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圖神經網絡（GNN）在實際應用中往往會受到可用樣本數量太少的限制，而元學習（meta-learning）作為解決機器學習中樣本缺乏問題的重要框架，正逐漸被應用到 GNN 領域以解決該問題。本文梳理近年來在元學習應用于 GNN 的一系列研究進展，我們根據模型的架構、共享的表示和應用的領域對以往工作進行分類，并在最后討論該領域當前有待解決的問題和未來值得關注的研究方向。

圖結構數據（Graph）廣泛存在于現實場景中，例如藥物研究中的藥物分子結構和推薦系統中的用戶商品交互都可以用圖（Graph）表示，而圖數據（Graph）的廣泛存在也促進了圖神經網絡（GNN）的發展。GNN 是專門用于處理圖數據的深度神經網絡，它將圖或圖上的頂點、邊映射到一個低維空間，從而學習得到圖的有效表示，并進一步將其應用于下游任務。近年來，GNN 被廣泛應用于新藥發現、交通預測、推薦系統等各個領域。

盡管 GNN 擁有非常強大的能力，但在實際應用中依然面臨樣本數量有限的挑戰，特別是在推薦系統等真實系統更是要求 GNN 可以在少量樣本可用的情況下適應新問題。而元學習（meta-learning）作為解決深度學習系統中樣本缺乏問題的重要框架，在自然語言處理、機器人技術等多種應用中都取得了成功。因此，如何利用元學習解決 GNN 所面臨的樣本缺乏問題，是研究人員普遍關心的問題。

元學習的主要思想是利用之前的學習經驗來快速適應一個新問題，從而利用很少的樣本就能學習一個有用的算法。具體來講，元學習旨在以先驗的形式學習一個模型，而不是針對所有任務學習一個模型(不能區分任務)或針對每個任務學習單獨的模型(可能對每個任務過擬合)。元學習應用于 Graph 的主要挑戰是如何確定跨任務共享的表示類型，以及怎樣設計有效的訓練策略。近期，研究人員針對不同的應用場景，已經提出了多種元學習方法來訓練 GNN。本文我們就將對元學習在 GNN 上的運用進行全面回顧。

圖神經網絡（GNN）已經成為圖表示學習的事實標準，它通過遞歸地聚集圖鄰域的信息來獲得有效的節點表示。盡管 GNN 可以從頭開始訓練，但近來一些研究表明：對 GNN 進行預訓練以學習可用于下游任務的可遷移知識能夠提升 SOTA 性能。但是，傳統的 GNN 預訓練方法遵循以下兩個步驟：

在大量未標注數據上進行預訓練； 在下游標注數據上進行模型微調。 由于這兩個步驟的優化目標不同，因此二者存在很大的差距。

在本文中，我們分析了預訓練和微調之間的差異，并為了緩解這種分歧，我們提出了一種用于GNNs的自監督預訓練策略L2P-GNN。方法的關鍵是L2P-GNN試圖以可轉移的先驗知識的形式學習如何在預訓練過程中進行微調。為了將局部信息和全局信息都編碼到先驗信息中，我們在節點級和圖級設計了一種雙重自適應機制。最后，我們對不同GNN模型的預訓練進行了系統的實證研究，使用了一個蛋白質數據集和一個文獻引用數據集進行了預訓練。實驗結果表明，L2P-GNN能夠學習有效且可轉移的先驗知識，為后續任務提供好的表示信息。我們在//github.com/rootlu/L2P-GNN公開了模型代碼，同時開源了一個大規模圖數據集，可用于GNN預訓練或圖分類等。

總體來說，本文的貢獻如下：

• 首次探索學習預訓練 GNNs，緩解了預訓練與微調目標之間的差異，并為預訓練 GNN 提供了新的研究思路。
• 針對節點與圖級表示，該研究提出完全自監督的 GNN 預訓練策略。
• 針對預訓練 GNN，該研究建立了一個新型大規模書目圖數據，并且在兩個不同領域的數據集上進行了大量實驗。實驗表明，該研究提出的方法顯著優于 SOTA 方法。

在本章中，我們將關注更復雜的編碼器模型。我們將介紹圖神經網絡(GNN)的形式，它是定義圖數據上的深度神經網絡的一般框架。關鍵思想是，我們想要生成實際上依賴于圖結構的節點的表示，以及我們可能擁有的任何特征信息。在開發復雜的圖結構數據編碼器的主要挑戰是，我們通常的深度學習工具箱不適用。例如，卷積神經網絡(CNNs)只在網格結構的輸入(如圖像)上定義良好，而遞歸神經網絡(RNNs)只在序列(如文本)上定義良好。要在一般圖上定義深度神經網絡，我們需要定義一種新的深度學習架構。

簡介

本文研究如何利用圖生成作為自監督任務來預訓練GNN。我們將圖的生成概率分解成兩個模塊：1）節點特征生成；2）圖結構生成。通過對這兩個模塊建模，GPT-GNN可以捕捉圖任務里特征與結構之間的關聯，從而不需要很多的標注數據就可達到很高的泛化性能。

背景：預訓練

機器學習的成功很大程度上取決于數據。但是，高質量的標記數據通常很昂貴且難以獲得，尤其是對于希望訓練參數較多的模型。而相對應的，我們卻可以很容易地獲取大量的無標記數據，其數量可以是標記數據的數千倍。 例如，在社交網絡上進行異常檢測時，惡意帳戶的標注需要依賴于專家知識，數量較小，而整個網絡的規模卻可以達到十億規模。

為了解決標注數據較少，盡可能利用其無標注數據，一個常規的做法是自監督的預訓練(self-supervisedpre-training)。其目標是設計合理的自監督任務，從而使模型能從無標注數據里學得數據的信息，作為初始化遷移到下游任務中。由于目標任務中很多的知識已經在預訓練中學到，因此通過預訓練，我們只需要非常少量的標注數據，就能得到較好的泛化性能。

在NLP領域，BERT及其變種的取得了巨大的成功，證明了語言模型作為一個自監督任務，可以幫助訓練非常深的Transformer模型，以捕捉語言的底層知識，如語法、句法、詞義等。同樣，在CV領域，最近的工作如SimCLR也顯示出通過對比學習(Contrastive Learning) 對ResNet進行預訓練也可以顯著提升泛化性能。這些成功表明，無標注數據本身包含豐富的語義知識，因此如果通過預訓練可以使模型能捕捉無標注數據的分布，就能作為初始化幫助一系列下游任務。

受到這些工作的啟發，我們思考能否將預訓練的想法運用到圖數據分析中。本工作就致力于預訓練圖神經網絡，以期GNN能夠學習到圖數據的結構和特征信息，從而能幫助標注數據較少的下游任務。

GPT-GNN模型

要在圖數據上做預訓練，第一個問題是：如何設計合適的無監督學習任務？

本工作提出用生成模型來對圖分布進行建模，即逐步預測出一個圖中一個新節點會有哪些特征、會和圖中哪些節點相連。

由于我們想同時捕獲屬性和結構信息，因此需要將每個節點的條件生成概率分解為兩項，特征生成與圖結構生成。對每一個節點，我們會先掩蓋其特征及部分邊，僅提供剩下的部分作為已經觀測到的邊。

在第一步中，我們將通過已經觀測到的邊，預測該節點的特征，

在第二步中，我們將通過已經觀測到的邊，以及預測出的特征，來預測剩下的邊。

我們可以寫出對應的分解表達式。從理論上，這個目標的期望等同于整個圖的生成概率。

為了并行高效地計算每個節點的loss，避免信息泄露（如節點特征預測的時候如何避免看到該節點自己的輸入特征），以及處理大圖和增加負樣本采樣的準確性，我們做了很多的模型設計。詳見文章。

實驗

我們在兩個大規模異構網絡和一個同構網絡上進行了實驗。

第一個異構圖是MicrosoftAcademic Graph（OAG），其中包含超過2億個節點和23億條邊。另一個是AmazonRecommendation數據集。

總體而言，我們提出的GPT-GNN在不同的實驗設定下顯著提高下游任務的性能，平均能達到9.1％的性能提升。

我們還評估了在不同百分比的標記數據下，GPT-GNN是否依然能取得提升。我們可以看到，使用GPT預訓練時，僅使用20％標簽數據的模型性能就會比使用100％數據進行直接監督學習的模型性能更高。這顯示了預訓練的有效性，尤其是在標簽稀缺時。

摘要

圖神經網絡(GNNs)已被證明在建模圖結構的數據方面是強大的。然而，訓練GNN通常需要大量指定任務的標記數據，獲取這些數據的成本往往非常高。減少標記工作的一種有效方法是在未標記數據上預訓練一個具有表達能力的GNN模型，并進行自我監督，然后將學習到的模型遷移到只有少量標記的下游任務中。在本文中，我們提出了GPT-GNN框架，通過生成式預訓練來初始化GNN。GPT-GNN引入了一個自監督屬性圖生成任務來預訓練一個GNN，使其能夠捕獲圖的結構和語義屬性信息。我們將圖生成的概率分解為兩部分:1)屬性生成和2)邊生成。通過對兩個組件進行建模，GPT-GNN捕捉到生成過程中節點屬性與圖結構之間的內在依賴關系。在10億規模的開放學術圖和亞馬遜推薦數據上進行的綜合實驗表明，GPT-GNN在不經過預訓練的情況下，在各種下游任務中的表現顯著優于最先進的GNN模型，最高可達9.1%。

**關鍵詞：**生成式預訓練，圖神經網絡，圖表示學習，神經嵌入，GNN預訓練

【導讀】圖神經網絡依然是研究焦點之一。最近在WWW2020的DL4G@WWW2020論壇，斯坦福大學Jure Leskovec副教授介紹了圖神經網絡研究最新進展，包括GNN表現力、預訓練和公開圖神經網絡基準等。值得關注。

近年來，深度學習領域關于圖神經網絡（Graph Neural Networks，GNN）的研究熱情日益高漲，圖網絡已經成為各大深度學習頂會的研究熱點。GNN 處理非結構化數據時的出色能力使其在網絡數據分析、推薦系統、物理建模、自然語言處理和圖上的組合優化問題方面都取得了新的突破。但是，大部分的圖網絡框架的建立都是基于研究者的先驗或啟發性知識，缺少清晰的理論支撐。

//www.aminer.cn/dl4g_www2020

Jure Leskovec

圖網絡領域的大牛Jure Leskovec，是斯坦福大學計算機學院的副教授，也是圖表示學習方法 node2vec 和 GraphSAGE 作者之一。在谷歌學術搜索（Google Scholar）上，Jure擁有接近4.5萬的論文引用數量，H指數為84。

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