图神经网络（GNN）在图形深学习域中受到了很多关注。但是，从经验和理论上，最近的研究表明，深度GNN遭受了过度拟合和过度平滑的问题。通常的解决方案不能解决深度GNN的大量运行时，或者在同一特征空间中限制了图形卷积。我们提出了自适应图扩散网络（AGDN），该网络在具有中等复杂性和运行时的不同特征空间中执行多层广义图扩散。标准图扩散方法将过渡矩阵的大且密集的功率与预定义的加权系数结合在一起。取而代之的是，AGDN将较小的多跳节点表示与可学习的加权系数结合在一起。我们提出了两种可扩展的加权系数机制，以捕获多跳信息：趋于关注（HA）和霍普·沃斯卷积（HC）。我们评估了具有半监督节点分类和链接预测任务的多样性，挑战开放图基准（OGB）数据集的AGDN。直到提交日期（2022年8月26日），AGDNS在OGBN-ARXIV，OGBN-蛋白质和OGBL-DDI数据集中实现了TOP-1性能，并且在OGBL-Citater2数据集中获得了TOP-3性能。在类似的Tesla V100 GPU卡上，AGDNS优于可逆的GNNS（REVGNNS），其复杂性为13％，REVGNN在OGBN-Proteins数据集上的培训时间为1％。 AGDN还可以通过36％的训练来实现与密封的可比性能，而OGBL-Citation2数据集的密封量为0.2％的推理运行时。

图形神经网络（GNNS）在学习的图形结构化数据中显示了包含节点/边缘特征信息的图表，应用于社交网络，推荐，欺诈检测和知识图形推理。在这方面，过去已经提出了各种策略，以改善GNN的富有效率。例如，一个简单的选项是通过扩展HID-DIN维度或增加GNN层的数量来简单地增加参数大小。然而，更宽的隐藏层可以容易地导致过度拟合，逐步添加更多GNN层可能导致过度的过度。在本文中，我们提出了一种模型 - 不可知方法，即图形神经网络（NGNN）中的网络，允许任意GNN模型通过使模型更深的模型来提高模型容量。然而，除了添加或加宽GNN层，NGNN通过在每个GNN层内插入非线性前馈神经网络层来加深GNN模型。在OGBN - 产品数据上应用于Graphsage基础GNN的NGNN分析表明它可以将模型保持对节点特征或图形结构扰动的稳定性。此外，对节点分类和链路预测任务的广泛评估结果表明，NGNN在不同的GNN架构上可靠地工作。对于实例，它可以提高OGBN-Products上的GraphSage的测试精度，并提高了@ 100分数ogbl-ppa上的密封率为7.08％，并且Propsage + Edge-Attr在ogbl-ppi上的Hits @ 20分数达到6.22％。在此提交时，它实现了OGB链路预测排行榜上的两个第一个位置。

A prominent paradigm for graph neural networks is based on the message passing framework. In this framework, information communication is realized only between neighboring nodes. The challenge of approaches that use this paradigm is to ensure efficient and accurate \textit{long distance communication} between nodes, as deep convolutional networks are prone to over-smoothing. In this paper, we present a novel method based on time derivative graph diffusion (TIDE), with a learnable time parameter. Our approach allows to adapt the spatial extent of diffusion across different tasks and network channels, thus enabling medium and long-distance communication efficiently. Furthermore, we show that our architecture directly enables local message passing and thus inherits from the expressive power of local message passing approaches. We show that on widely used graph benchmarks we achieve comparable performance and on a synthetic mesh dataset we outperform state-of-the-art methods like GCN or GRAND by a significant margin.

图形神经网络（GNN）已被广泛应用于各种领域，以通过图形结构数据学习。在各种任务（例如节点分类和图形分类）中，他们对传统启发式方法显示了显着改进。但是，由于GNN严重依赖于平滑的节点特征而不是图形结构，因此在链接预测中，它们通常比简单的启发式方法表现出差的性能，例如，结构信息（例如，重叠的社区，学位和最短路径）至关重要。为了解决这一限制，我们建议邻里重叠感知的图形神经网络（NEO-GNNS），这些神经网络（NEO-GNNS）从邻接矩阵中学习有用的结构特征，并估算了重叠的邻域以进行链接预测。我们的Neo-Gnns概括了基于社区重叠的启发式方法，并处理重叠的多跳社区。我们在开放图基准数据集（OGB）上进行的广泛实验表明，NEO-GNNS始终在链接预测中实现最新性能。我们的代码可在https://github.com/seongjunyun/neo_gnns上公开获取。

近年来，异构图形神经网络（HGNNS）一直在开花，但每个工作所使用的独特数据处理和评估设置会让他们的进步完全了解。在这项工作中，我们通过使用其官方代码，数据集，设置和超参数来展示12个最近的HGNN的系统再现，揭示了关于HGNN的进展的令人惊讶的结果。我们发现，由于设置不当，简单的均匀GNN，例如GCN和GAT在很大程度上低估了。具有适当输入的GAT通常可以匹配或优于各种场景的所有现有HGNN。为了促进稳健和可重复的HGNN研究，我们构建异构图形基准（HGB），由具有三个任务的11个不同数据集组成。 HGB标准化异构图数据分割，特征处理和性能评估的过程。最后，我们介绍了一个简单但非常强大的基线简单 - HGN - 这显着优于HGB上以前的所有模型 - 以加速未来HGNN的进步。

Graph神经网络（GNN）最近在许多基于图的应用程序中都实现了最先进的性能。尽管具有很高的表现力，但他们通常需要在多个培训时期进行昂贵的递归邻里扩展，并面临可伸缩性问题。此外，它们中的大多数是不灵活的，因为它们仅限于固定跳跃社区，并且对不同节点的实际接受场需求不敏感。我们通过引入可扩展且灵活的图表多层感知器（GAMLP）来规避这些限制。随着非线性转化和特征传播的分离，GAMLP通过以预先计算的方式执行传播程序来显着提高可伸缩性和效率。有了三个原则的接受场注意力，GAMLP中的每个节点都具有灵活性和适应性，以利用接收场的不同尺寸的传播特征。我们对三个大型开放图基准（例如OGBN-PAPERS100M，OGBN产品和OGBN-MAG）进行了广泛的评估，这表明GAMLP不仅可以实现前面的性能，而且还提供了较高的可扩展性和效率。

Deep learning has revolutionized many machine learning tasks in recent years, ranging from image classification and video processing to speech recognition and natural language understanding. The data in these tasks are typically represented in the Euclidean space. However, there is an increasing number of applications where data are generated from non-Euclidean domains and are represented as graphs with complex relationships and interdependency between objects. The complexity of graph data has imposed significant challenges on existing machine learning algorithms. Recently, many studies on extending deep learning approaches for graph data have emerged. In this survey, we provide a comprehensive overview of graph neural networks (GNNs) in data mining and machine learning fields. We propose a new taxonomy to divide the state-of-the-art graph neural networks into four categories, namely recurrent graph neural networks, convolutional graph neural networks, graph autoencoders, and spatial-temporal graph neural networks. We further discuss the applications of graph neural networks across various domains and summarize the open source codes, benchmark data sets, and model evaluation of graph neural networks. Finally, we propose potential research directions in this rapidly growing field.

图形神经网络（GNN）在许多基于图的应用程序中取得了巨大成功。但是，巨大的尺寸和高稀疏度的图表阻碍了其在工业场景下的应用。尽管为大规模图提出了一些可扩展的GNN，但它们为每个节点采用固定的$ k $ hop邻域，因此在稀疏区域内采用大型繁殖深度时面临过度光滑的问题。为了解决上述问题，我们提出了一种新的GNN体系结构 - 图形注意多层感知器（GAMLP），该架构可以捕获不同图形知识范围之间的基本相关性。我们已经与天使平台部署了GAMLP，并进一步评估了现实世界数据集和大规模工业数据集的GAMLP。这14个图数据集的广泛实验表明，GAMLP在享有高可扩展性和效率的同时，达到了最先进的性能。具体来说，在我们的大规模腾讯视频数据集上的预测准确性方面，它的表现优于1.3 \％，同时达到了高达$ 50 \ times $ triending的速度。此外，它在开放图基准的最大同质和异质图（即OGBN-PAPERS100M和OGBN-MAG）的排行榜上排名第一。

图表可以模拟实体之间的复杂交互，它在许多重要的应用程序中自然出现。这些应用程序通常可以投入到标准图形学习任务中，其中关键步骤是学习低维图表示。图形神经网络（GNN）目前是嵌入方法中最受欢迎的模型。然而，邻域聚合范例中的标准GNN患有区分\ EMPH {高阶}图形结构的有限辨别力，而不是\ EMPH {低位}结构。为了捕获高阶结构，研究人员求助于主题和开发的基于主题的GNN。然而，现有的基于主基的GNN仍然仍然遭受较少的辨别力的高阶结构。为了克服上述局限性，我们提出了一个新颖的框架，以更好地捕获高阶结构的新框架，铰接于我们所提出的主题冗余最小化操作员和注射主题组合的新颖框架。首先，MGNN生成一组节点表示W.R.T.每个主题。下一阶段是我们在图案中提出的冗余最小化，该主题在彼此相互比较并蒸馏出每个主题的特征。最后，MGNN通过组合来自不同图案的多个表示来执行节点表示的更新。特别地，为了增强鉴别的功率，MGNN利用重新注射功能来组合表示的函数w.r.t.不同的主题。我们进一步表明，我们的拟议体系结构增加了GNN的表现力，具有理论分析。我们展示了MGNN在节点分类和图形分类任务上的七个公共基准上表现出最先进的方法。

图形神经网络已成为从图形结构数据学习的不可缺少的工具之一，并且它们的实用性已在各种各样的任务中显示。近年来，建筑设计的巨大改进，导致各种预测任务的性能更好。通常，这些神经架构在同一层中使用可知的权重矩阵组合节点特征聚合和特征转换。这使得分析从各种跳过的节点特征和神经网络层的富有效力来挑战。由于不同的图形数据集显示在特征和类标签分布中的不同级别和异常级别，因此必须了解哪些特征对于没有任何先前信息的预测任务是重要的。在这项工作中，我们将节点特征聚合步骤和深度与图形神经网络分离，并经验分析了不同的聚合特征在预测性能中发挥作用。我们表明，并非通过聚合步骤生成的所有功能都很有用，并且通常使用这些较少的信息特征可能对GNN模型的性能有害。通过我们的实验，我们表明学习这些功能的某些子集可能会导致各种数据集的性能更好。我们建议使用Softmax作为常规器，并从不同跳距的邻居聚合的功能的“软选择器”;和L2 - GNN层的标准化。结合这些技术，我们呈现了一个简单浅的模型，特征选择图神经网络（FSGNN），并经验展示所提出的模型比九个基准数据集中的最先进的GNN模型实现了可比或甚至更高的准确性节点分类任务，具有显着的改进，可达51.1％。

Graph neural networks have shown significant success in the field of graph representation learning. Graph convolutions perform neighborhood aggregation and represent one of the most important graph operations. Nevertheless, one layer of these neighborhood aggregation methods only consider immediate neighbors, and the performance decreases when going deeper to enable larger receptive fields. Several recent studies attribute this performance deterioration to the over-smoothing issue, which states that repeated propagation makes node representations of different classes indistinguishable. In this work, we study this observation systematically and develop new insights towards deeper graph neural networks. First, we provide a systematical analysis on this issue and argue that the key factor compromising the performance significantly is the entanglement of representation transformation and propagation in current graph convolution operations. After decoupling these two operations, deeper graph neural networks can be used to learn graph node representations from larger receptive fields. We further provide a theoretical analysis of the above observation when building very deep models, which can serve as a rigorous and gentle description of the over-smoothing issue. Based on our theoretical and empirical analysis, we propose Deep Adaptive Graph Neural Network (DAGNN) to adaptively incorporate information from large receptive fields. A set of experiments on citation, coauthorship, and co-purchase datasets have confirmed our analysis and insights and demonstrated the superiority of our proposed methods. CCS CONCEPTS• Mathematics of computing → Graph algorithms; • Computing methodologies → Artificial intelligence; Neural networks.

数据增强已广泛用于图像数据和语言数据，但仍然探索图形神经网络（GNN）。现有方法专注于从全局视角增强图表数据，并大大属于两个类型：具有特征噪声注入的结构操纵和对抗训练。但是，最近的图表数据增强方法忽略了GNNS“消息传递机制的本地信息的重要性。在这项工作中，我们介绍了本地增强，这通过其子图结构增强了节点表示的局部。具体而言，我们将数据增强模拟为特征生成过程。鉴于节点的功能，我们的本地增强方法了解其邻居功能的条件分布，并生成更多邻居功能，以提高下游任务的性能。基于本地增强，我们进一步设计了一个新颖的框架：La-GNN，可以以即插即用的方式应用于任何GNN模型。广泛的实验和分析表明，局部增强一致地对各种基准的各种GNN架构始终如一地产生性能改进。

最近，图形神经网络（GNN）通过利用图形结构和节点特征的知识来表现出图表表示的显着性能。但是，他们中的大多数都有两个主要限制。首先，GNN可以通过堆叠更多的层来学习高阶结构信息，但由于过度光滑的问题，无法处理较大的深度。其次，由于昂贵的计算成本和高内存使用情况，在大图上应用这些方法并不容易。在本文中，我们提出了节点自适应特征平滑（NAFS），这是一种简单的非参数方法，该方法构建了没有参数学习的节点表示。 NAFS首先通过特征平滑提取每个节点及其不同啤酒花的邻居的特征，然后自适应地结合了平滑的特征。此外，通过不同的平滑策略提取的平滑特征的合奏可以进一步增强构建的节点表示形式。我们在两个不同的应用程序方案上对四个基准数据集进行实验：节点群集和链接预测。值得注意的是，具有功能合奏的NAFS优于这些任务上最先进的GNN，并减轻上述大多数基于学习的GNN对应物的两个限制。

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.

Graph convolution is the core of most Graph Neural Networks (GNNs) and usually approximated by message passing between direct (one-hop) neighbors. In this work, we remove the restriction of using only the direct neighbors by introducing a powerful, yet spatially localized graph convolution: Graph diffusion convolution (GDC). GDC leverages generalized graph diffusion, examples of which are the heat kernel and personalized PageRank. It alleviates the problem of noisy and often arbitrarily defined edges in real graphs. We show that GDC is closely related to spectral-based models and thus combines the strengths of both spatial (message passing) and spectral methods. We demonstrate that replacing message passing with graph diffusion convolution consistently leads to significant performance improvements across a wide range of models on both supervised and unsupervised tasks and a variety of datasets. Furthermore, GDC is not limited to GNNs but can trivially be combined with any graph-based model or algorithm (e.g. spectral clustering) without requiring any changes to the latter or affecting its computational complexity. Our implementation is available online. 1

图形神经网络（GNNS）由于图形数据的规模和模型参数的数量呈指数增长，因此限制了它们在实际应用中的效用，因此往往会遭受高计算成本。为此，最近的一些作品着重于用彩票假设（LTH）稀疏GNN，以降低推理成本，同时保持绩效水平。但是，基于LTH的方法具有两个主要缺点：1）它们需要对密集模型进行详尽且迭代的训练，从而产生了极大的训练计算成本，2）它们仅修剪图形结构和模型参数，但忽略了节点功能维度，存在大量冗余。为了克服上述局限性，我们提出了一个综合的图形渐进修剪框架，称为CGP。这是通过在一个训练过程中设计在训练图周期修剪范式上进行动态修剪GNN来实现的。与基于LTH的方法不同，提出的CGP方法不需要重新训练，这大大降低了计算成本。此外，我们设计了一个共同策略，以全面地修剪GNN的所有三个核心元素：图形结构，节点特征和模型参数。同时，旨在完善修剪操作，我们将重生过程引入我们的CGP框架，以重新建立修剪但重要的连接。提出的CGP通过在6个GNN体系结构中使用节点分类任务进行评估，包括浅层模型（GCN和GAT），浅但深度散发模型（SGC和APPNP）以及Deep Models（GCNII和RESGCN），总共有14个真实图形数据集，包括来自挑战性开放图基准的大规模图数据集。实验表明，我们提出的策略在匹配时大大提高了训练和推理效率，甚至超过了现有方法的准确性。

消息传递已作为设计图形神经网络（GNN）的有效工具的发展。但是，消息传递的大多数现有方法简单地简单或平均所有相邻的功能更新节点表示。它们受到两个问题的限制，即（i）缺乏可解释性来识别对GNN的预测重要的节点特征，以及（ii）特征过度混合，导致捕获长期依赖和无能为力的过度平滑问题在异质或低同质的下方处理图。在本文中，我们提出了一个节点级胶囊图神经网络（NCGNN），以通过改进的消息传递方案来解决这些问题。具体而言，NCGNN表示节点为节点级胶囊组，其中每个胶囊都提取其相应节点的独特特征。对于每个节点级胶囊，开发了一个新颖的动态路由过程，以适应适当的胶囊，以从设计的图形滤波器确定的子图中聚集。 NCGNN聚集仅有利的胶囊并限制无关的消息，以避免交互节点的过度混合特征。因此，它可以缓解过度平滑的问题，并通过同粒或异质的图表学习有效的节点表示。此外，我们提出的消息传递方案本质上是可解释的，并免于复杂的事后解释，因为图形过滤器和动态路由过程确定了节点特征的子集，这对于从提取的子分类中的模型预测最为重要。关于合成和现实图形的广泛实验表明，NCGNN可以很好地解决过度光滑的问题，并为半监视的节点分类产生更好的节点表示。它的表现优于同质和异质的艺术状态。

在过去几年中，人们对代表性学习的图形神经网络（GNN）的兴趣不大。GNN提供了一个一般有效的框架，可以从图形结构化数据中学习。但是，GNN通常仅使用一个非常有限的邻域的信息来避免过度光滑。希望为模型提供更多信息。在这项工作中，我们将个性化Pagerank（PPR）的极限分布纳入图形注意力网络（GATS）中，以反映较大的邻居信息，而无需引入过度光滑。从直觉上讲，基于个性化Pagerank的消息聚合对应于无限的许多邻里聚合层。我们表明，对于四个广泛使用的基准数据集，我们的模型优于各种基线模型。我们的实施已在线公开。

Deep learning has been shown to be successful in a number of domains, ranging from acoustics, images, to natural language processing. However, applying deep learning to the ubiquitous graph data is non-trivial because of the unique characteristics of graphs. Recently, substantial research efforts have been devoted to applying deep learning methods to graphs, resulting in beneficial advances in graph analysis techniques. In this survey, we comprehensively review the different types of deep learning methods on graphs. We divide the existing methods into five categories based on their model architectures and training strategies: graph recurrent neural networks, graph convolutional networks, graph autoencoders, graph reinforcement learning, and graph adversarial methods. We then provide a comprehensive overview of these methods in a systematic manner mainly by following their development history. We also analyze the differences and compositions of different methods. Finally, we briefly outline the applications in which they have been used and discuss potential future research directions.

图形神经网络（GNNS）最流行的设计范例是1跳消息传递 - 反复反复从1跳邻居聚集特征。但是，1-HOP消息传递的表达能力受Weisfeiler-Lehman（1-WL）测试的界定。最近，研究人员通过同时从节点的K-Hop邻居汇总信息传递到K-HOP消息。但是，尚无分析K-Hop消息传递的表达能力的工作。在这项工作中，我们从理论上表征了K-Hop消息传递的表达力。具体而言，我们首先正式区分了两种k-hop消息传递的内核，它们在以前的作品中经常被滥用。然后，我们通过表明它比1-Hop消息传递更强大，从而表征了K-Hop消息传递的表现力。尽管具有较高的表达能力，但我们表明K-Hop消息传递仍然无法区分一些简单的常规图。为了进一步增强其表现力，我们引入了KP-GNN框架，该框架通过利用每个跳跃中的外围子图信息来改善K-HOP消息。我们证明，KP-GNN可以区分几乎所有常规图，包括一些距离常规图，这些图无法通过以前的距离编码方法来区分。实验结果验证了KP-GNN的表达能力和有效性。 KP-GNN在所有基准数据集中都取得了竞争成果。