图神经网络GNN简介

如果对图的基础知识，以及对图神经网络要解决的任务还不太熟悉，可以通过 A Gentle Introduction to Graph Neural Networks快速入门。

接下来推荐两篇GNN综述性的文章：A Comprehensive Survey on Graph NeuralNetworks以及Graph neural networks: A review of methods and applications。

下图是第2个综述里提到的ConvGNN的分类，即基于spectral-based 方法和基于spatial-based的方法。spectral-based(谱)方法，如果对谱聚类之类比较熟悉的话会容易上手点。

1.DL库及数据集

1.1 GNN通用DL库

pyg和dgl是比较火的两个图神经网络仓库。

但是用起来也有缺陷，比如使用比较流行的图数据集很方便，但是如果要自定义数据集，那就要对其数据集构建风格足够了解。因此对要使用新数据集的初学者并不是很友好。

1.2 图数据集

• Graph Classification常用数据集

2. GCN

graph-convolutional-networks-gcn这个网页介绍的GCN很不错，下图主要来自这里。

另外也可以参阅GCN直观解析及代码实现。

这里我总结了一份GCN 图分类的代码，如果图nodes、features个数相同，邻接矩阵一致，可以直接支持batch操作。

3. GAT

Github：gordicaleksa/pytorch-GAT，是一份比较流行的GAT仓库，它关于cora数据集可视化的部分也是很精彩的。仓库中给出了GAT的3个实施例。

正如代码中所说，实施例1和2几乎一致且比较易懂，而且参考了官方实现；实施例3比较难懂但是效率高。

I've added 3 GAT implementations - some are conceptually easier to understand some are more efficient.
The most interesting and hardest one to understand is implementation #3.
Imp1 and imp2 differ in subtle details but are basically the same thing.
Implementation2 was inspired by the official GAT implementation: https://github.com/PetarV-/GAT
1
2
3
4

因此，对于初学者，接受起来有点困难，不太推荐。

这里推荐Diego999/pyGAT这个github，针对的数据集也是Cora，而且也不支持batch操作。如果要应用于图分类，还要改造下。

3.1 GAT注意力机制

结合Diego999/pyGAT代码，以及原论文，将GAT注意力机制的过程更清晰总结下，主要分为两步：

• 各head attention：利用左图的过程，获取带mask(忽略无连接边的node)的self-attention系数；
• multi-head attention:在各head-attention基础上进行concat/avg等操作，最后通过非线性层输出。

4. GIN

GIN(Graph Isomorphism Network)模型出自ICLR 2019论文HOW POWERFUL ARE GRAPH NEURAL NETWORKS?，对比了GIN与其他GNN模型在多个图分类数据集上的效果。

对应github/powerful-gnns也是比较友好的，同时支持batch训练、测试。参照其代码中构建图数据集的方法，也是不错的。

参考文献

[1] ★★★★A Comprehensive Survey on Graph NeuralNetworks
[2] GCN pytotch 实现：graph intro ai summer.ipynb
[3] ★★★★Best Graph Neural Network architectures: GCN, GAT, MPNN and more
[4] HOW POWERFUL ARE GRAPH NEURAL NETWORKS?
[5] Deep Graph Convolutional Neural Network (DGCNN)
[6] ★★★★Graph neural networks: A review of methods and applications
[7] book:Deep Learning on Graphs
[8] A Comprehensive Introduction to Graph Neural Networks (GNNs)
[9] A Gentle Introduction to Graph Neural Networks
[10] Keyulu Xu slides: Modeling Intelligence via Graph Neural Networks
[11] ★★★★★Understanding Convolutions on Graphs
[12] ★★★Yao Ma Slides:Graph Neural Networks: Models and Applications
[13] datacamp:simple GNN demo using torch_geometric