神经算法推理的基石是解决算法任务的能力，尤其是以一种概括分布的方式。尽管近年来，该领域的方法学改进激增，但它们主要集中在建立专家模型上。专业模型能够学习仅执行一种算法或具有相同控制流骨干的算法的集合。相反，在这里，我们专注于构建通才神经算法学习者 - 单个图形神经网络处理器，能够学习执行各种算法，例如分类，搜索，动态编程，路径触发和几何学。我们利用CLRS基准来凭经验表明，就像在感知领域的最新成功一样，通才算法学习者可以通过“合并”知识来构建。也就是说，只要我们能够在单任务制度中学习很好地执行它们，就可以以多任务的方式有效地学习算法。在此激励的基础上，我们为CLR提供了一系列改进，对CLR的输入表示，培训制度和处理器体系结构，将平均单任务性能提高了20％以上。然后，我们进行了多任务学习者的彻底消融，以利用这些改进。我们的结果表明，一位通才学习者有效地结合了专家模型所捕获的知识。

组合优化是运营研究和计算机科学领域的一个公认领域。直到最近，它的方法一直集中在孤立地解决问题实例，而忽略了它们通常源于实践中的相关数据分布。但是，近年来，人们对使用机器学习，尤其是图形神经网络（GNN）的兴趣激增，作为组合任务的关键构件，直接作为求解器或通过增强确切的求解器。GNN的电感偏差有效地编码了组合和关系输入，因为它们对排列和对输入稀疏性的意识的不变性。本文介绍了对这个新兴领域的最新主要进步的概念回顾，旨在优化和机器学习研究人员。

Neural networks leverage robust internal representations in order to generalise. Learning them is difficult, and often requires a large training set that covers the data distribution densely. We study a common setting where our task is not purely opaque. Indeed, very often we may have access to information about the underlying system (e.g. that observations must obey certain laws of physics) that any "tabula rasa" neural network would need to re-learn from scratch, penalising performance. We incorporate this information into a pre-trained reasoning module, and investigate its role in shaping the discovered representations in diverse self-supervised learning settings from pixels. Our approach paves the way for a new class of representation learning, grounded in algorithmic priors.

Interacting systems are prevalent in nature, from dynamical systems in physics to complex societal dynamics. The interplay of components can give rise to complex behavior, which can often be explained using a simple model of the system's constituent parts. In this work, we introduce the neural relational inference (NRI) model: an unsupervised model that learns to infer interactions while simultaneously learning the dynamics purely from observational data. Our model takes the form of a variational auto-encoder, in which the latent code represents the underlying interaction graph and the reconstruction is based on graph neural networks. In experiments on simulated physical systems, we show that our NRI model can accurately recover ground-truth interactions in an unsupervised manner. We further demonstrate that we can find an interpretable structure and predict complex dynamics in real motion capture and sports tracking data.

最近的研究表明，图形神经网络（GNNS）可以学习适用于典型的多层Perceptron（MLP）的运动控制的政策，具有卓越的转移和多任务性能（Wang等，2018; Huang Et al。，2020）。到目前为止，由于传感器和致动器的数量增长，GNN的性能随着传感器和执行器的数量而迅速变化，结果已经限于对小剂量的训练。在监督学习环境中使用GNN的关键动机是它们对大图的适用性，但尚未实现这种益处用于运动控制。我们将宽松的GNN架构中的弱点识别出导致这种较差的缩放：在网络中的MLP中过度拟合，用于编码，解码和传播消息。为了打击这一点，我们引入了雪花，一种用于高维连续控制的GNN训练方法，可以冻结受影响的网络部分中的参数。雪花显着提高了GNN在大型代理上的运动控制的性能，现在与MLP的性能相匹配，以及具有卓越的转移性能。

通常通过将许多输入张量汇总为单个表示形式来处理神经网络中神经网络中的处理集或其他无序的，潜在的变化大小的输入。尽管从简单的汇总到多头关注已经存在许多聚合方法，但从理论和经验的角度来看，它们的代表力都受到限制。在搜索主要功能更强大的聚合策略时，我们提出了一种基于优化的方法，称为平衡聚​​集。我们表明，许多现有的聚合方法可以作为平衡聚集的特殊情况恢复，并且在某些重要情况下，它效率更高。在许多现有的架构和应用中，平衡聚集可以用作置换式替换。我们在三个不同的任务上验证其效率：中值估计，班级计数和分子性质预测。在所有实验中，平衡聚集的性能都比我们测试的其他聚合技术更高。

在本文中，我们试图通过引入深度学习模型的句法归纳偏见来建立两所学校之间的联系。我们提出了两个归纳偏见的家族，一个家庭用于选区结构，另一个用于依赖性结构。选区归纳偏见鼓励深度学习模型使用不同的单位（或神经元）分别处理长期和短期信息。这种分离为深度学习模型提供了一种方法，可以从顺序输入中构建潜在的层次表示形式，即更高级别的表示由高级表示形式组成，并且可以分解为一系列低级表示。例如，在不了解地面实际结构的情况下，我们提出的模型学会通过根据其句法结构组成变量和运算符的表示来处理逻辑表达。另一方面，依赖归纳偏置鼓励模型在输入序列中找到实体之间的潜在关系。对于自然语言，潜在关系通常被建模为一个定向依赖图，其中一个单词恰好具有一个父节点和零或几个孩子的节点。将此约束应用于类似变压器的模型之后，我们发现该模型能够诱导接近人类专家注释的有向图，并且在不同任务上也优于标准变压器模型。我们认为，这些实验结果为深度学习模型的未来发展展示了一个有趣的选择。

即使机器学习算法已经在数据科学中发挥了重要作用，但许多当前方法对输入数据提出了不现实的假设。由于不兼容的数据格式，或数据集中的异质，分层或完全缺少的数据片段，因此很难应用此类方法。作为解决方案，我们提出了一个用于样本表示，模型定义和培训的多功能，统一的框架，称为“ Hmill”。我们深入审查框架构建和扩展的机器学习的多个范围范式。从理论上讲，为HMILL的关键组件的设计合理，我们将通用近似定理的扩展显示到框架中实现的模型所实现的所有功能的集合。本文还包含有关我们实施中技术和绩效改进的详细讨论，该讨论将在MIT许可下发布供下载。该框架的主要资产是其灵活性，它可以通过相同的工具对不同的现实世界数据源进行建模。除了单独观察到每个对象的一组属性的标准设置外，我们解释了如何在框架中实现表示整个对象系统的图表中的消息推断。为了支持我们的主张，我们使用框架解决了网络安全域的三个不同问题。第一种用例涉及来自原始网络观察结果的IoT设备识别。在第二个问题中，我们研究了如何使用以有向图表示的操作系统的快照可以对恶意二进制文件进行分类。最后提供的示例是通过网络中实体之间建模域黑名单扩展的任务。在所有三个问题中，基于建议的框架的解决方案可实现与专业方法相当的性能。

用于图形组合优化问题的神经网络溶剂的端到端培训，例如旅行销售人员问题（TSP）最近看到了感兴趣的激增，但在几百节节点的图表中保持棘手和效率低下。虽然最先进的学习驱动的方法对于TSP在培训的古典索引时与古典求解器密切相关，但它们无法通过实际尺度的实际情况概括到更大的情况。这项工作提出了一个端到端的神经组合优化流水线，统一几个卷纸，以确定促进比在训练中看到的实例的概括的归纳偏差，模型架构和学习算法。我们的受控实验提供了第一个原则上调查这种零拍摄的概括，揭示了超越训练数据的推断需要重新思考从网络层和学习范例到评估协议的神经组合优化流水线。此外，我们分析了深入学习的最近进步，通过管道的镜头路由问题，并提供新的方向，以刺激未来的研究。

Graph classification is an important area in both modern research and industry. Multiple applications, especially in chemistry and novel drug discovery, encourage rapid development of machine learning models in this area. To keep up with the pace of new research, proper experimental design, fair evaluation, and independent benchmarks are essential. Design of strong baselines is an indispensable element of such works. In this thesis, we explore multiple approaches to graph classification. We focus on Graph Neural Networks (GNNs), which emerged as a de facto standard deep learning technique for graph representation learning. Classical approaches, such as graph descriptors and molecular fingerprints, are also addressed. We design fair evaluation experimental protocol and choose proper datasets collection. This allows us to perform numerous experiments and rigorously analyze modern approaches. We arrive to many conclusions, which shed new light on performance and quality of novel algorithms. We investigate application of Jumping Knowledge GNN architecture to graph classification, which proves to be an efficient tool for improving base graph neural network architectures. Multiple improvements to baseline models are also proposed and experimentally verified, which constitutes an important contribution to the field of fair model comparison.

Pre-publication draft of a book to be published byMorgan & Claypool publishers. Unedited version released with permission. All relevant copyrights held by the author and publisher extend to this pre-publication draft.

This paper surveys the recent attempts, both from the machine learning and operations research communities, at leveraging machine learning to solve combinatorial optimization problems. Given the hard nature of these problems, state-of-the-art algorithms rely on handcrafted heuristics for making decisions that are otherwise too expensive to compute or mathematically not well defined. Thus, machine learning looks like a natural candidate to make such decisions in a more principled and optimized way. We advocate for pushing further the integration of machine learning and combinatorial optimization and detail a methodology to do so. A main point of the paper is seeing generic optimization problems as data points and inquiring what is the relevant distribution of problems to use for learning on a given task.

在过去十年中，图形内核引起了很多关注，并在结构化数据上发展成为一种快速发展的学习分支。在过去的20年中，该领域发生的相当大的研究活动导致开发数十个图形内核，每个图形内核都对焦于图形的特定结构性质。图形内核已成功地成功地在广泛的域中，从社交网络到生物信息学。本调查的目标是提供图形内核的文献的统一视图。特别是，我们概述了各种图形内核。此外，我们对公共数据集的几个内核进行了实验评估，并提供了比较研究。最后，我们讨论图形内核的关键应用，并概述了一些仍有待解决的挑战。

尽管深度强化学习（RL）最近取得了许多成功，但其方法仍然效率低下，这使得在数据方面解决了昂贵的许多问题。我们的目标是通过利用未标记的数据中的丰富监督信号来进行学习状态表示，以解决这一问题。本文介绍了三种不同的表示算法，可以访问传统RL算法使用的数据源的不同子集使用：（i）GRICA受到独立组件分析（ICA）的启发，并训练深层神经网络以输出统计独立的独立特征。输入。 Grica通过最大程度地减少每个功能与其他功能之间的相互信息来做到这一点。此外，格里卡仅需要未分类的环境状态。 （ii）潜在表示预测（LARP）还需要更多的上下文：除了要求状态作为输入外，它还需要先前的状态和连接它们的动作。该方法通过预测当前状态和行动的环境的下一个状态来学习状态表示。预测器与图形搜索算法一起使用。 （iii）重新培训通过训练深层神经网络来学习国家表示，以学习奖励功能的平滑版本。该表示形式用于预处理输入到深度RL，而奖励预测指标用于奖励成型。此方法仅需要环境中的状态奖励对学习表示表示。我们发现，每种方法都有其优势和缺点，并从我们的实验中得出结论，包括无监督的代表性学习在RL解决问题的管道中可以加快学习的速度。

In the last few years, graph neural networks (GNNs) have become the standard toolkit for analyzing and learning from data on graphs. This emerging field has witnessed an extensive growth of promising techniques that have been applied with success to computer science, mathematics, biology, physics and chemistry. But for any successful field to become mainstream and reliable, benchmarks must be developed to quantify progress. This led us in March 2020 to release a benchmark framework that i) comprises of a diverse collection of mathematical and real-world graphs, ii) enables fair model comparison with the same parameter budget to identify key architectures, iii) has an open-source, easy-to-use and reproducible code infrastructure, and iv) is flexible for researchers to experiment with new theoretical ideas. As of December 2022, the GitHub repository has reached 2,000 stars and 380 forks, which demonstrates the utility of the proposed open-source framework through the wide usage by the GNN community. In this paper, we present an updated version of our benchmark with a concise presentation of the aforementioned framework characteristics, an additional medium-sized molecular dataset AQSOL, similar to the popular ZINC, but with a real-world measured chemical target, and discuss how this framework can be leveraged to explore new GNN designs and insights. As a proof of value of our benchmark, we study the case of graph positional encoding (PE) in GNNs, which was introduced with this benchmark and has since spurred interest of exploring more powerful PE for Transformers and GNNs in a robust experimental setting.

近年来，基于Weisfeiler-Leman算法的算法和神经架构，是一个众所周知的Graph同构问题的启发式问题，它成为具有图形和关系数据的机器学习的强大工具。在这里，我们全面概述了机器学习设置中的算法的使用，专注于监督的制度。我们讨论了理论背景，展示了如何将其用于监督的图形和节点表示学习，讨论最近的扩展，并概述算法的连接（置换 - ）方面的神经结构。此外，我们概述了当前的应用和未来方向，以刺激进一步的研究。

AI的一个关键挑战是构建体现的系统，该系统在动态变化的环境中运行。此类系统必须适应更改任务上下文并持续学习。虽然标准的深度学习系统实现了最先进的静态基准的结果，但它们通常在动态方案中挣扎。在这些设置中，来自多个上下文的错误信号可能会彼此干扰，最终导致称为灾难性遗忘的现象。在本文中，我们将生物学启发的架构调查为对这些问题的解决方案。具体而言，我们表明树突和局部抑制系统的生物物理特性使网络能够以特定于上下文的方式动态限制和路由信息。我们的主要贡献如下。首先，我们提出了一种新颖的人工神经网络架构，该架构将活跃的枝形和稀疏表示融入了标准的深度学习框架中。接下来，我们在需要任务的适应性的两个单独的基准上研究这种架构的性能：Meta-World，一个机器人代理必须学习同时解决各种操纵任务的多任务强化学习环境;和一个持续的学习基准，其中模型的预测任务在整个训练中都会发生变化。对两个基准的分析演示了重叠但不同和稀疏的子网的出现，允许系统流动地使用最小的遗忘。我们的神经实现标志在单一架构上第一次在多任务和持续学习设置上取得了竞争力。我们的研究揭示了神经元的生物学特性如何通知深度学习系统，以解决通常不可能对传统ANN来解决的动态情景。

高吞吐量数据处理应用的高效硬件加速器设计，例如深度神经网络，是计算机架构设计中有挑战性的任务。在这方面，高级合成（HLS）作为快速原型设计的解决方案，从应用程序计算流程的行为描述开始。这种设计空间探索（DSE）旨在识别帕累托最佳的合成配置，其穷举搜索由于设计空间维度和合成过程的禁止计算成本而往往不可行。在该框架内，我们通过提出在文献中，有效和有效地解决了设计问题图形神经网络，该神经网络共同预测了合成的行为规范的加速性能和硬件成本给出了优化指令。考虑到性能和成本估计，学习模型可用于通过引导DSE来快速接近帕累托曲线。所提出的方法优于传统的HLS驱动DSE方法，通过考虑任意长度的计算机程序和输入的不变特性。我们提出了一种新颖的混合控制和数据流图表示，可以在不同硬件加速器的规格上培训图形神经网络;该方法自然地转移到解除数据处理应用程序。此外，我们表明我们的方法实现了与常用模拟器的预测准确性相当，而无需访问HLS编译器和目标FPGA的分析模型，同时是更快的数量级。最后，通过微调来自新目标域的少量样本，可以在未开发的配置空间中解放所学习的表示。

基于深度学习的分子建模的最新进步令人兴奋地加速硅药发现。可获得血清的生成模型，构建原子原子和键合或逐片键的分子。然而，许多药物发现项目需要固定的支架以存在于所生成的分子中，并纳入该约束仅探讨了该约束。在这里，我们提出了一种基于图形的模型，其自然地支持支架作为生成过程的初始种子，这是可能的，因为它不调节在发电历史上。我们的实验表明，Moler与最先进的方法进行了相当的方法，在无约会的分子优化任务上，并且在基于脚手架的任务上优于它们，而不是比现有方法从培训和样本更快的数量级。此外，我们展示了许多看似小设计选择对整体性能的影响。

这篇简短的评论旨在使读者熟悉与计划，调度和学习有关的最新作品。首先，我们研究最先进的计划算法。我们简要介绍神经网络。然后，我们更详细地探索图形神经网络，这是一种适合处理图形结构输入的神经网络的最新变体。我们简要描述了强化学习算法和迄今为止设计的一些方法的概念。接下来，我们研究了一些成功的方法，结合了用于路径规划的神经网络。最后，我们专注于不确定性的时间计划问题。