18、图神经网络解释与交通流量预测

图神经网络解释与交通流量预测

1. 图神经网络解释
1.1 GNNExplainer与集成梯度概述

GNNExplainer虽未给出决策过程的精确规则,但能让我们了解GNN模型在预测时关注的重点。不过,还需人类专业知识确保这些观点连贯且符合传统领域知识。

Captum(captum.ai)是一个Python库,为PyTorch模型实现了许多先进的解释算法。它不仅适用于GNN,还可用于文本、图像、表格数据等。其优势在于能让用户快速测试各种技术,并比较同一预测的不同解释。此外,它还实现了如LIME和Gradient SHAP等流行算法,用于主要、层和神经元归因。

我们将使用集成梯度的图版本,该技术旨在为每个输入特征分配归因分数。它基于模型输入的梯度,使用输入 (x) 和基线输入 (x’) (在我们的案例中所有边的权重为零),计算 (x) 和 (x’) 之间路径上所有点的梯度并累积。形式上,输入 (x) 在第 (i) 维度的集成梯度定义如下:
[IG_i(x) \triangleq (x_i - x_i’) \times \int_{0}^{1} \frac{\partial F(x’ + \alpha \times (x - x’))}{\partial x_i} d\alpha]
在实践中,我们用离散和来近似这个积分。集成梯度是模型无关的,基于两个公理:
- 敏感性:对预测有贡献的每个输入必须获得非零归因。
- 实现不变性:对于所有输入输出都相等的两个神经网络(功能等价网络),必须有相同的归因。

我们采用的图版本略有不同,它考虑节点和边而非特征,因此输出与考虑节点特征和边的GNNExplainer不

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