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.

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.

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。

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。

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.

图表神经网络（GNNS）最近在人工智能（AI）领域的普及，这是由于它们作为输入数据相对非结构化数据类型的独特能力。尽管GNN架构的一些元素在概念上类似于传统神经网络（以及神经网络变体）的操作中，但是其他元件代表了传统深度学习技术的偏离。本教程通过整理和呈现有关GNN最常见和性能变种的动机，概念，数学和应用的细节，将GNN的权力和新颖性暴露给AI从业者。重要的是，我们简明扼要地向实际示例提出了本教程，从而为GNN的主题提供了实用和可访问的教程。

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。

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.

Graphs are ubiquitous in nature and can therefore serve as models for many practical but also theoretical problems. For this purpose, they can be defined as many different types which suitably reflect the individual contexts of the represented problem. To address cutting-edge problems based on graph data, the research field of Graph Neural Networks (GNNs) has emerged. Despite the field's youth and the speed at which new models are developed, many recent surveys have been published to keep track of them. Nevertheless, it has not yet been gathered which GNN can process what kind of graph types. In this survey, we give a detailed overview of already existing GNNs and, unlike previous surveys, categorize them according to their ability to handle different graph types and properties. We consider GNNs operating on static and dynamic graphs of different structural constitutions, with or without node or edge attributes. Moreover, we distinguish between GNN models for discrete-time or continuous-time dynamic graphs and group the models according to their architecture. We find that there are still graph types that are not or only rarely covered by existing GNN models. We point out where models are missing and give potential reasons for their absence.

图表神经网络（GNN）已被广泛用于学习图形结构数据的矢量表示，并实现比传统方法更好的任务性能。 GNN的基础是消息传递过程，它将节点中的信息传播到其邻居。由于该过程每层进行一个步骤，因此节点之间的信息传播的范围在下层中很小，并且它朝向更高的层扩展。因此，GNN模型必须深入地捕获图中的全局结构信息。另一方面，众所周知，深入的GNN模型遭受性能下降，因为它们丢失了节点的本地信息，这对于良好的模型性能至关重要，通过许多消息传递步骤。在本研究中，我们提出了用于图形级分类任务的多级注意汇总（MLAP），这可以适应图表中的本地和全局结构信息。对于每个消息传递步骤，它具有注意池层，通过统一层方格图表示来计算最终图表示。 MLAP架构允许模型利用具有多个级别的本地图形的结构信息，因为它在由于过度的过天气丢失时保留了层面信息。我们的实验结果表明，与基线架构相比，MLAP架构提高了图形分类性能。此外，图表表示的分析表明，来自多个级别的地方的聚合信息确实具有提高学习图表表示的可怜的潜力。

几何深度学习取得了长足的进步，旨在概括从传统领域到非欧几里得群岛的结构感知神经网络的设计，从而引起图形神经网络（GNN），这些神经网络（GNN）可以应用于形成的图形结构数据，例如社会，例如，网络，生物化学和材料科学。尤其是受欧几里得对应物的启发，尤其是图形卷积网络（GCN）通过提取结构感知功能来成功处理图形数据。但是，当前的GNN模型通常受到各种现象的限制，这些现象限制了其表达能力和推广到更复杂的图形数据集的能力。大多数模型基本上依赖于通过本地平均操作对图形信号的低通滤波，从而导致过度平滑。此外，为了避免严重的过度厚度，大多数流行的GCN式网络往往是较浅的，并且具有狭窄的接收场，导致侵犯。在这里，我们提出了一个混合GNN框架，该框架将传统的GCN过滤器与通过几何散射定义的带通滤波器相结合。我们进一步介绍了一个注意框架，该框架允许该模型在节点级别上从不同过滤器的组合信息进行本地参与。我们的理论结果确定了散射过滤器的互补益处，以利用图表中的结构信息，而我们的实验显示了我们方法对各种学习任务的好处。

在三维分子结构上运行的计算方法有可能解决生物学和化学的重要问题。特别地，深度神经网络的重视，但它们在生物分子结构域中的广泛采用受到缺乏系统性能基准或统一工具包的限制，用于与分子数据相互作用。为了解决这个问题，我们呈现Atom3D，这是一个新颖的和现有的基准数据集的集合，跨越几个密钥的生物分子。我们为这些任务中的每一个实施多种三维分子学习方法，并表明它们始终如一地提高了基于单维和二维表示的方法的性能。结构的具体选择对于性能至关重要，具有涉及复杂几何形状的任务的三维卷积网络，在需要详细位置信息的系统中表现出良好的图形网络，以及最近开发的设备越多的网络显示出显着承诺。我们的结果表明，许多分子问题符合三维分子学习的增益，并且有可能改善许多仍然过分曝光的任务。为了降低进入并促进现场进一步发展的障碍，我们还提供了一套全面的DataSet处理，模型培训和在我们的开源ATOM3D Python包中的评估工具套件。所有数据集都可以从https://www.atom3d.ai下载。

图表表示学习是一种快速增长的领域，其中一个主要目标是在低维空间中产生有意义的图形表示。已经成功地应用了学习的嵌入式来执行各种预测任务，例如链路预测，节点分类，群集和可视化。图表社区的集体努力提供了数百种方法，但在所有评估指标下没有单一方法擅长，例如预测准确性，运行时间，可扩展性等。该调查旨在通过考虑算法来评估嵌入方法的所有主要类别的图表变体，参数选择，可伸缩性，硬件和软件平台，下游ML任务和多样化数据集。我们使用包含手动特征工程，矩阵分解，浅神经网络和深图卷积网络的分类法组织了图形嵌入技术。我们使用广泛使用的基准图表评估了节点分类，链路预测，群集和可视化任务的这些类别算法。我们在Pytorch几何和DGL库上设计了我们的实验，并在不同的多核CPU和GPU平台上运行实验。我们严格地审查了各种性能指标下嵌入方法的性能，并总结了结果。因此，本文可以作为比较指南，以帮助用户选择最适合其任务的方法。

Molecular "fingerprints" encoding structural information are the workhorse of cheminformatics and machine learning in drug discovery applications. However, fingerprint representations necessarily emphasize particular aspects of the molecular structure while ignoring others, rather than allowing the model to make datadriven decisions. We describe molecular graph convolutions, a machine learning architecture for learning from undirected graphs, specifically small molecules. Graph convolutions use a simple encoding of the molecular graph-atoms, bonds, distances, etc.-which allows the model to take greater advantage of information in the graph structure. Although graph convolutions do not outperform all fingerprint-based methods, they (along with other graph-based methods) represent a new paradigm in ligand-based virtual screening with exciting opportunities for future improvement.

图形神经网络（GNNS）通过考虑其内在的几何形状来扩展神经网络的成功到图形结构化数据。尽管根据图表学习基准的集合，已经对开发具有卓越性能的GNN模型进行了广泛的研究，但目前尚不清楚其探测给定模型的哪些方面。例如，他们在多大程度上测试模型利用图形结构与节点特征的能力？在这里，我们开发了一种原则性的方法来根据$ \ textit {敏感性配置文件} $进行基准测试数据集，该方法基于由于图形扰动的集合而导致的GNN性能变化了多少。我们的数据驱动分析提供了对GNN利用哪些基准测试数据特性的更深入的了解。因此，我们的分类法可以帮助选择和开发适当的图基准测试，并更好地评估未来的GNN方法。最后，我们在$ \ texttt {gtaxogym} $软件包中的方法和实现可扩展到多个图形预测任务类型和未来数据集。

消息传递神经网络（MPNNS）是由于其简单性和可扩展性而大部分地进行图形结构数据的深度学习的领先架构。不幸的是，有人认为这些架构的表现力有限。本文提出了一种名为Comifariant Subgraph聚合网络（ESAN）的新颖框架来解决这个问题。我们的主要观察是，虽然两个图可能无法通过MPNN可区分，但它们通常包含可区分的子图。因此，我们建议将每个图形作为由某些预定义策略导出的一组子图，并使用合适的等分性架构来处理它。我们为图同构同构同构造的1立维Weisfeiler-Leman（1-WL）测试的新型变体，并在这些新的WL变体方面证明了ESAN的表达性下限。我们进一步证明，我们的方法增加了MPNNS和更具表现力的架构的表现力。此外，我们提供了理论结果，描述了设计选择诸如子图选择政策和等效性神经结构的设计方式如何影响我们的架构的表现力。要处理增加的计算成本，我们提出了一种子图采样方案，可以将其视为我们框架的随机版本。关于真实和合成数据集的一套全面的实验表明，我们的框架提高了流行的GNN架构的表现力和整体性能。

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。

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。

我们提出了一个新的图形神经网络，我们称为AgentNet，该网络专为图形级任务而设计。 AgentNet的灵感来自子宫性算法，具有独立于图形大小的计算复杂性。代理Net的体系结构从根本上与已知图神经网络的体系结构不同。在AgentNet中，一些受过训练的\ textit {神经代理}智能地行走图，然后共同决定输出。我们提供了对AgentNet的广泛理论分析：我们表明，代理可以学会系统地探索其邻居，并且AgentNet可以区分某些甚至3-WL无法区分的结构。此外，AgentNet能够将任何两个图形分开，这些图在子图方面完全不同。我们通过在难以辨认的图和现实图形分类任务上进行合成实验来确认这些理论结果。在这两种情况下，我们不仅与标准GNN相比，而且与计算更昂贵的GNN扩展相比。