【论文翻译】WWW2020 - HGT: Heterogeneous Graph Transformer


论文链接: Heterogeneous Graph Transformer
代码链接: https://github.com/acbull/pyHGT.
论文作者:来自加州大学洛杉矶分校
参考阅读: https://blog.youkuaiyun.com/byn12345/article/details/105081338

摘要

近年来,图神经网络(gnn)在结构化数据建模方面取得了巨大的成功。但是,大多数gnn都是针对同构图设计的,在同构图中,所有的节点和边都属于同一类型,这使得它们无法表示异构结构。在本文中,我们提出了异构图转换架构(HGT)体系结构来建模web规模的异构图。为了对异质性进行建模,我们设计了节点和边类型相关的参数来表征每个边上的异质性注意力,使HGT可以为不同类型的节点和边生成专用的表示。为了处理动态异构图,我们在HGT中引入了相对时序编码技术,该技术能够捕获任意持续时间的动态结构依赖关系。为了处理Web-scale的图数据,我们设计了异构的mini-batch图抽样算法HGSampling,以实现高效和可扩展的训练。在拥有1.79亿个节点和20亿个边的开放学术图上进行的大量实验表明,所提出的HGT模型在各种下游任务上的性能始终优于所有最先进的GNN基线9%-21%。HGT的数据集和源代码可在https://github.com/acbull/pyHGT上公开获取。

### Graph Transformer 模型的工作原理 Graph Transformer 是一种结合图神经网络 (GNN) 和自注意力机制的强大架构,旨在处理结构化数据中的复杂依赖关系。这种模型能够有效地捕获节点间的长期依赖性和复杂的交互模式。 #### 图结构上的自注意力机制 传统的Transformer主要应用于序列数据,在这些场景下,输入被线性排列成一个序列。然而对于图形数据而言,节点之间存在更为丰富的连接方式。为了适应这一特性,Graph Transformer引入了一种新的自注意机制来替代原有的位置编码方案[^1]: - **节点表示学习**:每个节点不仅基于自身的特征进行初始化,还会综合考虑其邻居的信息来进行更新; - **相对距离编码**:考虑到图中任意两点间可能存在多种路径长度不一的情况,采用可训练的位置嵌入向量表征两节点之间的最短路径或其他形式的距离度量; - **多头注意力层**:类似于标准Transformers的设计思路,通过多个平行运行的不同子空间内的注意力计算增强表达能力。 #### 处理异质信息网路(HIN) 当面对包含不同类型实体及其关联关系的数据集时(如社交网络),Heterogeneous Graph Transformers (HGTS),特别是 HGT, 提出了专门针对此类问题的有效解决方案: - 对于每类元关系<源节点类型,边类型,目标节点类型>定义独立的一套投影矩阵用于转换消息传递过程中的查询(Query), 键(Key)以及值(Value)[^4]; - 这样做可以确保即使是在高度多样化的环境中也能精准地区分各种语义角色并维持各自独特的属性; ```python import torch from torch_geometric.nn import GATConv class SimpleGraphTransformer(torch.nn.Module): def __init__(self, input_dim, hidden_dim, output_dim, num_heads=8): super(SimpleGraphTransformer, self).__init__() # 定义一个多头图注意力卷积层 self.conv = GATConv(input_dim, hidden_dim, heads=num_heads, concat=True) def forward(self, x, edge_index): """ 前馈函数 参数: x : 节点特征张量 shape=(num_nodes, input_dim) edge_index : 边索引列表 shape=(2, num_edges) 返回: 经过一层变换后的节点特征张量 """ out = self.conv(x=x, edge_index=edge_index).relu() return out.mean(dim=-1) # 平均汇聚所有头部的结果得到最终输出维度 ``` 上述代码片段展示了一个简化版的单层Graph Transformer实现方法,其中利用了PyTorch Geometric库提供的`GATConv`组件实现了基本功能。实际应用中可能还需要加入更多细节调整以满足具体需求。
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