[DIFFPOOL] - Hierarchical Graph Representation Learning with Differentiable Pooling 图分类 NeurIPS 2018

论文：Hierarchical Graph Representation Learning with Differentiable Pooling
可微pooling的层级图表示学习

作者：Rex Ying, Jiaxuan You, Christopher Morris, Xiang Ren, William L. Hamilton, Jure Leskovec
斯坦福大学、南加州大学、德国多特蒙德工业大学

来源：NeurIPS 2018

论文链接：
Arxiv: https://arxiv.org/abs/1806.08804

github链接：https://github.com/RexYing/diffpool

Pyg pooling层实现：https://pytorch-geometric.readthedocs.io/en/latest/modules/nn.html#torch_geometric.nn.dense.diff_pool.dense_diff_pool

介绍视频：
Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=tvbxKcy9brE&feature=youtu.be
优酷：https://v.youku.com/v_show/id_XNDEwNTYwNDUyMA==.html?spm=a2hzp.8244740.0.0

图神经网络(GNNs)通过有效地学习节点embeddings，对图表示学习领域有了彻底的革新，并在节点分类和链接预测等任务中取得了最新的成果。然而，当前的GNN图分类方法本质上是平面（flat）的，不能学习图形的层次表示。文中提出了DIFFPOOL模型，这是一个可微的图pooling模块，它可以生成图的层次表示，并可以以端到端的方式与各种图神经网络架构相结合。DIFFPOOL为深度GNN的每一层的节点学习可微分的cluster assignment，将节点映射到一组cluster，然后形成下一个GNN层的粗糙化输入（coarsened input）。实验结果表明，与所有现有的pooling方法相比，将现有的GNN方法与DIFFPOOL相结合，在图形分类benchmarks上的平均准确率可提高5-10%，在5个benchmark数据集中有4个达到了state-of-the-art的水平。

1 相关介绍

相关概念

文中涉及到一些比较术语的词汇，因此先解释一下个人理解的意思：

• hard assignment：每个数据点都归到一个类别(i.e. cluster)。
• soft assignment：把数据点归到不同的类，分到每个类有不同的概率。
• assignment：文中涉及的assignment就是把节点分类、归类的意思。
• assignment matrix：$S^{(l)}\in {\mathbb{R}}^{n_l\times n_{l+1}}$，$n_l$表示在第$l$层的节点数，$n_{l+1}$表示在第$l+1$层的节点数，$n_l<n_{l+1}$，即行数等于第$l$层的节点数（cluster数），列数代表第$l+1$层的节点数（cluster数）。assignment matrix表示第$l$层的每一个节点到第$l+1$层的每一个节点（或cluster）的概率。
• hierarchical：分层的，层次化的，就是指类似CNN中的分层提取特征，把相同的点聚在一起，用一个点表示。传统的方式是先使用GN求出图中所有节点的embedding，然后使用全局地使用一层网络进行pooling操作，而文中使用了多层pooling。
• collapse nodes into soft clusters ：压缩节点数量，把一个cluster节点用一个节点来表示。
• downsampling，pooling：池化、下采样，前一层把多个点归到一个cluster，在下一层用一个点表示cluster，达到节点数目降低的效果，整个过程和CNN类似。
• coarsened graph：粗化或粗糙化了的图，因为按照pooling过程，每一层的一个点代表了前一层的一个cluster的点，所以在逐层传播过程中，图在“粗糙化”。
• graph readout、graph coarsening 、graph pooling都是类似的意思
• end-to-end fashion：端到端的方式，DIFFPOOL不依赖于其他的聚类算法，类似于一个黑盒子，使用时不用关心中间过程，只需考虑输入输出。
• differentiable：Differentiable模型是可微的，可以采用SGD通过端到端的方式进行训练。

背景介绍

当前GNNs进行图分类的一个主要限制是，它们本质上是平面的（flat），它们在图的边上传播信息，无法以层次化（hierarchical）的方式推断和聚合信息。目前将GNNs应用于图分类时，标准的方法是为图中的所有节点生成embedding，然后对所有节点的embedding进行全局pooling操作，例如，使用简单的求和操作或神经网络（Gated graph sequence neural networks，ICLR 2016；Neural message passing for quantum chemistry，ICML 2017；Convolutional networks on graphs for learning molecular fingerprints，NIPS 2015等）。这种全局pooling方法忽略了图中可能存在的层次结构，并且不利于研究人员为整个图上的预测任务构建有效的GNN模型。简单来讲，它不希望先得到所有结点的embedding，然后再一次性得到图的表示，这种方式比较低效，而是希望通过一个逐渐压缩信息的过程就可以得到图的表示。

模型简介

文中提出的DIFFPOOL是一个可微的图pooling模块，它可以以层次化和端到端方式适应各种图神经网络架构。DIFFPOOL允许使用更深层次的GNN模型，这些模型可以学习图的分层表示。

• 图1是DIFFPOOL结构示意图
• 在每一层，运行一个GNN模型获得节点的embeddings，再用这些embeddings将相似的节点进行聚类得到下一层的粗化输入，然后在这些粗化的图上运行另一个GNN层。整个过程重复$L$层，然后使用最后的输出表示进行图分类任务。
• 如图所示，层次化的GNN加入了pooling层，能够捕捉图的层次信息，扩大了感受野。但是，这里的Pooled network训练十分困难，需要两个Loss保证网络能够收敛，Pooled network的1,2,3层各不相同，需要分别训练。导致整个网络参数量巨大。

文中证明了DIFFPOOL可以与各种GNN方法相结合，平均提高了7%的准确率，在5个benchmark数据集中有4个达到了state-of-the-art的水平。

2 相关工作

文中工作建立在最近关于图神经网络和图分类的大量研究的基础上。

GNNs被广泛应用于各种任务中，包括节点分类、链路预测、图分类和化学信息学中。在图分类的任务中，应用GNNs的一个主要挑战是从节点embedding到整个图的表示。解决这一问题的常见方法有：

• 简单地在最后一层中将所有节点embedding求和（Convolutional networks on graphs for learning molecular fingerprints，NIPS 2015）；
• 引入一个连接到图中的所有节点的“虚拟节点”来求平均值（Gated graph sequence neural networks，ICLR 2016）；
• 使用深度学习架构来聚合节点embedding（Neural message passing for quantum chemistry，ICML 2017）。

然而，所有这些方法都有其局限性，即它们不能学习层次结构表示(即，所有节点的embedding都在一个单层中被pool)，因此无法捕获许多真实世界中的图的结构。

最近的一些方法也提出了将CNN架构应用于连接（concatenate）所有节点的embedding：

• [PATCHY-SAN] Learning convolutional neural networks for graphs，ICML 2016；
• An end-to-end deep learning architecture for graph classification，AAAI 2018

但这些方法需要学习节点的排序，这通常是非常困难的，相当于求解图同构。

最后，有一些工作通过结合GNNs和确定性图聚类算法来学习层次图表示：

• Convolutional neural networks on graphs
  with fast localized spectral filtering，NIPS 2016；
• SplineCNN: Fast geometric deep learning with continuous B-spline kernels，CVPR 2018；
• Dynamic edge-conditioned filters in convolutional neural networks on graphs，CVPR 2017

与这些方法不同，DIFFPOOL寻求以端到端的方式学习图的层次结构，而不依赖于确定性的图聚类程序。

3 DIFFPOOL：可微的pooling方法

DIFFPOOL的关键思想是，它提供一个可微的模块去分层地pool图中的节点，从而支持构建深度、多层的GNN模型。

3.1 问题定义

• 定义一个图$G$为$(A,F)$，其中$A\in \{0,1{\}}^{n\times n}$是一个邻接矩阵，$F\in {\mathbb{R}}^{n\times d}$是节点的特征矩阵（此处为了计数方便，假设节点特征维度为$d$，实际不固定）
• 假设一个有标签的图集为$\mathcal{D}=\left\{\left(G_1,y_1\right),\left(G_2,y_2\right),\dots \right\}$，其中$y_i\in \mathcal{Y}$是对应的图$G_i\in \mathcal{G}$的标签
• 图分类任务的目标是学习一个映射函数：$f:\mathcal{G}\to \mathcal{Y}$。这个函数将一个图映射到一个标签。
• 与标准的有监督机器学习相比，面临的挑战是需要一种从这些输入图中提取有用特征向量的方法。也就是说，为了应用标准的机器学习方法进行分类（例如神经网络），需要一个程序来将每个图转换成一个低维的向量。
• 文中并没有考虑边的特征，作者说使用论文（Dynamic edge-conditioned filters in convolutional neural networks on graphs，CVPR 2017）中的方法可以很容易的扩展文中的算法以支持边的特征

图神经网络

在图形神经网络的基础上，用一种端到端的方式为图分类学习一种有用表示。考虑采用以下通用的“消息传递”的GNNs：

$$H^{(k)}=M\left(A,H^{(k-1)};{\theta }^{(k)}\right)\text{\hspace{1em}(1)}$$

• $H^{(k)}\in {\mathbb{R}}^{n\times d}$是$k$层GNN的节点embedding，也就是所谓的“消息”
• $M$是一个消息传播函数，依赖于邻接矩阵和可训练的参数${\theta }^{(k)}$，关于传播函数$M$的实现有很多，比如可以用GraphSAGE，Neural Message Passing for Quantum Chemistry，GCN等
• 初始化时：$k=1$，输入的节点embedding为$H^{(0)}=F$

例如，用GCN实现传播函数$M$：

$$H^{(k)}=M\left(A,H^{(k-1)};W^{(k)}\right)=\mathrm{ReLU}\left({\tilde{D}}^{-\frac{1}{2}}\tilde{A}{\tilde{D}}^{-\frac{1}{2}}{H}^{(k-1)}{W}^{(k-1)}\right)\text{\hspace{1em}(2)}$$

• $\tilde{A}=A+I,\tilde{D}={\sum }_j{\tilde{A}}_{ij}$，$W^{(k)}\in {\mathbb{R}}^{d\times d}$是一个可训练的权重矩阵
• 文中提出的pooling模型可以使用任意一个能实现公式（1）的GNN模型，DIFFPOOL不需要去了解$M$的实现方式，因此可以直接抽象写为$Z=\text{GNN}(A，X)$。
• 一个进行$K$次迭代公式（1）的GNN可以生成最终的节点embeddings，$Z=H^{(K)}\in {\mathbb{R}}^{n\times d}$，其中$K$的范围通常是2-6。

堆叠GNNs和pooling层

文中的目标是定义一种通用，端到端，可微的策略，使得可以用一种层次化的方式堆叠多层GNN模型。

给定一个GNN模块的输出$Z=\text{GNN}(A，X)$和一个图的邻接矩阵$A\in {\mathbb{R}}^{n\times n}$，目标是寻找一种方式可以得到一个新的包含$m<n$个节点的粗化图（coarsened graph），其中这个新图的邻接矩阵为$A^{\prime }\in {\mathbb{R}}^{m\times m}$，节点embedding矩阵为$Z^{\prime }\in {\mathbb{R}}^{m\times d}$。

这个新的粗化图（coarsened graph）作为下一层GNN的输入，重复$L$次就可到了一些列的coarser。因此，目标就是需要学习一种pooling策略，这种策略可以泛化到具有不同节点、边的图中，并且能够在推理过程中能适应不同的图结构。

3.2 Differentiable Pooling via Learned Assignments

DIFFPOOL方法通过使用GNN模型的输出学习节点上的cluster assignment matrix来解决上述问题。

Pooling with an assignment matrix

定义第$l$层学到的cluster assignment matrix为$S^{(l)}\in {\mathbb{R}}^{n_l\times n_{l+1}}$，$n_l$表示在第$l$层的节点数，$n_{l+1}$表示在第$l+1$层的节点数，$n_l<n_{l+1}$，即行数等于第$l$层的节点数（cluster数），列数代表第$l+1$层的节点数（cluster数）。assignment matrix表示第$l$层的每一个节点到第$l+1$层的每一个节点（或cluster）的概率。

假设$S^{(l)}$是预先计算好的。DIFFPOOL层$\left(A^{(l+1)},X^{(l+1)}\right)=\mathrm{DIFFPOOL}\left(A^{(l)},Z^{(l)}\right)$表示粗化输入图，然后生成一个新的邻接矩阵$A^{(l+1)}$和新的embeddings矩阵$X^{(l+1)}$:

$$X^{(l+1)}=S^{(l{)}^T}{Z}^{(l)}\in {\mathbb{R}}^{n_{l+1}\times d}\text{\hspace{1em}(3)}$$

• $X_i^{(l+1)}$表示第$l+1$层cluster$i$的embedding
  $$A^{(l+1)}=S^{(l{)}^T}{A}^{(l)}{S}^{(l)}\in {\mathbb{R}}^{n_{l+1}\times n_{l+1}}\text{\hspace{1em}(4)}$$
• $A_{ij}^{(l+1)}$表示第$l+1$层cluster$i$和cluster$j$之间的连接强度

Learning the assignment matrix

下面介绍DIFFPOOL如何用公式（3）和（4）生成assignment矩阵$S^{(l)}$和embedding矩阵$Z^{(l)}$：

$$Z^{(l)}={\mathrm{G}\mathrm{N}\mathrm{N}}_{l,\text{ embed }}\left(A^{(l)},X^{(l)}\right)\text{\hspace{1em}(5)}$$

$$S^{(l)}=\mathrm{softmax}\left({\mathrm{GNN}}_{l,\mathrm{pool}}\left(A^{(l)},X^{(l)}\right)\right)\text{\hspace{1em}(6)}$$

• ${\mathrm{GNN}}_{l,\mathrm{pool}}$表示第$l$层的pooling GNN
• ${\mathrm{GNN}}_{l,\mathrm{pool}}$的输出维数对应于第$l$层预定义的最大cluster数，是模型的超参数
• 使用cluster的邻接矩阵$A^{(l)}$和特征矩阵$X^{(l)}$生成一个assignment矩阵

这两个GNN使用相同的输入数据，但具有不同的参数，并扮演不同的角色:embedding GNN为这一层的输入节点生成新的embedding，而pooling GNN生成从输入节点到$n_{l+1}$个cluster的概率。

在倒数第二层，即$L-1$层时令assignment矩阵是一个全为1的向量，也就是说所有在最后的$L$层的节点都会被分到一个cluster，生成对应于整图的一个embedding向量。这个embedding向量可以作为可微分类器（如softmax层）的特征输入，整个系统可以使用随机梯度下降进行端到端的训练。

Permutation invariance排列不变性

为了对图分类有效，pooling层在节点的各种排列下应该是不变的。

可得如下命题：
令$P\in \{0,1{\}}^{n\times n}$是任意一个排列矩阵，只要$\text{GNN}(A,X)=\text{GNN}\left(PA{P}^T,X\right)$，那么$\text{DIFFPOOL}(A,Z)=\text{DIFFPOOL}\left(PA{P}^T,PX\right)$。(即，只要满足使用的GNN方法是排列不变的，那么DIFFPOOL模型就是排列不变的)

证明：假设GNN模型是排列不变的，那么公式（5）和（6）就是排列不变的。由于任何排列矩阵都是正交的，所有在公式（3）和（4）中应用$P^{T}P=I$就可以完成证明。

3.3 Auxiliary Link Prediction Objective and Entropy Regularization

在实践中，仅使用来自图分类任务的梯度信号很难训练pooling GNN(公式4)。这是一个非凸优化问题，并且在训练中pooling GNN很容易陷入局部极小值。为了缓解这个问题，使用用一个辅助的链路预测目标来训练pooling GNN。在每一层$l$上，最小化$L_{\mathrm{L}\mathrm{P}}={\Vert A^{(l)},S^{(l)}{S}^{(l{)}^T}\Vert }_F$，其中$||\cdot |{|}_F$表示Frobenius范数。深层次上的邻接矩阵$A^{(l)}$是低层assignment矩阵的函数，在训练过程中会发生变化。pooling GNN的另一个重要特性(公式4)是，为每个节点的输出cluster通常都应该接近one-hot向量，以便清楚地定义每个cluster或子图的成员关系。因此，通过最小化$L_{\mathrm{E}}=\frac{1}{n}{\sum }_{i=1}^{n}H\left(S_i\right)$来正则化cluster assignment的熵，其中$H$为熵函数，$S_i$为$S$的第$i$行。在训练期间，每一层的$L_{\mathrm{E}}$和$L_{\mathrm{L}\mathrm{P}}$都加入到分类损失中。在实践中，观察到带有side objective的训练需要更长的时间收敛，但是仍然可以获得更好的性能和更多可解释的cluster assignment。

4 实验

根据许多最新的图分类方法评估DIFFPOOL，目的是回答以下问题：

• Q1：DIFFPOOL和其他的pooling方法相比怎么样？（如sort pooling和SET2SET方法）
• Q2：DIFFPOOL与GNNs的结合与图分类任务（包括GNNs和基于核的方法）的最新技术相比如何？
• Q3：DIFFPOOL是否可以得到输入图上有意义，可解释的cluster？

数据集

图分类任务中常用的benchmark数据集

• ENZYMES（酶）
• PROTEINS
• D&D
• 社交网络数据集REDDIT-MULTI-12K
• 科学协作数据集COLLAB

模型配置

• 在实验中，用于DIFFPOOL的GNN模型是建立在GraphSAGE架构之上的
• 使用GraphSAGE的“mean”聚合函数，并在每两个GraphSAGE层之后应用一个DIFFPOOL层
• 在数据集上总共使用了2个DIFFPOOL层
• 对于ENZYMES和COLLAB这样的小数据集，1个DIFFPOOL层可以达到类似的性能。每个DIFFPOOL层之后，在下一个DIFFPOOL层或readout层之前执行3层图卷积层。
• 分别用两种不同的稀疏的GraphSAGE模型计算embedding矩阵和assignment矩阵。
• 在2 个DIFFPOOL层的架构中，cluster数量设置为应用DIFFPOOL之前节点数量的25%，而在1个DIFFPOOL层的架构中，cluster数量设置为节点数的10%。
• Batch normalization在GraphSAGE的每一层之后应用。
• 实验还发现，在每一层的节点embedding中添加一个$l_2$正则化可以使训练更加稳定。
• 所有的模型都经过了3000个epoch的训练，当验证损失开始减少时，会提前停止。
• 执行10-fold交叉验证来评估模型性能

两个简化版的DIFFPOOL:

• DIFFPOOL-DET是一个使用确定性图聚类算法(Weighted graph cuts without eigenvectors a multilevel approach,2007)生成assignment matrix的DIFFPOOL模型。
• DIFFPOOL-NOLP是DIFFPOOL的一个变体，没使用链接预测。

Baseline Methods

在图分类的性能比较中，考虑了基于GNN(结合了不同的pooling方法)的baselines以及最先进的基于kernel的方法。

基于GNN的方法

• GraphSAGE with global mean-pooling
• STRUCTURE2VEC (S2V)
• ECC
• PATCHYSAN
• SET2SET
• SORTPOOL

基于核的方法

• GRAPHLET
• SHORTEST-PATH
• WEISFEILERLEHMAN kernel (WL)
• WEISFEILER-LEHMAN OPTIMAL ASSIGNMENT KERNEL (WLOA)

图分类实验结果

• 表1回答了Q1和Q2
• 简化的模型变体DIFFPOOL-DET在COLLAB基准测试上获得了最先进的性能。这是因为在COLLAB中许多协作图只显示单层的社区结构，而这些结构可以通过预先计算的图形聚类算法很好地捕获
• 一个观察结果是，尽管性能有了显著的提高，但是DIFFPOOL在训练的过程中可能是不稳定的，而且在不同的运行中，即使使用相同的超参数设置，准确性也会有显著的变化
• 增加链接预测使训练更加稳定，降低了不同训练中精度的标准差

基于STRUCTURE2VEC的可微pooling

• 除GraphSAGE外，DIFFPOOL还可以应用于其他GNN架构来捕获图数据中的层次结构。为了进一步回答Q1，还在Structure2Vec(S2V)上应用了DIFFPOOL。
• 使用三层架构的S2V进行实验。
• 在第一种变体中，在第一层S2V之后应用一个DIFFPOOL层，在DIFFPOOL的输出之上再叠加两个S2V层。
• 第二种变体在S2V第一层和第二层之后分别应用一个DIFFPOOL层。
• 两种算法均采用S2V模型计算embedding矩阵，采用GraphSAGE模型计算assignment matrix。

• 表2总结了将DIFFPOOL应用于S2V的分类准确率
• 可以观察到，DIFFPOOL显著提高了S2V在ENZYMES和D&D数据集上的性能。在其他数据集上也观察到类似的性能趋势。
• 结果表明，DIFFPOOL是一种在层次结构进行pool操作的通用策略，有益于不同的GNN体系结构。

运行时间

尽管应用DIFFPOOL需要对assignment matrix进行额外的计算，但DIFFPOOL在实践中并没有带来大量额外的运行时间。因为每个DIFFPOOL层通过提取图的粗化表示来减少图的大小，从而加快下一层图的卷积运算。具体来说，发现使用DIFFPOOL的GraphSAGE比使用SET2SET pooling的GraphSAGE模型要快12倍，同时在所有的基准测试上仍然获得了显著的更高的准确性。

DIFFPOOL中聚类assignment分析

分层的聚类结构

为了解决Q3问题，将DIFFPOOL通过可视化不同层中的cluster assignment。

• 图2:使用来自COLLAB数据集在DIFFPOOL中实现分层cluster分配的可视化图
• 图(a)显示了两层的分层cluster，其中第二层的节点对应于第一层的cluster
• 图(b和c)在不同的图中显示了另外两个例子中第一层的cluster
• 尽管实验中将cluster的数量设置为节点的25%，但GNN会自动学习为这些不同的图分配适当数量的有意义的cluster。

稀疏子图结构 vs 稠密子图结构

• DIFFPOOL学会了以非均匀的方式将节点压缩（collapse）成cluster，并且倾向于将密集连接的子图collapse成cluster。
• 由于GNNs可以有效地在密集的、类似于团的子图上执行消息传递，因此将这样密集的子图中的节点pooling（聚集）在一起不太可能导致结构信息的丢失。这直观地解释了为什么collapse稠密子图是一种有用的DIFFPOOL pooling策略。
• 稀疏子图可能包含许多有趣的结构，包括路径、循环和树形的结构，并且由于稀疏性导致的图中直径很大，GNN消息传递可能无法捕获这些结构。因此，通过分别pooling稀疏子图的不同部分，DIFFPOOL可以学习捕获稀疏图中出现的有意义的结构(如图2所示)。

具有类似表示的节点的assignment

由于assignment网络是根据输入节点及其邻居的特征来计算cluster assignment的，所以具有相似输入特征和邻居结构的节点会有相似的cluster assignment。

预先定义的最大cluster数的灵敏度

• assignment随着网络的深度和cluster的最大数量$C$而变化。
• 使用更大的$C$，pooling GNN可以建模更复杂的层次结构。但是，太大的$C$会导致更多的噪音和更低的效率。
• 尽管$C$的值是一个预定义的参数，但pooling网络可以通过端到端训练学习数量适当的cluster。
• 有些cluster可能不被assignment矩阵使用。未使用的cluster对应的列的所有节点的值都很低。在图2©中可以观察到这一点，其中节点主要被分到3个cluster中。