图网络之——Graph Memory Networks

本文深入探讨了Graph Memory Networks在分子活性预测中的应用。通过建立记忆矩阵,利用控制器(如RNN)进行多次读写操作,更新节点的表达,从而捕捉图的结构信息。此外,文章还介绍了如何将Graph-Mem用于多任务学习,以提高模型的训练效果。

Graph Memory Networks for Molecular Activity Prediction


Introduction

graph(图)作为一种数据结构,能够表达非常复杂的关系,比如社交关系网络,见下图。充分挖掘graph中蕴含的知识,是一个非常challenging的任务,已有的方法像 kernel-based method运用到大量数学知识,值得学习一下,但在deep learning爆炸的年代,任何东西不和deep learning结合一下都没法上得了台面,可以Google到,近几年有许多graph+deep learning的工作涌现出来,有时间我打算单独对一些代表性的工作做一个系统的总结,今天,就以该文章作为一个引子,先感受一下。

该文章做的是一个基于graph的分子活性预测问题。molecule(分子)是由若干个atom(原子)通过化学键连接在一起的,我们可以把一个molecule看作一个graph,通过挖掘molecular内部的连接关系形成对molecular的整体认识,然后就可以用来做molecule的生物活性预测了。

Approach

本文使用了一种叫做Graph Memory Networks (Graph-Mem)的方法,整体来讲是这样一个过程,如下图所示:

  • 1)建立一个memory
### 基于图神经网络的路网分析系统的实现 #### 图神经网络简介 图神经网络(Graph Neural Networks, GNNs)是一类专门用于处理结构化数据——即图形数据的深度学习模型。GNN通过聚合节点邻居的信息来更新节点特征向量,从而捕捉到复杂的关系模式。 对于道路网络而言,每条路段可视为图中的边,交叉路口则对应着顶点。这种表示使得交通流量预测、路径规划等问题能够被建模成典型的图上任务[^1]。 #### 数据准备与预处理 构建基于GNN的道路网络分析系统前,需收集并整理好所需的数据集。这包括但不限于: - **地理信息系统(GIS)** 提供的基础地图信息; - 来自GPS设备或其他定位服务的历史轨迹记录; - 实时路况报告以及天气状况等外部因素的影响。 上述资料经过清洗转换后形成适合机器学习框架使用的格式,比如邻接矩阵或稀疏张量形式存储连接关系;属性列表保存各结点/边上附加的具体数值特性。 #### 构建模型架构 选择合适的GNN变种取决于具体应用场景的要求。例如GCN(Graph Convolutional Network),它擅长解决分类回归问题,在此背景下可用于评估特定时间段内某一路段发生拥堵的概率大小。另一种流行的选项是R-GCN(Relational Graph Convolutional Network), 它允许引入不同类型的关系描述多样的交互作用,非常适合用来解析城市环境中错综复杂的道路交通体系。 以下是采用PyTorch Geometric库搭建简单版GCN的一个Python代码片段: ```python import torch from torch_geometric.nn import GCNConv class RoadNet(torch.nn.Module): def __init__(self): super().__init__() self.conv1 = GCNConv(in_channels=..., out_channels=...) self.conv2 = GCNConv(in_channels=..., out_channels=...) def forward(self, data): x, edge_index = data.x, data.edge_index h = self.conv1(x=x, edge_index=edge_index) h = F.relu(h) h = self.conv2(x=h, edge_index=edge_index) return h ``` 此处省略了部分细节参数设定,实际操作时应依据项目需求调整输入输出维度及其他超参配置。 #### 训练过程概述 训练阶段涉及定义损失函数衡量预测值同真实标签间的差异程度,并借助优化算法最小化该差距直至收敛稳定。考虑到时空序列特点鲜明的任务性质,可能还需要额外设计针对时间轴演变规律的学习机制,如LSTM(Long Short-Term Memory)单元辅助记忆长期依赖项。 #### 资源推荐 为了更深入理解如何运用GNN技术开展路网研究工作,建议参考以下资源链接获取更多理论指导和技术支持: - Pytorch Geometric官方文档:https://pytorch-geometric.readthedocs.io/en/latest/ - DGL(Depth Graph Library): https://www.dgl.ai/pages/start.html - GitHub开源社区中有关交通流模拟的相关项目案例分享
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