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（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。

With the increasing use of Graph Neural Networks (GNNs) in critical real-world applications, several post hoc explanation methods have been proposed to understand their predictions. However, there has been no work in generating explanations on the fly during model training and utilizing them to improve the expressive power of the underlying GNN models. In this work, we introduce a novel explanation-directed neural message passing framework for GNNs, EXPASS (EXplainable message PASSing), which aggregates only embeddings from nodes and edges identified as important by a GNN explanation method. EXPASS can be used with any existing GNN architecture and subgraph-optimizing explainer to learn accurate graph embeddings. We theoretically show that EXPASS alleviates the oversmoothing problem in GNNs by slowing the layer wise loss of Dirichlet energy and that the embedding difference between the vanilla message passing and EXPASS framework can be upper bounded by the difference of their respective model weights. Our empirical results show that graph embeddings learned using EXPASS improve the predictive performance and alleviate the oversmoothing problems of GNNs, opening up new frontiers in graph machine learning to develop explanation-based training frameworks.

图表神经网络（GNNS）最近提出了用于处理图形结构数据的神经网络结构。由于他们所采用的邻国聚合策略，现有的GNNS专注于捕获节点级信息并忽略高级信息。因此，现有的GNN受到本地置换不变性（LPI）问题引起的代表性限制。为了克服这些限制并丰富GNN捕获的特征，我们提出了一种新的GNN框架，称为两级GNN（TL-GNN）。这与节点级信息合并子图级信息。此外，我们提供了对LPI问题的数学分析，这表明子图级信息有利于克服与LPI相关的问题。还提出了一种基于动态编程算法的子图计数方法，并且该具有时间复杂度是O（n ^ 3），n是图的节点的数量。实验表明，TL-GNN优于现有的GNN，实现了最先进的性能。

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.

Learning node embeddings that capture a node's position within the broader graph structure is crucial for many prediction tasks on graphs. However, existing Graph Neural Network (GNN) architectures have limited power in capturing the position/location of a given node with respect to all other nodes of the graph. Here we propose Position-aware Graph Neural Networks (P-GNNs), a new class of GNNs for computing position-aware node embeddings. P-GNN first samples sets of anchor nodes, computes the distance of a given target node to each anchor-set, and then learns a non-linear distance-weighted aggregation scheme over the anchor-sets. This way P-GNNs can capture positions/locations of nodes with respect to the anchor nodes. P-GNNs have several advantages: they are inductive, scalable, and can incorporate node feature information. We apply P-GNNs to multiple prediction tasks including link prediction and community detection. We show that P-GNNs consistently outperform state of the art GNNs, with up to 66% improvement in terms of the ROC AUC score.Node embedding methods can be categorized into Graph Neural Networks (GNNs) approaches (Scarselli et al., 2009),

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.

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。

Machine learning on graphs is an important and ubiquitous task with applications ranging from drug design to friendship recommendation in social networks. The primary challenge in this domain is finding a way to represent, or encode, graph structure so that it can be easily exploited by machine learning models. Traditionally, machine learning approaches relied on user-defined heuristics to extract features encoding structural information about a graph (e.g., degree statistics or kernel functions). However, recent years have seen a surge in approaches that automatically learn to encode graph structure into low-dimensional embeddings, using techniques based on deep learning and nonlinear dimensionality reduction. Here we provide a conceptual review of key advancements in this area of representation learning on graphs, including matrix factorization-based methods, random-walk based algorithms, and graph neural networks. We review methods to embed individual nodes as well as approaches to embed entire (sub)graphs. In doing so, we develop a unified framework to describe these recent approaches, and we highlight a number of important applications and directions for future work.

Recently, graph neural networks (GNNs) have revolutionized the field of graph representation learning through effectively learned node embeddings, and achieved state-of-the-art results in tasks such as node classification and link prediction. However, current GNN methods are inherently flat and do not learn hierarchical representations of graphs-a limitation that is especially problematic for the task of graph classification, where the goal is to predict the label associated with an entire graph. Here we propose DIFFPOOL, a differentiable graph pooling module that can generate hierarchical representations of graphs and can be combined with various graph neural network architectures in an end-to-end fashion. DIFFPOOL learns a differentiable soft cluster assignment for nodes at each layer of a deep GNN, mapping nodes to a set of clusters, which then form the coarsened input for the next GNN layer. Our experimental results show that combining existing GNN methods with DIFFPOOL yields an average improvement of 5-10% accuracy on graph classification benchmarks, compared to all existing pooling approaches, achieving a new state-of-the-art on four out of five benchmark data sets.

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.

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。

异质图具有多个节点和边缘类型，并且在语义上比同质图更丰富。为了学习这种复杂的语义，许多用于异质图的图形神经网络方法使用Metapaths捕获节点之间的多跳相互作用。通常，非目标节点的功能未纳入学习过程。但是，可以存在涉及多个节点或边缘的非线性高阶相互作用。在本文中，我们提出了Simplicial Graph注意网络（SGAT），这是一种简单的复杂方法，可以通过将非目标节点的特征放在简单上来表示这种高阶相互作用。然后，我们使用注意机制和上邻接来生成表示。我们凭经验证明了方法在异质图数据集上使用节点分类任务的方法的功效，并进一步显示了SGAT通过采用随机节点特征来提取结构信息的能力。数值实验表明，SGAT的性能优于其他当前最新的异质图学习方法。

图表学习目的旨在将节点内容与图形结构集成以学习节点/图表示。然而，发现许多现有的图形学习方法在具有高异性级别的数据上不能很好地工作，这是不同类标签之间很大比例的边缘。解决这个问题的最新努力集中在改善消息传递机制上。但是，尚不清楚异质性是否确实会损害图神经网络（GNNS）的性能。关键是要展现一个节点与其直接邻居之间的关系，例如它们是异性还是同质性？从这个角度来看，我们在这里研究了杂质表示在披露连接节点之间的关系之前/之后的杂音表示的作用。特别是，我们提出了一个端到端框架，该框架既学习边缘的类型（即异性/同质性），并利用边缘类型的信息来提高图形神经网络的表现力。我们以两种不同的方式实施此框架。具体而言，为了避免通过异质边缘传递的消息，我们可以通过删除边缘分类器鉴定的异性边缘来优化图形结构。另外，可以利用有关异性邻居的存在的信息进行特征学习，因此，设计了一种混合消息传递方法来汇总同质性邻居，并根据边缘分类使异性邻居多样化。广泛的实验表明，在整个同质级别的多个数据集上，通过在多个数据集上提出的框架对GNN的绩效提高了显着提高。

链接预测是一项重要的任务，在各个域中具有广泛的应用程序。但是，大多数现有的链接预测方法都假定给定的图遵循同质的假设，并设计基于相似性的启发式方法或表示学习方法来预测链接。但是，许多现实世界图是异性图，同义假设不存在，这挑战了现有的链接预测方法。通常，在异性图中，有许多引起链接形成的潜在因素，并且两个链接的节点在一个或两个因素中往往相似，但在其他因素中可能是不同的，导致总体相似性较低。因此，一种方法是学习每个节点的分离表示形式，每个矢量捕获一个因子上的节点的潜在表示，这铺平了一种方法来模拟异性图中的链接形成，从而导致更好的节点表示学习和链接预测性能。但是，对此的工作非常有限。因此，在本文中，我们研究了一个新的问题，该问题是在异性图上进行链接预测的分离表示学习。我们提出了一种新颖的框架分解，可以通过建模链接形成并执行感知因素的消息来学习以促进链接预测来学习解开的表示形式。在13个现实世界数据集上进行的广泛实验证明了Disenlink对异性恋和血友病图的链接预测的有效性。我们的代码可从https://github.com/sjz5202/disenlink获得

时间图代表实体之间的动态关系，并发生在许多现实生活中的应用中，例如社交网络，电子商务，通信，道路网络，生物系统等。他们需要根据其生成建模和表示学习的研究超出与静态图有关的研究。在这项调查中，我们全面回顾了近期针对处理时间图提出的神经时间依赖图表的学习和生成建模方法。最后，我们确定了现有方法的弱点，并讨论了我们最近发表的论文提格的研究建议[24]。

图表神经网络（GNNS）在各种机器学习任务中获得了表示学习的提高。然而，应用邻域聚合的大多数现有GNN通常在图中的图表上执行不良，其中相邻的节点属于不同的类。在本文中，我们示出了在典型的异界图中，边缘可以被引导，以及是否像是处理边缘，也可以使它们过度地影响到GNN模型的性能。此外，由于异常的限制，节点对来自本地邻域之外的类似节点的消息非常有益。这些激励我们开发一个自适应地学习图表的方向性的模型，并利用潜在的长距离相关性节点之间。我们首先将图拉普拉斯概括为基于所提出的特征感知PageRank算法向数字化，该算法同时考虑节点之间的图形方向性和长距离特征相似性。然后，Digraph Laplacian定义了一个图形传播矩阵，导致一个名为{\ em diglaciangcn}的模型。基于此，我们进一步利用节点之间的通勤时间测量的节点接近度，以便在拓扑级别上保留节点的远距离相关性。具有不同级别的10个数据集的广泛实验，同意级别展示了我们在节点分类任务任务中对现有解决方案的有效性。

我们专注于使用图形神经网络（GNN）模型来分类的图形分类，该模型预先计算了使用并行排列的邻域聚合图操作员的Bank的节点功能。这些GNN模型具有降低培训和推理时间，由于预兆，而且还与流行的GNN变体不同，这些VNN变体通过训练期间通过顺序邻域聚合过程更新节点特征。我们提供了理论条件，其中具有平行邻域聚集（简称PA-GNN的PA-GNN）的通用GNN模型作为鉴别非同胞图的众所周知的Weisfeiler-Lehman（WL）曲线构同试验。虽然PA-GNN模型与WL测试没有明显的关系，但我们表明从这两种方法获得的图形嵌入是无标有关的。然后，我们提出了一个专门的PA-GNN模型，称为旋转，从而携带开发的条件。我们通过数值实验证明了开发的模型在许多不同的现实世界数据集上实现了最先进的性能，同时保持WL测试的辨别力和训练过程之前预处理图的计算优势。

多药物（定义为使用多种药物）是一种标准治疗方法，尤其是对于严重和慢性疾病。但是，将多种药物一起使用可能会导致药物之间的相互作用。药物 - 药物相互作用（DDI）是一种与另一种药物结合时的影响发生变化时发生的活性。 DDI可能会阻塞，增加或减少药物的预期作用，或者在最坏情况下，会产生不利的副作用。虽然准时检测DDI至关重要，但由于持续时间短，并且在临床试验中识别它们是时间的，而且昂贵，并且要考虑许多可能的药物对进行测试。结果，需要计算方法来预测DDI。在本文中，我们提出了一种新型的异质图注意模型Han-DDI，以预测药物 - 药物相互作用。我们建立了具有不同生物实体的药物网络。然后，我们开发了一个异质的图形注意网络，以使用药物与其他实体的关系学习DDI。它由一个基于注意力的异质图节点编码器组成，用于获得药物节点表示和用于预测药物相互作用的解码器。此外，我们利用全面的实验来评估我们的模型并将其与最先进的模型进行比较。实验结果表明，我们提出的方法Han-DDI的表现可以显着，准确地预测DDI，即使对于新药也是如此。

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。