DeepMind加持的GNN框架正式开源,TensorFlow进入图神经网络时代

谷歌在垃圾邮件检测、流量估计以及YouTube内容标签等环境中使用了一种强大的工具GNN（图神经网络）。11月18日，谷歌联合DeepMind对外开源TensorFlow GNN工具，助力流量预测、谣言和假新闻检测、疾病传播建模、物理模拟等领域的基础研究。

11月18日，谷歌联合DeepMind发布了TensorFlow GNN（图神经网络）。

目前，谷歌已经在诸如垃圾邮件检测、流量估计以及YouTube内容标签等环境中用上了这个库的早期版本。

为什么要用GNN？

图（Graph）是用于表示对象之间关联关系的一种抽象数据结构，使用节点/顶点（Node/Vertex）和边（Edge）进行描述：顶点表示对象，边表示对象之间的关系。

而在现实世界和工程系统中，图无处不在。

比如，一组物体、地点或人以及它们之间的联系通常可以用图形来描述。

通常，在机器学习问题中看到的数据是结构化的或关系型的，因此也可以用图来描述。

经过几十年的基础研究，GNN已经在很多的领域都取得了进展，如流量预测、谣言和假新闻检测、疾病传播建模、物理模拟以及理解分子为什么有气味。

图模拟不同类型数据之间的关系：网页（左）、社交联系（中）或分子（右）

通过GNN，就可以回答那些关于图的多种特征的问题。比如在图中观察到的各种不同的「形状」：图中的圆圈，可能代表子分子，也可能代表密切的社会关系。

在节点级的任务中，GNN可以对图的节点进行分类，并预测图中的分区和亲和力，类似于图像分类或分割。

在边级别的任务中，可以使用GNN来发现实体之间的连接，比如用GNN「修剪」图中的边，从而识别场景中对象的状态。

TF-GNN的结构

TF-GNN为在TensorFlow中实现GNN模型提供了构建模块。

除了建模API之外，TF-GNN还围绕着处理图数据的困难任务提供了大量的工具：基于Tensor的图数据结构，数据处理管道，以及一些供用户快速上手的示例模型。

组成工作流程的TF-GNN的各个部分

TF-GNN库的初始版本包含了许多实用程序和功能，包括：

• 一个高水平的Keras风格的API，用于创建GNN模型，可以很容易地与其他类型的模型组合。GNN经常与排名、深度检索（双编码器）或与其他类型的模型（图像、文本等）结合使用。

• 用于异构图的GNN API。在现实世界中处理的许多图问题都包含不同类型的节点和边。因此，谷歌选择提供一种简单的方法来建模。

• 一个定义明确的模式来声明一个图的拓扑结构，以及验证它的工具。这个模式描述了其训练数据的形状，并用于指导其他工具。

• 一个保存了图数据的GraphTensor复合张量类型。其可以被分批处理，并有可用的图操作程序。

• 一个对GraphTensor结构的操作库：

• 在节点和边上进行各种有效的传播和池化操作的相关工具。

• 一个标准的卷积库，可以被ML工程师/研究人员轻松扩展。

• 一个高层次的API，供产品工程师快速建立GNN模型，而不必担心其细节问题。

• 对磁盘上的图训练数据进行编码，以及用于将这些数据解析为数据结构的库。其中，模型可以从中提取各种特征。

使用示例

比如，使用TF-GNN Keras API建立一个模型，并根据用户观看的内容和喜欢的类型向其推荐电影。

通过使用ConvGNNBuilder方法来指定边缘和节点配置的类型，即对边缘使用WeightedSumConvolution。每次通过GNN时，都将通过Dense互连层来更新节点值：

import tensorflow as tf
import tensorflow_gnn as tfgnn
    # Model hyper-parameters:
h_dims = {'user': 256, 'movie': 64, 'genre': 128}
# Model builder initialization:
gnn = tfgnn.keras.ConvGNNBuilder（
  lambda edge_set_name: WeightedSumConvolution（）,
  lambda node_set_name: tfgnn.keras.layers.NextStateFromConcat（
     tf.keras.layers.Dense（h_dims[node_set_name]））
）
# Two rounds of message passing to target node sets:
model = tf.keras.models.Sequential（[
    gnn.Convolve（{'genre'}）,  # sends messages from movie to genre
    gnn.Convolve（{'user'}）,  # sends messages from movie and genre to users
    tfgnn.keras.layers.Readout（node_set_name="user"）,
    tf.keras.layers.Dense（1）
]）

此外，还可以在某些场景下让GNN使用一个更强大的自定义模型架构。

例如，指定某些电影或流派在推荐时拥有更多的权重。

那么，就可以通过自定义图卷积来生成一个更高级的GNN。

在下面的这段代码中，就用WeightedSumConvolution类来汇集边的值，并作为所有边的权重之和：

class WeightedSumConvolution(tf.keras.layers.Layer):
  """Weighted sum of source nodes states."""
  def call(self, graph: tfgnn.GraphTensor,
           edge_set_name: tfgnn.EdgeSetName) -> tfgnn.Field:
    messages = tfgnn.broadcast_node_to_edges(
        graph,
        edge_set_name,
        tfgnn.SOURCE,
        feature_name=tfgnn.DEFAULT_STATE_NAME)
    weights = graph.edge_sets[edge_set_name]['weight']
    weighted_messages = tf.expand_dims(weights, -1) * messages
    pooled_messages = tfgnn.pool_edges_to_node(
        graph,
        edge_set_name,
        tfgnn.TARGET,
        reduce_type='sum',
        feature_value=weighted_messages)
    return pooled_messages

尽管卷积是在只考虑源节点和目标节点的情况下编写的，但是TF-GNN确保了它的适用性，并且可以无缝地在异构图（具有各种类型的节点和边）上工作。

安装说明

这是目前安装tensorflow_gnn预览版的唯一方法。强烈建议使用虚拟环境。

• 克隆tensorflow_gnn

$> git clone https://github.com/tensorflow/gnn.git tensorflow_gnn

• 安装TensorFlow

TF-GNN需要用到TensorFlow 2.7中的一个功能：tf.ExtensionTypes。

$> pip install tensorflow

• 安装Bazel

构建TF-GNN的源代码需要用到Bazel。

• 安装GraphViz

TF-GNN将使用GraphViz作为可视化工具。安装方法因操作系统而异，例如，在Ubuntu中：

$> sudo apt-get install graphviz graphviz-dev

• 安装tensorflow_gnn

$> cd tensorflow_gnn && python3 -m pip install

参考资料：

https://blog.tensorflow.org/2021/11/introducing-tensorflow-gnn.html?m=1

https://github.com/tensorflow/gnn