最新《图神经网络模型与应用》综述论文

2020 年 8 月 2 日 专知

近年来, 随着海量数据的涌现, 可以表示对象之间复杂关系的图结构数据越来越受到重视并给已有的算法带来了极大的挑战. 图神经网络作为可以揭示深层拓扑信息的模型, 已开始广泛应用于诸多领域,如通信、生命科学和经济金融等. 本文对近几年来提出的图神经网络模型和应用进行综述, 主要分为以下几类:基于空间方法的图神经网络模型、基于谱方法的图神经网络模型和基于生成方法的图神经网络模型等,并提出可供未来进一步研究的问题.

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SSM/50/3/10.1360/N012019-00133?slug=fulltext

图是对对象及其相互关系的一种简洁抽象的直观数学表达. 具有相互关系的数据—图结构数据在众多领域普遍存在, 并得到广泛应用. 随着大量数据的涌现, 传统的图算法在解决一些深层次的重要问题, 如节点分类和链路预测等方面有很大的局限性. 图神经网络模型考虑了输入数据的规模、异质性和深层拓扑信息等, 在挖掘深层次有效拓扑信息、提取数据的关键复杂特征和实现对海量数据的快速处理等方面, 例如, 预测化学分子的特性 [1] 、文本的关系提取 [2,3] 、图形图像的结构推理 [4,5] 、社交网络的链路预测和节点聚类 [6] 、缺失信息的网络补全 [7] 和药物的相互作用预测 [8] , 显示了令人信服的可靠性能.

图神经网络的概念最早于 2005 年由 Gori 等 [9] 提出, 他借鉴神经网络领域的研究成果, 设计了一种用于处理图结构数据的模型. 2009 年, Scarselli 等 [10] 对此模型进行了详细阐述. 此后, 陆续有关于图神经网络的新模型及应用研究被提出. 近年来, 随着对图结构数据研究兴趣的不断增加, 图神经网络研究论文数量呈现出快速上涨的趋势, 图神经网络的研究方向和应用领域都得到了很大的拓展.

目前已有一些文献对图神经网络进行了综述. 文献 [11] 对图结构数据和流形数据领域的深度学习方法进行了综述, 侧重于将所述各种方法置于一个称为几何深度学习的统一框架之内; 文献 [12] 将图神经网络方法分为三类: 半监督学习、无监督学习和最新进展, 并根据发展历史对各种方法进行介绍、分析和对比; 文献 [13] 介绍了图神经网络原始模型、变体和一般框架, 并将图神经网络的应用划分为结构场景、非结构场景和其他场景; 文献 [14] 提出了一种新的图神经网络分类方法, 重点介绍了图卷积网络, 并总结了图神经网络方法在不同学习任务中的开源代码和基准.

本文将对图神经网络模型的理论及应用进行综述, 并讨论未来的方向和挑战性问题. 与其他综述文献的不同之处在于, 我们给出新的分类标准, 并且介绍图神经网络丰富的应用成果. 本文具体结构如下: 首先介绍三类主要的图神经网络模型, 分别是基于空间方法的图神经网络、基于谱方法的图神经网络和基于生成方法的图神经网络等; 然后介绍模型在节点分类、链路预测和图生成等方面的应用; 最后提出未来的研究方向.

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