通過噪聲遮掩實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的深度圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

Yuxuan Liang, Wentao Zhang, Zeang Sheng, Ling Yang, Quanqing Xu, Jiawei Jiang, Yunhai Tong, Bin Cui

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2412.14602

背景和挑戰(zhàn)：

圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (GNN) 在圖表示學(xué)習(xí)方面取得了巨大成功。但由于訓(xùn)練期間重復(fù)特征傳播的計(jì)算和存儲(chǔ)成本很高，因此將其擴(kuò)展到大型圖具有挑戰(zhàn)性。

為了解決可擴(kuò)展性問題，模型簡化GNN作為可擴(kuò)展性能的一個(gè)有前途的方向，最近引起了人們的極大興趣。最具代表性的工作是SGC，并以此衍生一系列模型簡化GNN比如SIGN，S2GC, GBP, GAMLP等。

盡管現(xiàn)有的模型簡化 GNN 具有較好的可擴(kuò)展性和預(yù)測性能，但它們?nèi)匀幻媾R以下兩個(gè)限制：（1）帶有噪聲信息的傳播；（2）具有高預(yù)處理開銷的傳播。這兩個(gè)限制阻礙了模型簡化 GNN進(jìn)一步加深。

研究動(dòng)機(jī)：

在本節(jié)中，我們將深入分析模型簡化 GNN 中存在的兩個(gè)局限性，然后提供我們的見解來幫助我們?cè)O(shè)計(jì) RMask 的架構(gòu)。

圖1. 實(shí)驗(yàn)觀察和見解

（1）帶有噪聲信息的傳播：

我們?cè)贑ora數(shù)據(jù)集上隨機(jī)選擇 10 個(gè)節(jié)點(diǎn)，并通過 L2 歸一化P傳播觀察每跳的平均權(quán)重。

如圖1a所示，權(quán)重較高的節(jié)點(diǎn)經(jīng)常在較低的跳數(shù)內(nèi)被捕獲，而有價(jià)值信息的較高跳數(shù)的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)偷臋?quán)重。這種現(xiàn)象阻礙了對(duì)高跳信息的捕獲。

為了進(jìn)一步解釋，我們從目標(biāo)節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行 2 跳傳播。如圖1c所示，2跳捕獲的信息不僅包括當(dāng)前跳，還包括2跳冗余信息，由于這些信息在1跳內(nèi)已經(jīng)可以捕獲，我們將其稱為噪聲信息。隨著傳播深度的增加，高跳捕獲的節(jié)點(diǎn)包含大量低跳噪聲信息，難以區(qū)分高跳和低跳信息，加劇了過平滑問題。為了進(jìn)一步研究噪聲信息對(duì)過平滑的影響，我們?cè)黾犹鴶?shù)，并使用SIGN模型測量噪聲信息和圖平滑度GSL的比例。如圖1b所示，隨著跳數(shù)的增加，GSL呈爆炸式增長，噪聲信息也不斷增長。7跳后捕獲的信息完全是冗余的。

基于此，我們重新實(shí)現(xiàn)了帶噪聲掩蔽的SIGN。如圖1d所示，節(jié)點(diǎn)不僅可以捕獲高跳的有效信息，還可以消除過度平滑問題，如圖1e所示。隨著跳數(shù)的增加，準(zhǔn)確率和平滑度趨于平穩(wěn)。

(2) 具有高預(yù)處理開銷的傳播:

此外，這種傳播方法會(huì)導(dǎo)致顯著的預(yù)處理開銷。圖1f 的上部說明了當(dāng)前模型簡化 GNN 采用的統(tǒng)一預(yù)處理過程。首先，預(yù)處理的時(shí)間復(fù)雜度與邊的數(shù)量線性相關(guān)。每一跳都會(huì)從所有先前的跳數(shù)中捕獲大量的圖結(jié)構(gòu)信息，從而產(chǎn)生高密集計(jì)算開銷。其次，這種方法依賴于不同跳躍之間信息的相互依賴性，只能串行執(zhí)行。與昂貴的預(yù)處理開銷相比，模型簡化 GNN 通常使用簡單的模型進(jìn)行快速訓(xùn)練。由于上述原因，預(yù)處理開銷構(gòu)成了端到端訓(xùn)練時(shí)間的大部分。如圖1f下半部分所示，為了減少預(yù)處理的高開銷，我們需要一種稀疏和并行的方法來有效地捕獲每一跳的重要信息。

方法：

圖2. Rmask架構(gòu)

RMask執(zhí)行流程：

給定指定的跳躍數(shù)和圖結(jié)構(gòu)，我們首先根據(jù)圖結(jié)構(gòu)對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行帶有屏蔽機(jī)制的隨機(jī)游走。然后聚合捕獲的圖結(jié)構(gòu)信息和特征以獲得不同跳躍的結(jié)果。

此外，通過這種方式得到的特征傳播結(jié)果可以直接替代其他模型簡化GNN（如 S2GC、GBP、SIGN、GAMLP 等）中的P操作。同時(shí)，我們保留了現(xiàn)有模型簡化 GNN 在特征組合和模型選擇方面的優(yōu)勢(shì)。

噪聲掩碼機(jī)制：

噪聲掩碼機(jī)制由兩個(gè)部分組成：噪聲信息識(shí)別和鄰居節(jié)點(diǎn)重要性分配。

第一個(gè)組件識(shí)別每一跳中的噪聲信息，并使用隨機(jī)游走有效地捕獲非冗余的圖結(jié)構(gòu)信息。第二個(gè)組件為每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)分配重要性權(quán)重，以幫助隨機(jī)游走捕獲更重要的信息。

（1）噪聲信息識(shí)別:

考慮到噪聲的影響，高跳數(shù)通常包含來自低跳數(shù)的冗余信息。因此，我們需要遍歷整個(gè)圖來識(shí)別每一跳的噪聲信息?；趯?duì)高h(yuǎn)op噪聲信息的觀察，我們使用去噪矩陣來記錄噪聲信息：

采用去噪矩陣使我們能夠在確保低過平滑度級(jí)別的同時(shí)，從每一跳中提取有用信息。然后，對(duì)于每一跳，我們使用隨機(jī)游走函數(shù)（RW）來捕獲當(dāng)前跳的圖結(jié)構(gòu)信息，然后結(jié)合去噪矩陣從每一跳中提取有用的信息：

其中T是隨機(jī)游走的次數(shù)。通過控制T，我們?cè)跍?zhǔn)確性和效率之間取得了良好的平衡，使其可以支持大規(guī)模圖的處理。

（2）鄰居節(jié)點(diǎn)重要性分配:

為了進(jìn)一步提升預(yù)測精度，我們采用基于相鄰節(jié)點(diǎn)重要性的偏置隨機(jī)游走。使用PageRank來獲取相鄰節(jié)點(diǎn)重要性：

其中S是重要性矩陣。通過為圖中的每個(gè)邊分配重要性權(quán)重，可以引導(dǎo)隨機(jī)游動(dòng)的方向，從而捕獲更重要的去噪信息。具體算法如表1所示：

表1. Rmask算法概述

實(shí)驗(yàn)效果：

實(shí)驗(yàn)主要包含以下四個(gè)方面：(1)與最先進(jìn)的模型簡化方法進(jìn)行端到端比較 ；(2)分析更深層架構(gòu)的能力 ；(3)分析效率和準(zhǔn)確性之間的權(quán)衡 ；(4)分析效率。

（1）與最先進(jìn)的模型簡化方法進(jìn)行端到端比較：如表2所示，集成RMask 后，SIGN、S2GC、GBP 和 GAMLP 在所有六個(gè)數(shù)據(jù)集上均實(shí)現(xiàn)了比其各自原始版本更好的性能。

表2. 節(jié)點(diǎn)分類預(yù)測任務(wù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（2）更深層架構(gòu)的能力：如圖3所示，集成Rmask的模型簡化方法可以更有效地利用深層信息，從而提高準(zhǔn)確性。

圖3. 隨著跳數(shù)增加，性能變化的趨勢(shì)

（3）分析效率和準(zhǔn)確性之間的權(quán)衡：如圖4（a）所示，使用 RMaska 插件模塊可以在效率和準(zhǔn)確性之間進(jìn)行良好的權(quán)衡。

（4）效率實(shí)驗(yàn)：如圖4（b）(c)所示，在所有數(shù)據(jù)集中，我們的方法成功地減少了端到端訓(xùn)練中預(yù)處理開銷的比例，并且獲得了2.9X以上的提速。

圖4. （a）ogbn-product上效率和準(zhǔn)確性之間的權(quán)衡。（b）時(shí)間開銷分析。（c）加速分析。

總結(jié)：

本文介紹了 RMask，這是一個(gè)即插即用的模塊，旨在增強(qiáng)現(xiàn)有的模型簡化 GNN 在更高速度下探索更深層次的圖形結(jié)構(gòu)的能力。作為插件方法， RMask可以與大多數(shù)模型簡化GNN無縫集成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RMask有效地提高了模型簡化GNN的準(zhǔn)確性和效率。

實(shí)驗(yàn)室簡介

北京大學(xué)數(shù)據(jù)與智能實(shí)驗(yàn)室（Data And Intelligence Research Lab at Peking Univeristy，PKU-DAIR實(shí)驗(yàn)室）由北京大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院崔斌教授領(lǐng)導(dǎo)，長期從事數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)管理與分析、人工智能等領(lǐng)域的前沿研究，在理論和技術(shù)創(chuàng)新以及系統(tǒng)研發(fā)上取得多項(xiàng)成果，已在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議和期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，發(fā)布多個(gè)開源項(xiàng)目。課題組同學(xué)曾數(shù)十次獲得包括CCF優(yōu)博、ACM中國優(yōu)博、北大優(yōu)博、微軟學(xué)者、蘋果獎(jiǎng)學(xué)金、谷歌獎(jiǎng)學(xué)金等榮譽(yù)。PKU-DAIR實(shí)驗(yàn)室持續(xù)與工業(yè)界展開卓有成效的合作，與騰訊、阿里巴巴、蘋果、微軟、百度、快手、中興通訊等多家知名企業(yè)開展項(xiàng)目合作和前沿探索，解決實(shí)際問題，進(jìn)行科研成果的轉(zhuǎn)化落地。