被廣泛應用于不同的現實生活場景，幫助我們找到有用的信息。近年來，基于強化學習(RL)的推薦系統已經成為一個新興的研究課題。由于其交互性和自主學習能力，它常常超過傳統的推薦模型，甚至是最基于深度學習的方法。然而，在推薦系統中應用RL還面臨著各種挑戰。為此，我們首先對五種典型推薦場景的RL方法進行了全面的概述、比較和總結，以下是三個主要的RL類別: 價值函數、策略搜索和演員-評論員(Actor-Critic)。然后，在現有文獻的基礎上，系統分析了面臨的挑戰和相應的解決方案。最后，通過對RL研究中存在的問題和局限性的討論，指出了該領域潛在的研究方向。

//arxiv.org/abs/2109.10665

引言

個性化推薦系統能夠提供符合用戶喜好的有趣信息，從而有助于緩解信息過載問題。在過去的二十年中，人們對推薦系統進行了廣泛的研究，開發了許多推薦方法。這些方法通常根據用戶的喜好、商品特征和用戶與商品的交互來進行個性化的推薦。一些推薦方法還利用其他附加信息，如用戶之間的社會關系(例如，社會推薦)、時間數據(例如，順序推薦)和位置感知信息(例如，POI(“興趣點”的縮寫)推薦。

推薦技術通常利用各種信息為用戶提供潛在的項目。在現實場景中，推薦系統根據用戶與商品的交互歷史進行商品推薦，然后接收用戶反饋進行進一步推薦。也就是說，推薦系統的目的是通過交互獲取用戶的偏好，并推薦用戶可能感興趣的項目。為此，早期的推薦研究主要集中在開發基于內容和基于協同過濾的方法[2]，[3]。矩陣分解是傳統推薦方法中最具代表性的方法之一。近年來，由于深度學習的快速發展，各種神經推薦方法被開發出來[4]。然而，現有的推薦方法往往忽略了用戶與推薦模型之間的交互。它們不能有效地捕捉到用戶的及時反饋來更新推薦模型，往往導致推薦結果不理想。

一般來說，推薦任務可以建模為這樣一個交互過程——用戶被推薦一個商品，然后為推薦模型提供反饋(例如，跳過、點擊或購買)。在下一次交互中，推薦模型從用戶的顯式/隱式反饋中學習，并向用戶推薦一個新項目。從用戶的角度來看，高效的交互意味著幫助用戶盡快找到準確的商品。從模型的角度看，有必要在推薦的多輪中平衡新穎性、相關性和多樣性。交互式推薦方法已成功應用于現實世界的推薦任務中。然而，該方法經常遇到一些問題，如冷啟動[5]和數據稀疏[6]，以及挑戰，如可解釋性[7]和安全性[8]。

作為一個機器學習領域，強化學習(RL)專注于智能代理如何與環境交互，提供了潛在的解決方案來模擬用戶和代理之間的交互。最近RL的成功推動了人工智能[9]，[10]的研究。特別是，深度強化學習(DRL)[11]具有強大的表示學習和函數逼近特性，可以解決人工智能的挑戰。它已被應用于各個領域，如游戲[12]，機器人[13]，網絡[14]。近年來，應用RL解決推薦問題已成為推薦研究的一個新趨勢。具體來說，RL使推薦代理能夠不斷地與環境(例如，用戶和/或記錄的數據)交互，以學習最佳推薦策略。在實踐中，基于RL的推薦系統已經被應用到許多特定的場景中，如電子商務[18]、電子學習[19]、電影推薦[20]、音樂推薦[21]、新聞推薦[22]、工作技能推薦[23]、醫療保健[24]、能量優化[25]等。

為促進基于RL的推薦系統的研究，本文總結了現有的推薦問題的相關解決方案，系統分析了在推薦方法中應用RL所面臨的挑戰，并探討了未來潛在的研究方向。本文從理論研究的角度，回顧了已有的研究工作，包括環境構建、先驗知識、獎勵函數定義、學習偏差和任務構建。環境建設可以緩解勘探開發的取舍。先驗知識和獎勵定義是進行推薦決策的關鍵。此外，任務結構化可以很好地解決維度的詛咒。從應用的角度，我們還提供了基于RL的推薦系統的全面調研，分別遵循價值函數、策略搜索和演員評論。值得注意[26]的是還提供了對基于RL和drl的推薦算法的回顧，并在推薦列表、架構、可解釋性和評估方面提出了幾個研究方向。[27]主要從基于模型的方法和無模型的算法兩方面對基于drl的推薦系統進行了概述，并重點介紹了基于drl的推薦中一些有待解決的問題和新興的課題。與[26]和[27]不同的是，我們根據其他分類算法(即價值函數、策略搜索和角色-評論)概述了現有的(D)RL推薦方法，并分析了在推薦系統中應用(D)RL的挑戰。

本工作的主要貢獻如下:

• 我們全面回顧了為五種典型推薦方案開發的RL方法。對于每個推薦場景，我們提供了有代表性的模型的詳細描述，總結了文獻中使用的具體RL算法，并進行了必要的比較。

• 我們系統地分析了在推薦系統中應用RL所面臨的挑戰，包括環境構建、先驗知識、獎勵函數定義、學習偏差和任務構建。

• 我們還討論了RL的開放問題，分析了該領域的實際挑戰，并提出了未來可能的研究和應用方向。

本文的其余部分結構如下。第2節介紹了RL的背景，定義了相關的概念，列出了常用的方法。第三節給出了基于rl的推薦方法的標準定義。第4節全面回顧了為推薦系統開發的RL算法。第五部分討論了在推薦系統中應用RL所面臨的挑戰和相應的解決方案。接下來，第6節討論了基于rl的推薦系統的各種限制和潛在的研究方向。最后，第7節總結了本研究。

近年來，基于圖學習的推薦系統(GLRS)這個新興話題得到了快速發展。GLRS采用高級的圖學習方法來建模用戶的偏好和意圖，以及物品的特征來進行推薦。與其他RS方法(包括基于內容的過濾和協同過濾)不同，GLRS是建立在圖上的，其中重要對象(如用戶、物品和屬性)是顯式或隱式連接的。

隨著圖學習技術的快速發展，探索和開發圖中的同質或異質關系是構建更有效的RS的一個有前途的方向。通過討論如何從基于圖的表示中提取重要的知識，以提高推薦的準確性、可靠性和可解釋性。

首先對GLRS進行了表示和形式化，然后對該研究領域面臨的主要挑戰和主要進展進行了總結和分類。

引言

推薦系統(RS)是人工智能(AI)最流行和最重要的應用之一。它們已被廣泛采用，以幫助許多流行的內容分享和電子商務網站的用戶更容易找到相關的內容、產品或服務。與此同時，圖學習(Graph Learning, GL)是一種新興的人工智能技術，它涉及到應用于圖結構數據的機器學習，近年來發展迅速，顯示出了其強大的能力[Wu et al.， 2021]。事實上，得益于這些學習關系數據的能力，一種基于GL的RS范式，即基于圖學習的推薦系統(GLRS)，在過去幾年中被提出并得到了廣泛的研究[Guo等人，2020]。在本文中，我們對這一新興領域的挑戰和進展進行了系統的回顧。

動機: 為什么要用圖學習RS?

RS中的大部分數據本質上是一個圖結構。在現實世界中，我們身邊的大多數事物都或明或暗地相互聯系著;換句話說，我們生活在一個圖的世界里。這種特征在RS中更加明顯，這里考慮的對象包括用戶、物品、屬性、上下文，這些對象之間緊密相連，通過各種關系相互影響[Hu et al.， 2014]，如圖1所示。在實踐中，RS所使用的數據會產生各種各樣的圖表，這對推薦的質量有很大的幫助。

圖學習具有學習復雜關系的能力。作為最具發展前景的機器學習技術之一，GL在獲取嵌入在不同類型圖中的知識方面顯示出了巨大的潛力。具體來說，許多GL技術，如隨機游走和圖神經網絡，已經被開發出來學習特定類型的關系由圖建模，并被證明是相當有效的[Wu et al.， 2021]。因此，使用GL來建模RS中的各種關系是一個自然和令人信服的選擇。

圖學習如何幫助RS? 到目前為止，還沒有統一的GLRS形式化。我們通常從高層次的角度對GLRS進行形式化。我們用一個RS的數據構造一個圖G = {V, E}，其中對象(如用戶和商品)在V中表示為節點，它們之間的關系(如購買)在E中表示為邊。構建并訓練GLRS模型M(Θ)學習最優模型參數Θ，生成最優推薦結果R。

根據具體的推薦數據和場景，可以以不同的形式定義圖G和推薦目標R，例如，G可以是同質序列或異構網絡，而R可以是對物品的預測評級或排名。目標函數f可以是最大效用[Wang et al.， 2019f]或節點之間形成鏈接的最大概率[Verma et al.， 2019]。

這項工作的主要貢獻總結如下:

? 我們系統地分析了各種GLRS圖所呈現的關鍵挑戰，并從數據驅動的角度對其進行分類，為更好地理解GLRS的重要特征提供了有用的視角。

? 我們通過系統分類較先進的技術文獻，總結了目前GLRS的研究進展。

? 我們分享和討論了一些GLRS開放的研究方向，供社區參考。

圖是連接數據網絡結構的一種常用表示形式。圖數據可以在廣泛的應用領域中找到，如社會系統、生態系統、生物網絡、知識圖譜和信息系統。隨著人工智能技術的不斷滲透發展，圖學習(即對圖進行機器學習)越來越受到研究者和實踐者的關注。圖學習對許多任務都非常有效，如分類，鏈接預測和匹配。圖學習方法通常是利用機器學習算法提取圖的相關特征。在這個綜述中，我們提出了一個關于圖學習最全面的概述。特別關注四類現有的圖學習方法，包括圖信號處理、矩陣分解、隨機游走和深度學習。分別回顧了這些類別下的主要模型和算法。我們研究了諸如文本、圖像、科學、知識圖譜和組合優化等領域的圖學習應用。此外，我們還討論了該領域幾個有前景的研究方向。

真實的智能系統通常依賴于機器學習算法處理各種類型的數據。盡管圖數據無處不在，但由于其固有的復雜性，給機器學習帶來了前所未有的挑戰。與文本、音頻和圖像不同，圖數據嵌入在一個不規則的領域，使得現有機器學習算法的一些基本操作不適用。許多圖學習模型和算法已經被開發出來解決這些挑戰。本文系統地綜述了目前最先進的圖學習方法及其潛在的應用。這篇論文有多種用途。首先，它作為不同領域(如社會計算、信息檢索、計算機視覺、生物信息學、經濟學和電子商務)的研究人員和從業者提供圖學習的快速參考。其次，它提供了對該領域的開放研究領域的見解。第三，它的目的是激發新的研究思路和更多的興趣在圖學習。

圖，又稱網絡，可以從現實世界中豐富的實體之間的各種關系中提取。一些常見的圖表已經被廣泛用于表達不同的關系，如社會網絡、生物網絡、專利網絡、交通網絡、引文網絡和通信網絡[1]-[3]。圖通常由兩個集合定義，即頂點集和邊集。頂點表示圖形中的實體，而邊表示這些實體之間的關系。由于圖學習在數據挖掘、知識發現等領域的廣泛應用，引起了人們的廣泛關注。由于圖利用了頂點[4]，[5]之間的本質和相關關系，在捕獲復雜關系方面，圖學習方法變得越來越流行。例如，在微博網絡中，通過檢測信息級聯，可以跟蹤謠言的傳播軌跡。在生物網絡中，通過推測蛋白質的相互作用可以發現治療疑難疾病的新方法。在交通網絡中，通過分析不同時間戳[6]的共現現象，可以預測人類的移動模式。對這些網絡的有效分析很大程度上取決于網絡的表示方式。

一般來說，圖學習是指對圖進行機器學習。圖學習方法將圖的特征映射到嵌入空間中具有相同維數的特征向量。圖學習模型或算法直接將圖數據轉換為圖學習體系結構的輸出，而不將圖投影到低維空間。由于深度學習技術可以將圖數據編碼并表示為向量，所以大多數圖學習方法都是基于或從深度學習技術推廣而來的。圖學習的輸出向量在連續空間中。圖學習的目標是提取圖的期望特征。因此，圖的表示可以很容易地用于下游任務，如節點分類和鏈接預測，而無需顯式的嵌入過程。因此，圖學習是一種更強大、更有意義的圖分析技術。

在這篇綜述論文中，我們試圖以全面的方式檢驗圖機器學習方法。如圖1所示，我們關注現有以下四類方法:基于圖信號處理(GSP)的方法、基于矩陣分解的方法、基于隨機游走的方法和基于深度學習的方法。大致來說，GSP處理圖的采樣和恢復，并從數據中學習拓撲結構。矩陣分解可分為圖拉普拉斯矩陣分解和頂點接近矩陣分解。基于隨機游動的方法包括基于結構的隨機游動、基于結構和節點信息的隨機游動、異構網絡中的隨機游動和時變網絡中的隨機游動。基于深度學習的方法包括圖卷積網絡、圖注意力網絡、圖自編碼器、圖生成網絡和圖時空網絡。基本上，這些方法/技術的模型架構是不同的。本文對目前最先進的圖學習技術進行了廣泛的回顧。

傳統上，研究人員采用鄰接矩陣來表示一個圖，它只能捕捉相鄰兩個頂點之間的關系。然而，許多復雜和不規則的結構不能被這種簡單的表示捕獲。當我們分析大規模網絡時，傳統的方法在計算上是昂貴的，并且很難在現實應用中實現。因此，有效地表示這些網絡是解決[4]的首要問題。近年來提出的網絡表示學習(NRL)可以學習低維表示[7]-[9]的網絡頂點潛在特征。當新的表示被學習后，可以使用以前的機器學習方法來分析圖數據，并發現數據中隱藏的關系。

當復雜網絡被嵌入到一個潛在的、低維的空間中時，結構信息和頂點屬性可以被保留[4]。因此，網絡的頂點可以用低維向量表示。在以往的機器學習方法中，這些向量可以看作是輸入的特征。圖學習方法為新的表示空間中的圖分析鋪平了道路，許多圖分析任務，如鏈接預測、推薦和分類，都可以有效地解決[10]，[11]。網絡的圖形化表現方式揭示了社會生活的各個方面，如交流模式、社區結構和信息擴散[12]，[13]。根據頂點、邊和子圖的屬性，可以將圖學習任務分為基于頂點、基于邊和基于子圖三類。圖中頂點之間的關系可以用于分類、風險識別、聚類和社區檢測[14]。通過判斷圖中兩個頂點之間的邊的存在，我們可以進行推薦和知識推理。基于子圖[15]的分類，該圖可用于聚合物分類、三維可視化分類等。對于GSP，設計合適的圖形采樣方法以保持原始圖形的特征，從而有效地恢復原始圖形[16]具有重要意義。在存在不完整數據[17]的情況下，可以使用圖恢復方法構造原始圖。然后利用圖學習從圖數據中學習拓撲結構。綜上所述，利用圖學習可以解決傳統的圖分析方法[18]難以解決的以下挑戰。

近年來，人們對學習圖結構數據表示的興趣大增。基于標記數據的可用性，圖表示學習方法一般分為三大類。第一種是網絡嵌入(如淺層圖嵌入或圖自動編碼器)，它側重于學習關系結構的無監督表示。第二種是圖正則化神經網絡，它利用圖來增加半監督學習的正則化目標的神經網絡損失。第三種是圖神經網絡，目的是學習具有任意結構的離散拓撲上的可微函數。然而，盡管這些領域很受歡迎，但在統一這三種范式方面的工作卻少得驚人。在這里，我們的目標是彌合圖神經網絡、網絡嵌入和圖正則化模型之間的差距。我們提出了圖結構數據表示學習方法的一個綜合分類，旨在統一幾個不同的工作主體。具體來說，我們提出了一個圖編碼解碼器模型(GRAPHEDM)，它將目前流行的圖半監督學習算法(如GraphSage、Graph Convolutional Networks、Graph Attention Networks)和圖表示的非監督學習(如DeepWalk、node2vec等)歸納為一個統一的方法。為了說明這種方法的一般性，我們將30多個現有方法放入這個框架中。我們相信，這種統一的觀點既為理解這些方法背后的直覺提供了堅實的基礎，也使該領域的未來研究成為可能。

概述

學習復雜結構化數據的表示是一項具有挑戰性的任務。在過去的十年中，針對特定類型的結構化數據開發了許多成功的模型，包括定義在離散歐幾里德域上的數據。例如，序列數據，如文本或視頻，可以通過遞歸神經網絡建模，它可以捕捉序列信息，產生高效的表示，如機器翻譯和語音識別任務。還有卷積神經網絡(convolutional neural networks, CNNs)，它根據移位不變性等結構先驗參數化神經網絡，在圖像分類或語音識別等模式識別任務中取得了前所未有的表現。這些主要的成功僅限于具有簡單關系結構的特定類型的數據(例如，順序數據或遵循規則模式的數據)。

在許多設置中，數據幾乎不是規則的: 通常會出現復雜的關系結構，從該結構中提取信息是理解對象之間如何交互的關鍵。圖是一種通用的數據結構，它可以表示復雜的關系數據(由節點和邊組成)，并出現在多個領域，如社交網絡、計算化學[41]、生物學[105]、推薦系統[64]、半監督學習[39]等。對于圖結構的數據來說，將CNNs泛化為圖并非易事，定義具有強結構先驗的網絡是一項挑戰，因為結構可以是任意的，并且可以在不同的圖甚至同一圖中的不同節點之間發生顯著變化。特別是，像卷積這樣的操作不能直接應用于不規則的圖域。例如，在圖像中，每個像素具有相同的鄰域結構，允許在圖像中的多個位置應用相同的過濾器權重。然而，在圖中，我們不能定義節點的順序，因為每個節點可能具有不同的鄰域結構(圖1)。此外，歐幾里德卷積強烈依賴于幾何先驗(如移位不變性)，這些先驗不能推廣到非歐幾里德域(如平移可能甚至不能在非歐幾里德域上定義)。

這些挑戰導致了幾何深度學習(GDL)研究的發展，旨在將深度學習技術應用于非歐幾里德數據。特別是，考慮到圖在現實世界應用中的廣泛流行，人們對將機器學習方法應用于圖結構數據的興趣激增。其中，圖表示學習(GRL)方法旨在學習圖結構數據的低維連續向量表示，也稱為嵌入。

廣義上講，GRL可以分為兩類學習問題，非監督GRL和監督(或半監督)GRL。第一個系列的目標是學習保持輸入圖結構的低維歐幾里德表示。第二系列也學習低維歐幾里德表示，但為一個特定的下游預測任務，如節點或圖分類。與非監督設置不同，在非監督設置中輸入通常是圖結構，監督設置中的輸入通常由圖上定義的不同信號組成，通常稱為節點特征。此外，底層的離散圖域可以是固定的，這是直推學習設置(例如，預測一個大型社交網絡中的用戶屬性)，但也可以在歸納性學習設置中發生變化(例如，預測分子屬性，其中每個分子都是一個圖)。最后，請注意，雖然大多數有監督和無監督的方法學習歐幾里德向量空間中的表示，最近有興趣的非歐幾里德表示學習，其目的是學習非歐幾里德嵌入空間，如雙曲空間或球面空間。這項工作的主要動機是使用一個連續的嵌入空間，它類似于它試圖嵌入的輸入數據的底層離散結構(例如，雙曲空間是樹的連續版本[99])。

鑒于圖表示學習領域的發展速度令人印象深刻，我們認為在一個統一的、可理解的框架中總結和描述所有方法是很重要的。本次綜述的目的是為圖結構數據的表示學習方法提供一個統一的視圖，以便更好地理解在深度學習模型中利用圖結構的不同方法。

目前已有大量的圖表示學習綜述。首先，有一些研究覆蓋了淺層網絡嵌入和自動編碼技術，我們參考[18,24,46,51,122]這些方法的詳細概述。其次，Bronstein等人的[15]也給出了非歐幾里德數據(如圖或流形)的深度學習模型的廣泛概述。第三，最近的一些研究[8,116,124,126]涵蓋了將深度學習應用到圖數據的方法，包括圖數據神經網絡。這些調查大多集中在圖形表示學習的一個特定子領域，而沒有在每個子領域之間建立聯系。

在這項工作中，我們擴展了Hamilton等人提出的編碼-解碼器框架，并介紹了一個通用的框架，圖編碼解碼器模型(GRAPHEDM)，它允許我們將現有的工作分為四大類: (i)淺嵌入方法，(ii)自動編碼方法，(iii) 圖正則化方法，和(iv) 圖神經網絡(GNNs)。此外，我們還介紹了一個圖卷積框架(GCF)，專門用于描述基于卷積的GNN，該框架在廣泛的應用中實現了最先進的性能。這使我們能夠分析和比較各種GNN，從在Graph Fourier域中操作的方法到將self-attention作為鄰域聚合函數的方法[111]。我們希望這種近期工作的統一形式將幫助讀者深入了解圖的各種學習方法，從而推斷出相似性、差異性，并指出潛在的擴展和限制。盡管如此，我們對前幾次綜述的貢獻有三個方面

• 我們介紹了一個通用的框架，即GRAPHEDM，來描述一系列廣泛的有監督和無監督的方法，這些方法對圖形結構數據進行操作，即淺層嵌入方法、圖形正則化方法、圖形自動編碼方法和圖形神經網絡。

• 我們的綜述是第一次嘗試從同一角度統一和查看這些不同的工作線，我們提供了一個通用分類(圖3)來理解這些方法之間的差異和相似之處。特別是，這種分類封裝了30多個現有的GRL方法。在一個全面的分類中描述這些方法，可以讓我們了解這些方法究竟有何不同。

• 我們為GRL發布了一個開源庫，其中包括最先進的GRL方法和重要的圖形應用程序，包括節點分類和鏈接預測。我們的實現可以在//github.com/google/gcnn-survey-paper上找到。