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。
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相關內容
遷移學習技術在難以獲得大量高質量注釋數據的NLP任務中特別有用。目前的方法在對下游任務進行微調之前，直接對域內文本采用預先訓練好的語言模型(LM)。我們展示了使用特定于領域的術語擴展LM的詞匯表會帶來進一步的收獲。在更大的效果上，我們利用未標記數據中的結構創建輔助合成任務，這有助于LM向下游任務轉移。在事先訓練好的Roberta-large LM系統上逐步應用這些方法，并在IT領域的三個任務上顯示出可觀的性能提升:閱讀理解、文檔排序和重復問題檢測。
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圖表示學習
近年來，圖神經網絡(GNNs)在結構化數據建模方面取得了巨大的成功。然而，大多數GNN是為同構網絡設計的，即所有節點或邊具有相同的特征空間和表示分布。這使得它們無法代表真實世界中不斷演化的異構圖，如知識圖譜、物聯網圖、領英經濟圖、開放學術圖和Facebook實體圖。在這次演講中，我將介紹圖神經網絡架構，它可以建模十億年規模的異構圖形與動態。重點將是我們如何設計圖注意力和相對時間編碼機制，以捕獲真實圖異構和動態性質。接下來，我將進一步討論為一般的圖挖掘任務預先訓練這類GNN的策略。最后，為了處理web規模的數據，我將介紹一種異構的小型批處理圖采樣算法，該算法帶有一個歸納的時間戳分配方法，用于高效和可擴展的訓練。大量的實驗顯示了在實踐中對網絡規模圖進行預訓練的GNNs的前景。
//ericdongyx.github.io/papers/slides-Graph-Rep-Learning-GNN-PreTraining-at-CCF-BAAI-2020.pdf
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圖神經網絡
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圖神經網絡在處理基于圖數據問題方面取得了巨大的成功，受到了廣泛的關注和應用。GNNs通常是基于消息傳遞的方式設計的，本質思想即迭代地聚合鄰居信息，而經過次的迭代后， 層GNNs能夠捕獲節點的K-hop局部結構，學習來自跳鄰居的信息。因此更深層的GNN就能夠訪問更多的鄰居信息，學習與建模遠距離的節點關系，從而獲得更好的表達能力與性能。而在實際在做深層GNN操作時，往往會面臨著兩類問題：1. 隨著層數的增加，GNNs的性能會大幅下降；2. 隨著層數的增加，利用GNNs進行訓練與推斷時需要的計算量會指數上升。對于第一個問題來說，現有的很多工作分析出深層GNNs性能下降的原因是受到了過平滑問題的影響，并提出了緩解過平滑的解決方案；而對于第二個問題來說，設計方案模擬深層GNNs的表現能力并減少GNNs的計算消耗也成了亟待解決的需求，比如用于實時系統的推斷。針對這兩個問題，本文將分別介紹兩個在KDD 2020上的關于深度GNNs的最新工作。
第一個工作是Research Track的《Towards Deeper Graph Neural Networks》。該工作從另一個角度去解讀深度圖神經網絡隨著層數增加性能下降的問題，認為影響性能下降的主要原因是Transformation和Propagation兩個過程的糾纏影響作用，并且基于分析結果設計了深度自適應圖神經網絡（Deep Adaptive Graph Neural Networks) 模型，能夠有效地緩解深層模型的性能快速下降問題。
第二個工作是Research Track的《TinyGNN: Learning E?icient Graph Neural Networks》。該工作嘗試訓練small GNN(淺層)去模擬Deep GNN(深層)的表達能力和表現效果，致力于應用在實時系統推斷等對推斷速度有較高要求的場景。
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UniLMv2：統一預訓練偽掩碼語言模型
UniLMv2: Pseudo-Masked Language Models for Unified Language Model Pre-Training
論文鏈接：//www.zhuanzhi.ai/paper/a6628400809ab320e597b1d4d1fca177
基于大規模語料的預訓練語言模型在各種自然語言處理任務帶來了巨大的提升。受UniLMv1 ([NeurIPS-19]Unified Language Model Pre-training for Natural Language Understanding and Generation)的啟發，本篇論文提出“偽掩碼語言模型”（PMLM），可以同時對兩種不同的語言建模目標進行高效訓練，從而使其更好地適用于語言理解（如文本分類、自動問答）和語言生成（如文本摘要、問題生成）任務。
我們將語言模型預訓練目標分為三類。第一類依賴于自編碼語言建模（Autoencoding, AE）。例如在 BERT 中使用的掩碼語言建模（MLM）隨機的在文本序列中遮蓋一部分單詞，在 Transformer 的雙向編碼結果之上，對每個被遮蓋的單詞進行分別還原。第二類方法基于自回歸建模（Autoregressive, AR）。不同于 AE，目標單詞被依次預測，且依賴于先前的結果。第三類是我們提出的半自回歸語言建模（Partially Autoregressive, PAR），對短語級別進行依賴建模，從而避免了 AR可能帶來的過度局部依賴問題。
偽掩碼語言模型（PMLM）
在新提出的偽掩碼語言模型（PMLM）中，我們對 AE 以及 PAR 這兩個語言建模目標進行了融合。在共享模型參數的基礎上，盡可能對上下文的編碼結果進行了復用，以達到高效訓練的目的。通過構造合理的自注意力模型掩碼與位置編碼，PMLM 可以在一次計算中同時對兩種語言建模任務進行訓練，且無需進行上下文編碼的冗余計算。
在自動問答、復述判別、情感分類、文本摘要、問題生成等一系列任務上的測評，說明了這一方法的有效性。
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圖神經網絡(GNN)已經在許多具有挑戰性的應用中展示了優越的性能，包括小樣本學習任務。盡管GNN具有強大的從少量樣本中學習和歸納的能力，但隨著模型的深入，GNN通常會出現嚴重的過擬合和過平滑問題，這限制了模型的可擴展性。在這項工作中，我們提出了一個新的注意力GNN來解決這些挑戰，通過合并三重注意機制，即節點自我注意，鄰居注意和層記憶注意力。我們通過理論分析和實例說明了所提出的注意模塊可以改善小樣本學習的GNN的原因。廣泛的實驗表明，在mini-ImageNet 和Tiered-ImageNet數據集上，通過誘導和直推設置，提出的注意力GNN在小樣本學習方面優于基于最先進的GNN方法。
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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
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圖表示學習已經成為解決現實問題的一種強大的技術。節點分類、相似度搜索、圖分類和鏈接預測等各種下游圖學習任務都受益于它的最新發展。然而，現有的圖表示學習技術側重于特定領域的問題，并為每個圖訓練專用的模型，這些模型通常不能轉移到域外數據。受最近自然語言處理和計算機視覺的預訓練進展的啟發，我們設計了圖對比編碼(GCC)——一種無監督圖表示學習框架——來捕獲跨多個網絡的通用網絡拓撲屬性。我們將GCC的預訓練任務設計為網絡中或跨網絡的子圖級實例識別，并利用對比學習來授權模型學習內在的和可轉移的結構表示。我們對三個圖學習任務和十個圖數據集進行了廣泛的實驗。結果表明，在一組不同的數據集上進行預訓練的GCC可以取得與任務相關的從零開始訓練的GCC具有競爭力或更好的性能。這表明，預訓練和微調范式為圖表示學習提供了巨大的潛力。
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