Graph-structured data appears frequently in domains including chemistry, natural language semantics, social networks, and knowledge bases. In this work, we study feature learning techniques for graph-structured inputs. Our starting point is previous work on Graph Neural Networks (Scarselli et al., 2009), which we modify to use gated recurrent units and modern optimization techniques and then extend to output sequences. The result is a flexible and broadly useful class of neural network models that has favorable inductive biases relative to purely sequence-based models (e.g., LSTMs) when the problem is graph-structured. We demonstrate the capabilities on some simple AI (bAbI) and graph algorithm learning tasks. We then show it achieves state-of-the-art performance on a problem from program verification, in which subgraphs need to be described as abstract data structures.

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。

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.

由于现实世界编程语言语法的复杂性，因此从原始源代码中的学习程序语义是具有挑战性的，并且由于难以重建长距离关系信息在程序中使用标识符暗示表示的长距离关系信息。在解决第一点时，我们将约束的Horn条款（CHC）视为程序验证问题的标准表示，提供了一种简单而编程的语言独立语法。对于第二个挑战，我们探索CHC的图表表示，并提出了一个新的关系超图神经网络（R-HYGNN）体系结构来学习程序功能。我们介绍了CHC的两个不同的图表。一个称为约束图（CG），并通过将符号及其关系分别翻译成键入节点和二进制边缘，并强调CHC的句法信息，并将其构造为抽象语法树的约束。第二个称为控制和数据流超图（CDHG），并通过表示通过三元超过的控制和数据流来强调CHC的语义信息。然后，我们提出了一种新的GNN体系结构R-HYGNN，扩展了关系图卷积网络，以处理超图。为了评估R-HYGNN从程序中提取语义信息的能力，我们使用R-HYGNN在两个图表上训练模型，以及使用CHC-COMP 2021的基准作为培训数据，在五个具有越来越多的代理任务上进行了越来越多的困难。最困难的代理任务要求该模型预测反例中的条款的出现，这是CHC的满意度。 CDHG在此任务中达到90.59％的精度。此外，R-HYGNN对由290多个条款组成的图表之一具有完美的预测。总体而言，我们的实验表明，R-HYGNN可以捕获复杂的程序功能，以实现指导验证问题。

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。

Two approaches to AI, neural networks and symbolic systems, have been proven very successful for an array of AI problems. However, neither has been able to achieve the general reasoning ability required for human-like intelligence. It has been argued that this is due to inherent weaknesses in each approach. Luckily, these weaknesses appear to be complementary, with symbolic systems being adept at the kinds of things neural networks have trouble with and vice-versa. The field of neural-symbolic AI attempts to exploit this asymmetry by combining neural networks and symbolic AI into integrated systems. Often this has been done by encoding symbolic knowledge into neural networks. Unfortunately, although many different methods for this have been proposed, there is no common definition of an encoding to compare them. We seek to rectify this problem by introducing a semantic framework for neural-symbolic AI, which is then shown to be general enough to account for a large family of neural-symbolic systems. We provide a number of examples and proofs of the application of the framework to the neural encoding of various forms of knowledge representation and neural network. These, at first sight disparate approaches, are all shown to fall within the framework's formal definition of what we call semantic encoding for neural-symbolic AI.

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。

动态类型的语言如JavaScript和Python已成为最受欢迎的使用中的使用中。重要的优势可以从动态类型的程序中的类型注释累积。逐渐键入的这种方法是由Querecript编程系统示例，允许程序员指定部分键入的程序，然后使用静态分析来推断剩余类型。然而，通常，静态类型推断的有效性受到限制，取决于程序结构和初始注释的复杂性。结果，对于可以在动态类型的程序中可以在静态预测类型中推进本领域的新​​方法的强大动机，并且该具有可接受的性能用于交互式编程环境。以前的工作表明了使用深度学习的概率类型推断的承诺。在本文中，我们通过引入一系列图形的神经网络（GNN）模型来推进过去的工作，该模型在新型流程图（TFG）表示上运行。 TFG表示输入程序的元素，作为与语法边缘和数据流边缘连接的图表节点，并且我们的GNN模型训练以预测给定输入程序的TFG中的类型标签。我们为我们的评估数据集中的100种最常见类型的GNN模型研究了不同的设计选择，并显示了我们最佳的准确性的两个GNN配置，分别实现了87.76％和86.89％的前1个精度，优于两个最密切相关的深度学习型推断从过去的工作 - 矮人的前进剂，顶级1的精度为84.62％，兰丹特精确为79.45％。此外，这两种配置的平均推理吞吐量为353.8和1,303.9文件/秒，而DeepTyper的186.7个文件/秒和LambDanet的1,050.3文件/秒。

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。

我们提出了一种调查，其中在构建具有神经网络的模型时包括现有科学知识的方式。纳入领域知识不仅仅是构建科学助理，而且还有许多其他领域，涉及使用人机协作了解数据的其他领域。在许多这样的情况下，基于机器的模型结构可以显着地利用具有以足够精确的形式编码的域的人人类知识。本文审查了通过更改的域名知识：输入，丢失功能和深网络的架构。分类是为了便于阐述：在实践中，我们预计将采用这种变化的组合。在每个类别中，我们描述了所显示的技术，以产生深度神经网络性能的显着变化。

图形神经网络（GNNS）是关于图形机器学习问题的深度学习架构。最近已经表明，GNN的富有效力可以精确地由组合Weisfeiler-Leman算法和有限可变计数逻辑来表征。该对应关系甚至导致了对应于更高维度的WL算法的新的高阶GNN。本文的目的是解释GNN的这些描述性特征。

人工智能代理必须从周围环境中学到学习，并了解所学习的知识，以便做出决定。虽然从数据的最先进的学习通常使用子符号分布式表示，但是使用用于知识表示的一阶逻辑语言，推理通常在更高的抽象级别中有用。结果，将符号AI和神经计算结合成神经符号系统的尝试已经增加。在本文中，我们呈现了逻辑张量网络（LTN），一种神经组织形式和计算模型，通过引入许多值的端到端可分别的一阶逻辑来支持学习和推理，称为真实逻辑作为表示语言深入学习。我们表明LTN为规范提供了统一的语言，以及多个AI任务的计算，如数据聚类，多标签分类，关系学习，查询应答，半监督学习，回归和嵌入学习。我们使用TensorFlow2的许多简单的解释例实施和说明上述每个任务。关键词：神经组音恐怖症，深度学习和推理，许多值逻辑。

In this paper, we propose a control synthesis method for signal temporal logic (STL) specifications with neural networks (NNs). Most of the previous works consider training a controller for only a given STL specification. These approaches, however, require retraining the NN controller if a new specification arises and needs to be satisfied, which results in large consumption of memory and inefficient training. To tackle this problem, we propose to construct NN controllers by introducing encoder-decoder structured NNs with an attention mechanism. The encoder takes an STL formula as input and encodes it into an appropriate vector, and the decoder outputs control signals that will meet the given specification. As the encoder, we consider three NN structures: sequential, tree-structured, and graph-structured NNs. All the model parameters are trained in an end-to-end manner to maximize the expected robustness that is known to be a quantitative semantics of STL formulae. We compare the control performances attained by the above NN structures through a numerical experiment of the path planning problem, showing the efficacy of the proposed approach.

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.

Most graph neural network models rely on a particular message passing paradigm, where the idea is to iteratively propagate node representations of a graph to each node in the direct neighborhood. While very prominent, this paradigm leads to information propagation bottlenecks, as information is repeatedly compressed at intermediary node representations, which causes loss of information, making it practically impossible to gather meaningful signals from distant nodes. To address this issue, we propose shortest path message passing neural networks, where the node representations of a graph are propagated to each node in the shortest path neighborhoods. In this setting, nodes can directly communicate between each other even if they are not neighbors, breaking the information bottleneck and hence leading to more adequately learned representations. Theoretically, our framework generalizes message passing neural networks, resulting in provably more expressive models, and we show that some recent state-of-the-art models are special instances of this framework. Empirically, we verify the capacity of a basic model of this framework on dedicated synthetic experiments, and on real-world graph classification and regression benchmarks, and obtain state-of-the-art results.

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。

最近的研究表明，自然语言理解中的系统概括仍然是最先进的神经模型（如变形金刚和图形神经网络）的挑战。为了解决这一挑战，我们提出了边缘变压器，这是一种新的模型，将灵感与基于规则的符号AI结合起来。边缘变压器中的第一个关键思想是将矢量状态与每个边缘相关联，即使用每对输入节点 - 与每个节点相对，因为它在变压器模型中完成。第二重要创新是一个三角形关注机制，以通过从逻辑编程的统一启发的方式更新边缘表示。我们在关系推理，语义解析和依赖性解析中评估边缘变压器上的成分泛化基准。在所有三种设置中，边缘变压器优于关系感知，通用和古典变压器基线。

归纳逻辑编程（ILP）是一种机器学习的形式。ILP的目标是诱导推广培训示例的假设（一组逻辑规则）。随着ILP转30，我们提供了对该领域的新介绍。我们介绍了必要的逻辑符号和主要学习环境;描述ILP系统的构建块;比较几个维度的几个系统;描述四个系统（Aleph，Tilde，Aspal和Metagol）;突出关键应用领域;最后，总结了未来研究的当前限制和方向。

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。

源代码的最先进的神经模型倾向于在代码的生成时进行评估，并且通常在长地平任务中的产生，例如整个方法体的产生。我们建议使用静态程序分析仪的弱监督来解决这一缺陷。我们的神经统计方法允许深入的生成模型来象征地计算它已经生成的代码中的静态分析工具，长距离语义关系。在培训期间，该模型观察这些关系，并学习生成条件上的程序。考虑到包含该方法的类的剩余部分，我们将我们的方法应用于生成整个Java方法的问题。我们的实验表明，该方法显着地优于最先进的变换器和模型，明确试图在制作程序中没有基本语义错误的程序以及在句法匹配地面真理方面来学习此任务的模型。