深入理解图注意力机制（Graph Attention Network）

©PaperWeekly 原创 · 作者｜纪厚业

学校｜北京邮电大学博士生

研究方向｜异质图神经网络及其应用

介绍

图神经网络已经成为深度学习领域最炽手可热的方向之一。作为一种代表性的图卷积网络，Graph Attention Network (GAT) 引入了注意力机制来实现更好的邻居聚合。通过学习邻居的权重，GAT 可以实现对邻居的加权聚合。因此，GAT 不仅对于噪音邻居较为鲁棒，注意力机制也赋予了模型一定的可解释性。

下图概述了 Graph Attention Network 主要做的事情。

针对节点 和节点 ， GAT 首先学习了他们之间的注意力权重 （如左图所示）；然后，基于注意力权重 来对节点 的表示 加权平均，进而得到节点  的表示 。

深入理解图注意力机制

2.1 非对称的注意权重

首先，介绍下如何学习节点对 之间的注意力值 。很明显，为了计算 ，注意力网络 需要同时考虑两个节点的影响，如下式：

其中， 分别是节点 和 的表示， 是一个投影矩阵。

注意力网络可以有很多的设计方式，这里作者将节点 和 的表示进行了拼接，再映射为一个标量。需要注意，这里拼接导致 ，也就是说注意力值 是非对称的。

除了拼接操作以外，聚合邻居信息时，需要对每个节点的所有邻居的注意力进行归一化。归一化之后的注意力权重 才是真正的聚合系数。

这里的归一化进一步导致了注意力权重的非对称性。因为在归一化的过程中，每个节点的归一化对象并不一样。 是针对节点 的所有邻居进行归一化，而 是针对节点 的所有邻居进行归一化。

综上，在求解注意力权重 的过程中，分子和分母都是非对称的，进而 也是非对称的。

这种非对称性在图数据上有什么用呢？一个简单的例子：在社交网络中，有一个大 V 和一个普通用户互相关注。但是，大 V 对于普通用户的重要性和普通用户对大 V 的重要性明显是不一样的。

完整的图注意力公式如下：

也有文章 18 ArXiv Attention-based Graph Neural Network for Semi-supervised Learning (AGNN) 尝试为节点对 设计对称的注意力机制，如下式的 ：

这里， ，所以 。相对于拼接得到的 ，基于节点对 的相似性得到的 也更加直观。

2.2 可有可无的 LeakyRelu?

在求 公式中，有一个非常醒目的 LeakyReLU 激活函数。其实在最初的 GAT 论文中是没有这个激活函数的。那这里作者为什么突然要加上一个激活函数呢？

我们先拿掉 LeakyReLU，再看一下公式中最核心的一项：

假设注意力向量 是由两个向量拼接而成，即： ，那么：

如果在没有 LeakyReLU 的时候对邻居进行归一化：

也就是说，分子分母同时约去了节点 的信息， 实际变成了 。这时，节点对 之间的注意力权重实际没有考虑节点 的表示。

如果加上激活函数 （也就是 LeakyReLU），那么：

后面的归一化就不会约去节点 的信息。

这里对原始 GAT 论文中的公式进行了展开解读，一是为了更深入的理解图注意力机制，二是后面的代码解读需要用到这种展开。

2.3 Transformer Vs GAT

NLP 中大火的 Transformer 和 GAT 本质在做一样的事情。Transformer 利用 self-attention 机制将输入中的每个单词用其上下文的加权来表示，而 GAT 是利用 self-attention 机制将每个节点用其邻居的加权来表示。下面是经典的 Transformer 公式：

这里的 是一个单词的三种描述， 其中， 是当单词作为上下文的中心位置时的表示， 是当单词作为上下文时的表示， 是当单词作为加权输入时的表示。

因此， 其实代表了单词之间的相似性，在经过 softmax 归一化之后就可以得到注意力权重。有了注意力权重，我们再对上下文单词的表示进行加权，就可以得到单词的表示了。

上述过程和 GAT 的核心思想非常相似：都是通过探索输入之间的关联性（注意力权重），通过对上下文信息（句子上下文/节点邻居）进行聚合，来获得各个输入（单词/节点）的表示。

Transformer 和 GAT 的主要区别是:

• 在 GAT 中，作者对自注意力进行了简化。每个节点无论是作为中心节点/上下文/聚合输出，都只用一种表示 。也就是说，在 GAT 中， 。

• 在图上，节点的邻居是一个集合，具有不变性。Transformer 将文本隐式的建图过程中丢失了单词之间的位置关系，这对 NLP 的一些任务是很致命的。为了补偿这种建图损失的位置关系，Transformer 用了额外了的位置编码来描述位置信息。

核心代码解读

Graph Attention Network 的作者开源了代码：

https://github.com/PetarV-/GAT

但是，这份代码对于初学者来说较难理解。这里对 GAT 的核心代码进行简要的解读和介绍。

作者在 GAT/utils/layers.py 中的 attn_head 实现了 GAT 核心模块：注意力机制。

def attn_head(seq, out_sz, bias_mat,
              activation, in_drop=0.0, coef_drop=0.0, residual=False):

这里有 3 个比较核心的参数：

• seq 指的是输入的节点特征矩阵，大小为 [num_graph, num_node, fea_size]

• out_sz 指的是变换后的节点特征维度，也就是 后的节点表示维度。

• bias_mat 是经过变换后的邻接矩阵，大小为 [num_node, num_node]。

作者首先将原始节点特征 seq 进行变换得到了 seq_fts。这里，作者使用卷积核大小为 1 的 1D 卷积模拟投影变换，投影变换后的维度为 out_sz。注意，这里投影矩阵 是所有节点共享，所以 1D 卷积中的多个卷积核也是共享的。

seq_fts = tf.layers.conv1d(seq, out_sz, 1, use_bias=False)

也就是说，seq_fts 的大小为 [num_graph, num_node, out_sz]。

回顾前面的公式展开 ， 和 也可以认为是投影变换，只不过投影到 1 维表示。注意，这里节点及其邻居的投影是分开的，有两套投影参数 ，对应下面两个 conv1d 中的参数。

f_1 = tf.layers.conv1d(seq_fts, 1, 1)
f_2 = tf.layers.conv1d(seq_fts, 1, 1)

经过 tf.layers.conv1d(seq_fts, 1, 1) 之后的 f_1 和 f_2 维度均为 [num_graph, num_node, 1]。

将 f_2 转置之后与 f_1 叠加，通过广播得到的大小为 [num_graph, num_node, num_node] 的 logits，就是一个注意力矩阵：

按照 GAT 的公式，我们只要对 logits 进行 softmax 归一化就可以拿到注意力权重 ，也就是代码里的 coefs。但是，这里为什么会多一项 bias_mat 呢？

coefs = tf.nn.softmax(tf.nn.leaky_relu(logits) + bias_mat)

因为的 logits 存储了任意两个节点之间的注意力值，但是，归一化只需要对每个节点的所有邻居的注意力进行（下式标红的部分）。所以，引入了 bias_mat 就是将 softmax 的归一化对象约束在每个节点的邻居上，如下式的红色部分。

那么，bias_mat 是如何实现的呢？直接的想法就是只含有 0，1 的邻接矩阵与注意力矩阵相乘，从而对邻居进行 mask。但是，直接用 0，1mask 会有问题。

假设注意力权值 [1.2, 0.3, 2.4] 经过 [0,1,1] 的乘法 mask 得到 [0, 0.3, 2.4]，再送入到 softmax 归一化，实际上变为 ，这里本应该被 mask 掉的 1.2 变成了 =1，还是参与到了归一化的过程中。

作者这里用一个很大的负数，如 ，将原始邻居矩阵进行下面的变换， 见 utils/process.py/adj_to_bias。

def adj_to_bias(adj, sizes, nhood=1):
       ...
   ...
   return -1e9 * (1.0 - mt)

然后，将 bias_mat 和注意力矩阵相加，进而将非节点邻居进行 mask。

例如，[1.2, 0.3, 2.4] 经过  的加法 mask 得到 。这样 softmax 就达到了我们的目的。

因为 较大的负数 。最后，将 mask 之后的注意力矩阵 coefs 与变换后的特征矩阵 seq_fts 相乘，即可得到更新后的节点表示 vals。

vals = tf.matmul(coefs, seq_fts)

总结

Graph Attention Network 作为首次将图注意力机制引入到图神经网络中的工作，已经在很多领域得到了广泛应用。受益于注意力机制，GAT 能够过滤噪音邻居，提升模型表现并可以对结果实现一定的解释。

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