论文标题：GraphMAE: Self-Supervised Masked Graph Autoencoders
论文链接：https://arxiv.org/abs/2205.10803
论文来源：KDD 2022
代码链接：https://github.com/THUDM/GraphMAE
一、概述
自监督学习（Self-supervised learning, SSL）通常分为生成式学习和对比学习。目前图领域的自监督学习以对比学习的方法为主，尤其是在图分类和节点分类任务上。对比学习的方法建立在复杂的训练策略上，并且依赖于高质量的数据增强。一些以重构输入图为目标的生成式学习方法虽然具备简单的形式，但是近来的一些尝试仍然落后于对比学习方法，尤其在图与节点分类任务上更是如此。本文认为目前的一些图自编码器方法（Graph Autoencoder, GAE）面临以下四个问题，虽然一些问题解决了其中的一两个，但是没有一个方法将这个四个问题作为一个整体来对待：
①结构信息被过分强调了，大多数GAE方法以连接重构（link reconstruction）来作为目标，因此之前的GAE方法在连接预测和节点聚类任务上很擅长，但是在图和节点分类任务上性能一般；
②没有进行破坏（corruption）的特征重构可能是不够健壮的（robust），对于GAE方法，很多利用图的原生特征，这有产生平凡解的风险；
③MSE损失可能是敏感的和不稳定的，各种特征向量标准化以及维度灾难会对MSE损失造成不良影响，因此可能会导致训练过程的崩溃；
④decoder的表达能力不足，大多数GAE方法使用MLP作为其decoder，在语言中的目标很多是包含丰富信息的one-hot向量，而在图数据上大多是信息量较少的特征向量，因此简单的MLP可能是不能胜任的。
GraphMAE致力于解决上面的各个问题，主要包括以下关键的部分：
①Masked feature reconstruction，GraphMAE不同于大多数方法的结构重构，而采用应用mask的特征重构，实验表明，在适当的损失设计下，mask特征重构可以大大有利于GAE；
②Scaled cosine error，GraphMAE没有采用MSE损失，而是使用cosine error，当特征向量的数量级不同时是有益的，在此基础上GraphMAE又设计了scaled cosine error来解决重构时难易样本的不平衡问题；
③Re-mask decoding，GraphMAE采用了一种re-mask decoding策略，也就是re-mask其被mask节点的encoder输出embedding，然后再输入给decoder；
④另外，GraphMAE采用更具表达能力的GNN作为其decoder。
下图对比了不同的GAE方法，以及列举了上述各个不同设计对模型性能的影响：
二、方法
- 问题描述
简要来说，自编码器通常包含encoder、code（隐状态）和decoder。Encoder将输入数据映射成code，而decoder在重构损失的指导下来重构输入数据。对于图自编码器可以用以下的方式来定义。
使用来表示一个图，是节点集合，是节点数量，是邻接矩阵，是节点特征矩阵。另外，是图encoder，是图decoder，表示从encoder得到的code，GAE的目标也就是重构：
即是重构的图，可以是重构的特征或者结构或者两者都有。
- 框架
下图展示了本文提出的GraphMAE的大体框架：
对于和，可以是任意类型的GNN，比如GCN、GAT或者GIN。不同的任务可能更加适应不同的encoder架构，例如GAT更加适合节点分类任务，而GIN更加适合图级任务。
- GraphMAE的关键设计
GraphMAE的设计主要回答以下四个问题：
①Q1：在GAE中重构什么？
②Q2：如何训练健壮的GAE以避免平凡解？
③Q3：如何安排GAE的decoder？
④Q4：使用什么样的损失函数来进行重构？
- Q1：使用特征重构作为目标
给定一个图，GAE可以以重构结构或者特征来作为目标。以往的GAE关注连接预测和图聚类任务，因此选择重构，也有些方法同时重构和，不过在节点和图分类任务上效果并不理想。
- Q2：mask特征重构
当code的维度比特征维度高时，自编码器容易学习到一个恒等函数（也就是平凡解）。相对来说，在CV领域这个问题并不常见，这是因为图像的维度相对较高，而在图领域，节点特征维度通常较小。现有的一些GAE方法很多忽略了这个问题。
去噪自编码器是一种对输入数据进行破坏的方法，是一种消除平凡解的解决方案。事实上，采用mask作为破坏方式的masked autoencoder方法在CV和NLP领域早有广泛应用，受此启发，GraphMAE采用masked autoencoder作为大体的框架。
形式化地来讲，我们采样一个节点子集，并且使用一个mask token [MASK]来mask其特征，这是一个可学习的向量。因此，对于masked特征矩阵中的节点特征，可以定义为：
GraphMAE的目标是在给定和的条件下来重构中节点的特征向量。GraphMAE使用均匀分布来随机抽取mask的节点，并且采用一个比较大的mask比率（比如50%），这样可以有效减少图中的冗余。
另外，使用[MASK]会造成训练和推断过程的不一致，为了缓解这个现象，BERT的方法是不要总是将被mask的词替换成[MASK]，而是采用一个小的概率（比如15%或者更小）来保留原来的特征不改变或者替换成另外一个随机token。本文实验发现保留不变的策略会伤害模型的性能，而随机替换的策略能够帮助模型学习到更加高质量的表示。
- Q3：采用GNN作为decoder以及re-mask策略
Decoder的选择应该取决于数据的语义等级，举例来说，在语言数据上，由于目标很多为one-hot向量，具备丰富的语义，通常一个简单的MLP作为decoder就是足够的。但是在视觉领域就需要一个更高级的decoder（比如Transformer）来重构具备低语义的像素块。在图中，decoder重构信息相对较少的多维节点特征。GraphMAE采用一个单层GNN作为decoder，GNN能够借由一系列节点而非仅仅节点本身来重构这个节点的输入特征。
为了更进一步地帮助encoder学习到压缩的表示，本文提出了一种re-mask策略来在解码过程之前处理。具体的做法是对之前mask的节点在中的embedding使用[DMASK]这个token再一次进行mask，这也是一个可学习的向量。中re-mask的code可以表示为：
实验表明GAT encoder更加适合节点分类任务，而GINencoder更加适合图分类任务。需要注意的是，由于decoder只在训练时使用，因此decoder的架构与encoder相互独立，可以采用任意类型的GNN。
- Q4：采用scaled cosine error作为损失函数
不同领域内特征重构的标准是不同的。在NLP和CV领域内，在NLP和CV中，事实上的准则是利用交叉熵损失预测由tokenizer导出的离散的token索引。一个例外是CV中的MAE会使用MSE直接预测被mask的图像块的像素。然而事实上，像素通常被标准化在0-255之间，这类似于tokenizer。但是在图数据领域，尚不能定义一个通用的tokenizer。
GraphMAE直接重构每个mask节点的特征，这是具有挑战性的，因此这些特征是多维且连续的。现有GAE方法大多采用MSE作为损失函数，但是实验表明MSE损失能够被最小化到接近0，这或许可以解释为什么大多数方法不采用重构特征的方式。本文发现MSE有敏感性和低选择性的问题。敏感性意味着MSE对特征的标准化和维度是敏感的。某些特征维度上的极值也会导致其上的MSE过拟合。低选择性表示MSE不足以使得GraphMAE更关注学习起来难易程度不同的样本中较难学习的部分。
为了解决MSE的敏感性问题，我们采用cosine error，能够摆脱特征标准化和维度的影响。Cosine error中的L2标准化将向量映射到一个单位超球上，大大提升了学习到的表示的质量。为了应对其低选择性的问题，我们进一步地将cosine error改进成scaled cosine error（SCE），具体为引入一个超参数。对于高自信度的样本（简单样本），其对应的cosine error通常小于1并且能够很快地减小到0。形式化地来讲，给定原来的特征以及重构的输出，SCE定义为：
这可以看做一个为样本自适应加权的过程，每个样本的权重随重构误差的变化而调整。
- 推断过程
对于下游任务来说，在推断过程中，不需要对输入数据进行mask。从encoder得到的embedding可以用在多种任务上，比如节点分类和图分类任务。对于图分类任务，采用一个readout函数来获得图的表示，也就是一个非参数化的图池化函数比如MaxPooling、MeanPooling等。
三、实验
- 节点分类
实验结果如下：
- 图分类
实验结果如下：
- 迁移学习
实验结果如下：
- 消融实验
关键模块的影响：
encoder架构的影响：
超参数的影响：