【论文解读 WWW 2020 | HGT】Heterogeneous Graph Transformer

论文题目：Heterogeneous Graph Transformer

论文来源：WWW 2020

论文链接：https://arxiv.org/abs/2003.01332

代码链接：https://github.com/acbull/pyHGT

关键字：GNN，HIN，表示学习，图嵌入，Graph Attention，动态图

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1 摘要

本文提出异质图转换架构（Heterogeneous Graph Transformer, HGT），用于建模Web-scale的异质图。并且无需人工构建元路径。

为了对异质的节点和边进行建模，作者设计了和节点类别、边类别有关的参数，来表征在每个边上的异质性的注意力。这使得HGT可以为不同类型的节点和边生成专用的表示。

HGT还可以处理动态的异质图。作者在HGT中引入相对时间编码技术，可以捕获到任意时间段内的动态结构依赖关系。

为了能够处理Web-scale的图数据，还设计了mini-batch图采样算法——HGSampling，实现高效并可扩展的训练。

在多个下游任务的实验中（Open Academic Graph of 179 million nodes and 2 billion edges）超越使用GNN的state-of-the-art方法。

2 引言

现有的GNN方法的不足：

以HAN, GTNs, HetGNN等方法为例。

（1）大多数方法需要为异质图设计元路径（GTNs除外）；

（2）要不就是假定不同类别的节点/边共享相同的特征和表示空间，要不就是单独为某一类型的节点和边设计不同的不可共享的参数。这样的话不能充分捕获异质图的属性信息；

（3）大多数方法都没有考虑异质图的动态特征；

（4）不能建模Web-scale的异质图。

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鉴于以上挑战，作者进行了异质图神经网络的研究，目的是：（1）保留节点和边类型的有依赖关系的特征；（2）捕获网络的动态信息；（3）避免自定义元路径；（4）并且可扩展到大规模（Web-scale）的图上。

作者提出：

提出HGT架构解决上述所有问题，具体解决方法如下：

（1）为了解决图的异质性问题，引入节点类型和边类型有依赖的注意力机制。

HGT中的异质相互注意力不是参数化每种类别的边，而是根据元关系三元组将每个边$e=(s,t)$分解来定义。（例如 ）。图1就展示了异质学术图的元关系。

使用元关系参数化权重矩阵，用于计算每条边的注意力系数。

因此，不同类型的节点和边就可以维护其特定的表示空间。同时，通过不同的边相连的节点仍然可以交互、传递、聚合信息，并且不受它们之间分布差异的限制。

HGT的天然结构，让其可以通过跨层的信息传递来合并不同类型的高阶邻居的信息，这可以看作是**“软”元路径**（“soft” meta paths）。

也就是说，尽管HGT只将一跳的边作为输入并且不人为设计元路径，本文提出的注意力机制可以针对具体的下游任务自动地、隐式地学习并抽取出更重要的“元路径”。

（2）为了处理动态图，在HGT中引入相对时间编码（RTE）技术。

并不是将输入图按不同的时间戳分片处理，而是将在不同时间出现的所有的边看成一个整体。设计RTE策略，建模任意时间长度的结构性的时间依赖关系，甚至包含不可见的和未来的时间戳。

通过端到端的训练，RTE使得HGT自动学习到异质图的时序依赖关系以及异质图随时间的演化。

（3）为了处理Web-scale的图数据，作者设计了第一个异质的子图采样算法——HGSampling，用于mini-batch的GNN训练。

以往的在同质图上的GNN采样方法（例如 GraphSage, FastGCN, LADIES）会导致节点和边类型的高度不平衡，HGSampling可以使得采样的不同类型的节点有着相似的分布。

同时，该方法还可以保持采样子图的密度，以最小化信息损失。

使用HGSampling的采样方法，所有的GNN模型，包括本文的HGT模型，都可以在任意大小的异质图上进行训练和推断。

2 定义

（1）异质图

$G=(V,E,A,R)$，类型映射函数：$\tau (v):V\to A,\varphi (e):E\to R$。

（2）元关系

对于从$s$到$t$的连边$e=(s,t)$，它的元关系定义为$<\tau (s),\varphi (e),\tau (t)>$，$\varphi (e{)}^{-1}$表示$\varphi (e)$的逆。

经典的元路径范式就是这种元关系组成的序列。

（3）动态异质图

在时间戳为$T$时有边$e=(s,t)$，说明在$T$时刻节点$s$连向了节点$t$。若$s$是第一次出现，则将$T$分配给$s$，$s$可以和很多个时间戳相关联。

假定边的时间戳是不变的，表示该边创建的时间。但是可以给节点分配不同的时间戳。

3 相关工作

普遍的GNN框架

令$H^l[t]$为节点$t$在第$l$层GNN的节点表示，从$l-1$层到$l$层的更新过程如下：

先抽取信息，再聚和信息。例如GCN, GraphSAGE, GAT。

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异质的GNNs

（1）已有的一些方法

建模知识图谱的关系图卷积网络（RGCN），为每种类型的边都维护了一个线性的映射权重。

HetGNN为不同类型的节点应用不同的RNNs来整合多模的特征。

HAN为不同的元路径定义的边维护了不同的权重，同时使用了语义级别的注意力机制，有区分性地聚合来源于不同元路径的信息。

（2）这些方法的不足

尽管这些方法都比GCN和GAT表现好，但是它们都没有充分利用异质图的属性信息。都是为边类型和节点类型单独地分配GNN权重矩阵。

但是不同类型的节点数目和不同类型的边的数目差别很大，对于那些共现次数不多的关系类型，就很难为它们学习到准确的权重。

（3）考虑参数共享以实现更好的泛化

为了解决上述问题，提出参数共享。对于给定的边$e=(s,t)$，其元关系为$<\tau (s),\varphi (e),\tau (t)>$。若使用三个交互矩阵分别建模$\tau (s),\varphi (e),\tau (t)$这三个元素，则主要参数就可以共享。

例如“第一作者”和“第二作者”这两种关系的源节点都是author，目标节点都是paper。从一种关系学习到的author和paper的知识可以快速转换并应用到另一种关系中。

将这种想法整合到Transformer-like的注意力框架中，从而提出了HGT。

（4）HGT和现有方法的主要不同

1. 与单独处理节点类型和边类型不同，作者使用元关系$\tau (s),\varphi (e),\tau (t)$来分解交互矩阵和转换矩阵，使得HGT在使用等量的参数甚至更少的参数的情况下，捕获不同关系中普通的和特定的信息。

2. 不需要预先定义好元路径，使用神经网络框架聚合高阶的异质邻居的信息，自动地学习到元路径的重要性程度。

3. 大多数以往的方法没有考虑到动态图，HGT使用相对时间编码技术考虑到了时序信息。

4. 现有的异质GNN方法都不能应用在Web-scale的图上，本文提出的HGSampling采样方法可以用于Web-scale图（十亿级别）的训练。

4 HGT

使用异质图中的元关系参数化权重矩阵，以用于异质的互注意力、消息传递。

4.1 HGT整体框架

图2展示了HGT的整体框架。给定采样的异质子图，HGT抽取出了所有有连边的点对，$s$和$t$通过$e$相连。

HGT的目的是从源节点聚合信息，获得目标节点的上下文表示。这一过程可被分解成3个部分：（1）异质互注意力(Heterogeneous Mutual Attention)；（2）异质消息传递(Heterogeneous Message Passing )；（3）针对特定任务的聚合(Target-Specific Aggregation)。

堆叠$L$层，得到整个图的节点表示$H^{(L)}$，然后用于端到端的训练或者输入给下游任务。

4.2 Heterogeneous Mutual Attention

第一步是计算源节点$s$和目标节点$t$的注意力系数。基于注意力的GNNs可以看成如下的形式：

可以总结为3个基本的操作：

（1）Attention：评估每个源节点的重要性

（2）Message：从源节点$s$抽取出信息

（3）Aggregate：使用注意力系数作为权重，聚合邻居的信息

GAT只有一个权重矩阵$W$，也就是假定$s$和$t$有相同的特征分布，这不适合于异质图，异质图中不同类的节点可能有它自己的特征分布。

因此设计了异质的互注意力机制（Heterogeneous Mutual Attention）。给定一个目标节点$t$，其所有邻居$s\in N(t)$可能属于不同的分布，要根据它们的元关系计算它们的相互注意力。

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受Transformer的启发，作者将目标节点$t$映射成Query向量，将源节点$s$映射成Key向量，计算两者的点积当做attention。

与Transformer的区别在于：Transformer为所有的单词使用一组映射；而本文的方法中，每个元关系都有一组不同的映射矩阵。

在保留不同关系的特性的基础上，为了最大程度地实现参数共享，作者提出将交互操作的权重矩阵参数化为：源节点映射，边映射，目标节点映射。为每个边$e=(s,t)$计算$h-head$的注意力，如图2(1)所示。计算过程如下：

解释如下：

（1）首先，对于第$i$个attention head $ATT-hea{d}^i(s,e,t)$，将类别为$\tau (s)$的源节点$s$使用线性映射 $K-Linea{r}_{\tau (s)}^i:{\mathbb{R}}^d\to {\mathbb{R}}^{\frac{d}{h}}$，映射成第$i$个Key向量$K^i(s)$。

其中$h$是attention head的数量，$\frac{d}{h}$是每个head的向量维度。

注意，$K-Linear^i_{\tau(s)} $以源节点的类型作为索引，表示每种类型的节点都有一个线性映射，以实现最大程度建模不同类型节点的分布差异性。

同样的，对目标节点$t$也使用线性映射$Q-Linea{r}_{\tau (t)}^i$，将其映射成第$i$个Query向量。

（2）接着，计算$Q_{(t)}^i,K_{(s)}^i$间的相似度。由于异质图中边类型多样（一对节点之间可能有不同类型的边），所以不同于原始的Transformer直接对Query和Key向量进行内积操作，而是为每种类型的边$\varphi (e)$维护不同的矩阵$W_{\varphi (e)}^{ATT}\in (R{)}^{\frac{d}{h}\times \frac{d}{h}}$。这样，就可以捕获节点对之间不同的语义关联。

然而，不同类型的边对目标节点的贡献度不同，所以添加一个先验的张量$\mu \in {\mathbb{R}}^{|A|\times |R|\times |A|}$表示对每个元关系三元组的一般化的重要性，作为对attention的adaptive scaling。

（3）最后，将$h$个attention heads拼接起来得到每个节点对的注意力向量。对于每个目标节点$t$，聚合它所有邻居的注意力向量，并通过一层softmax，使得每个head的注意力系数和为1。

4.3 Heterogeneous Message Passing

从源节点向目标节点传递信息，这一步是和互注意力的计算并行的，如图2(2)所示。

目标是将不同边的元关系合并到消息传递过程中，来缓解不同类型的节点和边分布的差异性。

对于节点对$e=(s,t)$，multi-head的Message可以计算为：

为了得到$MSG-hea{d}^i(s,e,t)$，首先使用线性映射 $M-Linea{r}_{\tau (s)}^i:{\mathbb{R}}^d\to {\mathbb{R}}^{\frac{d}{h}}$ 将类型为$\tau (s)$的源节点$s$映射成第$i$个message向量。

然后再对特定类型的边维护一个参数矩阵 $W_{\varphi (e)}^{MSG}\in {\mathbb{R}}^{\frac{d}{h}\times \frac{d}{h}}$。

最后将$h$个message heads相拼接得到每个节点对的$Messag{e}_{HGT}(s,e,t)$。

4.4 Target-Specific Aggregation

如图2(3)所示，聚合上两步得到的信息。

使用attention向量作为权重，对来自源节点的相应信息进行平均，得到更新后的向量：

最后一步是以目标节点的类别$\tau (t)$为索引，将目标节点$t$的向量映射回到对应类别的分布。具体来说，对更新后的向量 ${\tilde{H}}^{(l)}[t]$ 使用线性映射 $A-Linea{r}_{\tau (t)}$，然后还有前一层的$t$的原始向量作为残差连接：

这样，就得到了目标节点$t$在第$l$层HGT的输出$H^{(l)}[t]$。

堆叠$L$层（$L$是一个很小的值）就可以为每个节点得到有丰富信息的上下文表示$H^{(L)}$。$H^{(L)}$可作为下游任务的输入，例如图节点分类和链接预测任务。

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整个框架中，高度依赖于元关系——$<\tau (s),\varphi (e),\tau (t)>$来参数化权重矩阵。和现有的维每个元路径维护一个矩阵的方法相比，HGT的三元组参数可以更好地利用异质图的schema来实现参数共享。

一方面，这样的参数共享有助于利用出现频次较少的类型的边，从而实现快速的自适应和泛化。

另一方面，使用较少的参数，仍然实现了保留不同类型边的特征。

4.5 Relative Temporal Encoding

提出相对时间编码（RTE）技术处理动态图。

传统的方法是为每个小时间片（time slot）构建图，但这种方法会丢失大量的不同时间片间的结构依赖信息。

因此，受Transformer的位置编码（position embedding）启发，作者提出RTE机制，建模异质图上的动态依赖关系。

给定源节点$s$和目标节点$t$，以及它们对应的时间戳$T(s),T(t)$。定义相对时间间隔为 $\Delta T(t,s)=T(t)-T(s)$，作为得到相对时间编码$RTE(\Delta T(t,s))$的索引。

注意训练集不会覆盖到所有可能的时间间隔，因此RTE要具有泛化到不可见的时间和时间间隔的能力。作者采取了一组固定的正弦函数作为偏置，并使用了可微调的线性映射 $T-Linea{r}^{\ast }:{\mathbb{R}}^d\to {\mathbb{R}}^d$，构成RTE：

最后，将相对于目标节点$t$的时间编码加入到源节点$s$的表示中：

时间增广的表示${\hat{H}}^{(l-1)}$就可以捕获到源节点$s$和目标节点$t$的相对时间信息。RTE的流程如图3所示。

5 Web-scale的HGT训练

5.1 HGSamling

full-batch的GNN训练需要在每层计算所有节点的表示，不能扩展到Web-scale的图上。

本文提出HGSampling方法，可以实现：

（1）对于每种类型的节点和边，采样的数量大致相似；

（2）保持采样的子图的稠密性，以最小化采样方差带来的信息损失。

上图中的算法1展示了HGSampling算法。基本思想是对每个节点类型$\tau$维护一个node budget $B[\tau ]$，并使用重要性采样策略，为每个类型采样相等数量的节点，以减小方差。

给定已被采样的节点$t$，使用算法2将它的一阶邻居加入到对应的budget中，并将$t$的归一化的度与这些邻居相加（如 算法2的line 8所示），之后将被用于计算采样概率。

这样的归一化等价于累计每个被采样的节点到其邻居的random walk概率，从而避免了采样过多的度数高的节点。

直观来看，这个值越大，和当前被采样节点相关联的节点就越有可能是候选节点，应该被赋予更大的采样概率。

在budget更新后，计算采样概率（如 算法1的line 9所示），使用这种采样概率可以减小采样的方差[1]。

然后使用上面计算得到的概率，采样$n$个类型为$\tau$的节点。将它们加入到输出的节点集合$OS中，将它们的邻居更新到budget中，并将它们自己从budget中移除。（如 算法1的line12-15所示）

将这个过程重复$L$次，采样得到深度为$L$的子图。

最后，利用采样到的节点重构邻接矩阵。

通过使用上述算法，采样到的子图中每个类别都有相似数量的节点（基于各自的node budget），就可以在Web-scale的异质图上训练GNN了。

5.2 Inductive Timestamp Assignment

目前为止，作者假定每个节点$t$都被分配了一个时间戳$T(t)$。然而，在现实世界中许多节点不止和一个时间戳有关，所以需要为及诶单分配不同的时间戳。

例如，WWW会议在1974年和2019年都有举办，这两年的WWW节点有不同的研究主题。异质图中也存在只有一个时间戳的事件节点，比如paper节点，和其发表日期相关。

作者提出归纳式的时间戳分配算法（inductive timestamp assignment algorithm ），基于和节点相连的事件节点，为其分配时间戳。如算法2的line 6所示。思想是：计划节点继承事件节点的时间戳。

首先检查候选的源节点是否是一个事件节点，如果是的话（例如 paper在某一年被发表）则保留它的时间戳用于捕获时序依赖关系；如果不是的话（例如conference可以和任意的时间戳有关），则为其分配相关节点的时间戳（例如conference中的paper发表的年份）。这样就可以在子图采样过程中自适应地为节点分配时间戳。

6 实验

Web-Scale数据集：

Open Academic Graph (OAG) ，包含178 million个节点和2.236 billion条边。

实验任务：

一共四个：Paper-Field($L_1$)的预测，Paper-Field($L_2$)的预测，Paper-Venue的预测，作者消歧的预测

前三个节点分类任务是预测每个paper属于的正确的领域$L_1,L_2$，或者是该paper发表在了哪个venue上。

使用不同的GNN方法得到paper的上下文节点表示，并使用softmax输出层得到它的类别标签。

对于作者消歧，选择所有同名的作者以及他们的papers。任务是对这些papers和候选的作者进行链接预测。

使用GNN方法得到paper和作者的节点表示后，使用Neural Tensor Network得到每个author-paper对连接的概率。

对比方法：

• GCN
• GAT
• RGCN
• HetGNN
• HAN

实验结果：

（1）上述四个任务的实验结果

（2）引入时间信息的会议相似性

（3）元关系注意力可视化

下图的左半部分可以看出元路径PAP, PFP, IAP是最重要的元路径，并且重要性系数是自动学习得到的，不需要人工操作。

7 总结

本文提出了HGT架构，用于建模Web-scale的异质图以及动态图。

（1）为了建模异质性，使用了元关系$<\tau (s),\varphi (e),\tau (t)>$分解交互和转换矩阵，使得在资源很少的情况下模型也能有可接受的建模能力。

（2）为了捕获图的动态性特征，提出相对时间编码（RTE）技术，使用有限的计算资源合并时间信息。

（3）为了使得HGT可扩展到Web-scale的数据上，设计了异质的mini-batch图采样算法——HGSampling。

未来的工作：探究HGT是否能生成异质图，例如预测新papers和其标题。以及HGT是否可用于预训练，以对标注数据很少的任务带来帮助。

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本文的工作非常有新意，论文中的很多部分都是受Transformer的启发。

不需要人为定义元路径，而是使用注意力机制，自动地学习到重要性较大的元路径，这个思路和GTNs很像。

受Transformer启发的地方一共有两个：

（1）异质的互注意力计算和Transformer的attention类似：将目标节点映射成Query向量，源节点映射为Key向量，还使用了多头注意力机制（multi-head attention）。

（2）相对时间编码技术（RTE）和Transformer的位置编码类似。

另外，作者在未来展望中还提到要研究HGT是否能用于图的预训练，从而对标注数据不多的任务带来帮助。这一点可以让人联想到这几年NLP领域大放异彩的预训练技术，图上的预训练也让人期待啊。

参考文献

[1] Difan Zou, Ziniu Hu, Yewen Wang, Song Jiang, Yizhou Sun, and Quanquan Gu. 2019. Layer-Dependent Importance Sampling for Training Deep and Large Graph Convolutional Networks. In NeurIPS’19.