【教程】PyG入门，初步尝试运行第一行GNN代码

小锋学长生活大爆炸

发布于 2023-03-20 11:09:45

1.3K0

发布于 2023-03-20 11:09:45

安装必备的库

# Install required packages.
import os
import torch
os.environ['TORCH'] = torch.__version__
print(torch.__version__)

!pip install -q torch-scatter -f https://data.pyg.org/whl/torch-${TORCH}.html
!pip install -q torch-sparse -f https://data.pyg.org/whl/torch-${TORCH}.html
!pip install -q git+https://github.com/pyg-team/pytorch_geometric.git

# Helper function for visualization.
%matplotlib inline
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt


def visualize_graph(G, color):
    plt.figure(figsize=(7,7))
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])
    nx.draw_networkx(G, pos=nx.spring_layout(G, seed=42), with_labels=False,
                     node_color=color, cmap="Set2")
    plt.show()


def visualize_embedding(h, color, epoch=None, loss=None):
    plt.figure(figsize=(7,7))
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])
    h = h.detach().cpu().numpy()
    plt.scatter(h[:, 0], h[:, 1], s=140, c=color, cmap="Set2")
    if epoch is not None and loss is not None:
        plt.xlabel(f'Epoch: {epoch}, Loss: {loss.item():.4f}', fontsize=16)
    plt.show()

介绍：图神经网络的实践

最近，图的深度学习已经成为深度学习界最热门的研究领域之一。在这里，图神经网络（GNNs）旨在将经典的深度学习概念推广到不规则的结构化数据（与图像或文本相反），并使神经网络能够推理对象及其关系。

这是通过一个简单的神经信息传递方案来实现的，图G=(V,E)中所有节点v∈V的节点特征x(ℓ)v通过聚合来自其邻居N(v)的局部信息而反复更新。

本教程将向你介绍一些关于通过基于PyTorch Geometric（PyG）库的图神经网络进行图上深度学习的基本概念。PyTorch Geometric是流行的深度学习框架PyTorch的一个扩展库，由各种方法和工具组成，以简化图神经网络的实现。

继Kipf等人（2017）之后，让我们通过观察一个简单的图结构的例子来深入了解GNN的世界，即著名的Zachary的空手道俱乐部网络。这个图描述了一个空手道俱乐部的34名成员的社会网络，并记录了在俱乐部外互动的成员之间的联系。在这里，我们感兴趣的是检测由成员互动产生的社区。

PyTorch Geometric通过torch_geometric.datasets子包提供了对这个数据集的简单访问。

from torch_geometric.datasets import KarateClub

dataset = KarateClub()
print(f'Dataset: {dataset}:')
print('======================')
print(f'Number of graphs: {len(dataset)}')
print(f'Number of features: {dataset.num_features}')
print(f'Number of classes: {dataset.num_classes}')

Dataset: KarateClub():
======================
Number of graphs: 1
Number of features: 34
Number of classes: 4

在初始化KarateClub数据集后，我们首先可以检查它的一些属性。例如，我们可以看到这个数据集正好有一个图，而且这个数据集的每个节点都被分配了一个34维的特征向量（它唯一地描述了空手道俱乐部的成员）。此外，该图正好有4个类，代表每个节点所属的社区。

现在让我们更详细地看一下底层图。

data = dataset[0]  # Get the first graph object.

print(data)
print('==============================================================')

# Gather some statistics about the graph.
print(f'Number of nodes: {data.num_nodes}')
print(f'Number of edges: {data.num_edges}')
print(f'Average node degree: {data.num_edges / data.num_nodes:.2f}')
print(f'Number of training nodes: {data.train_mask.sum()}')
print(f'Training node label rate: {int(data.train_mask.sum()) / data.num_nodes:.2f}')
print(f'Has isolated nodes: {data.has_isolated_nodes()}')
print(f'Has self-loops: {data.has_self_loops()}')
print(f'Is undirected: {data.is_undirected()}')

Data(x=[34, 34], edge_index=[2, 156], y=[34], train_mask=[34])
==============================================================
Number of nodes: 34
Number of edges: 156
Average node degree: 4.59
Number of training nodes: 4
Training node label rate: 0.12
Has isolated nodes: False
Has self-loops: False
Is undirected: True

PyTorch Geometric中的每个图形都由一个数据对象表示，该对象拥有描述其图形表示的所有信息。我们可以通过print(data)随时打印数据对象，以获得关于其属性及其形状的简短摘要：

Data(edge_index=[2, 156], x=[34, 34], y=[34], train_mask=[34])

我们可以看到，这个数据对象拥有4个属性：

(1) edge_index属性拥有关于图连接性的信息，即每条边的源节点和目的节点索引的一个元组；

(2) 节点特征称为 x（34个节点中的每一个都被分配了一个34维的特征向量）；

(3) 节点标签称为 y（每个节点都被精确地分配到一个类别）；

(4) 还存在一个额外的属性，叫做train_mask，它描述了我们已经知道哪些节点的社区分配。

总的来说，我们只知道4个节点的真实标签（每个社区一个），我们的任务是推断其余节点的社区分配。

数据对象还提供了一些实用函数来推断基础图的一些基本属性。例如，我们可以很容易地推断出图中是否存在孤立的节点（即不存在通往任何节点的边），图中是否包含自循环（即（v,v）∈E），或者图是否是无向的（即对于每条边（v,w）∈E，也存在边（w,v）∈E）。

现在让我们更详细地检查edge_index属性。

from IPython.display import Javascript  # Restrict height of output cell.
display(Javascript('''google.colab.output.setIframeHeight(0, true, {maxHeight: 300})'''))

edge_index = data.edge_index
print(edge_index.t())

[0   1], [0   2], [0   3], [0   4], [0   5], [0   6], [0   7], [0   8], [0  10], [0  11], 
[0  12], [0  13], [0  17], [0  19], [0  21], [0  31], [1   0], [1   2], [1   3], [1   7], 
[1  13], [1  17], [1  19], [1  21], [1  30], [2   0], [2   1], [2   3], [2   7], [2   8], 
[2   9], [2  13], [2  27], [2  28], [2  32], [3   0], [3   1], [3   2], [3   7], [3  12], 
[3  13], [4   0], [4   6], [4  10], [5   0], [5   6], [5  10], [5  16], [6   0], [6   4], 
[6   5], [6  16], [7   0], [7   1], [7   2], [7   3], [8   0], [8   2], [8  30], [8  32], 
[8  33], [9   2], [9  33], [10  0], [10  4], [10  5], [11  0], [12  0], [12  3], [13  0], 
[13  1], [13  2], [13  3], [13 33], [14 32], [14 33], [15 32], [15 33], [16  5], [16  6], 
[17  0], [17  1], [18 32], [18 33], [19  0], [19  1], [19 33], [20 32], [20 33], [21  0], 
[21  1], [22 32], [22 33], [23 25], [23 27], [23 29], [23 32], [23 33], [24 25], [24 27], 
[24 31], [25 23], [25 24], [25 31], [26 29], [26 33], [27  2], [27 23], [27 24], [27 33], 
[28  2], [28 31], [28 33], [29 23], [29 26], [29 32], [29 33], [30  1], [30  8], [30 32], 
[30 33], [31  0], [31 24], [31 25], [31 28], [31 32], [31 33], [32  2], [32  8], [32 14], 
[32 15], [32 18], [32 20], [32 22], [32 23], [32 29], [32 30], [32 31], [32 33], [33  8], 
[33  9], [33 13], [33 14], [33 15], [33 18], [33 19], [33 20], [33 22], [33 23], [33 26], 
[33 27], [33 28], [33 29], [33 30], [33 31], [33 32],

通过打印edge_index，我们可以了解PyG在内部如何表示图的连接性。我们可以看到，对于每一条边，edge_index持有两个节点索引的元组，其中第一个值描述了源节点的节点索引，第二个值描述了一条边的目的节点的节点索引。

这种表示法被称为COO格式（坐标格式），通常用于表示稀疏矩阵。PyG不是用密集表示法A∈{0,1}|V|×|V|来保存邻接信息，而是稀疏地表示图，这指的是只保存A中条目为非零的坐标/值。

重要的是，PyG不区分有向图和无向图，并将无向图视为有向图的一个特例，其中edge_index中的每个条目都存在反向的边。

我们可以通过将其转换为networkx库的格式来进一步实现图形的可视化，该库除了实现图形操作的功能外，还实现了强大的可视化工具。

from torch_geometric.utils import to_networkx

G = to_networkx(data, to_undirected=True)
visualize_graph(G, color=data.y)

实现图神经网络

在学习了PyG的数据处理之后，是时候实现我们的第一个图谱神经网络了！为此，我们将使用最简单的GNN运算符，即GCN层（Kipf等人2017）。为此，我们将使用最简单的GNN操作，GCN层，其定义为：

其中W(ℓ+1)表示形状为[num_output_features, num_input_features]的可训练权重矩阵，cw,v是指每条边的固定归一化系数。

PyG通过GCNConv实现这一层，可以通过传入节点特征表示x和COO图连接表示edge_index来执行。

有了这些，我们就可以通过在torch.nn.Module类中定义我们的网络架构来创建我们的第一个图形神经网络。

import torch
from torch.nn import Linear
from torch_geometric.nn import GCNConv


class GCN(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        torch.manual_seed(1234)
        self.conv1 = GCNConv(dataset.num_features, 4)
        self.conv2 = GCNConv(4, 4)
        self.conv3 = GCNConv(4, 2)
        self.classifier = Linear(2, dataset.num_classes)

    def forward(self, x, edge_index):
        h = self.conv1(x, edge_index)
        h = h.tanh()
        h = self.conv2(h, edge_index)
        h = h.tanh()
        h = self.conv3(h, edge_index)
        h = h.tanh()  # Final GNN embedding space.
        
        # Apply a final (linear) classifier.
        out = self.classifier(h)

        return out, h

model = GCN()
print(model)

GCN(
  (conv1): GCNConv(34, 4)
  (conv2): GCNConv(4, 4)
  (conv3): GCNConv(4, 2)
  (classifier): Linear(in_features=2, out_features=4, bias=True)
)

在这里，我们首先在__init__中初始化我们所有的构建模块，并在forward中定义我们网络的计算流程。我们首先定义并堆叠了三个图卷积层，这相当于聚集了每个节点周围的3跳邻域信息（3 "跳 "以内的所有节点）。此外，GCNConv层将节点特征维度降低到2，即34→4→4→2。每个GCNConv层都被一个tanh非线性增强。

之后，我们应用一个单一的线性变换（torch.nn.Linear），作为一个分类器，将我们的节点映射到4个类别/社区中的一个。

我们同时返回最终分类器的输出以及由GNN产生的最终节点嵌入。我们继续通过GCN()初始化我们的最终模型，并打印我们的模型，产生其所有使用的子模块的摘要。

嵌入Karate Club Network

让我们来看看由我们的GNN产生的节点嵌入。在这里，我们将初始节点特征x和图的连接信息edge_index传递给模型，并将其二维嵌入可视化。

model = GCN()

_, h = model(data.x, data.edge_index)
print(f'Embedding shape: {list(h.shape)}')

visualize_embedding(h, color=data.y)

Embedding shape: [34, 2]

值得注意的是，即使在训练我们模型的权重之前，该模型产生的节点嵌入与图的社区结构非常相似。尽管我们模型的权重是完全随机初始化的，而且到目前为止我们还没有进行任何训练，但相同颜色（社区）的节点已经在嵌入空间中紧密地聚集在一起了！这导致的结论是，GNNs引入了强烈的归纳偏置，导致输入图中相互接近的节点的嵌入相似。

在Karate Club Network上训练

让我们看一个例子，如何根据图中4种节点（每个社区一种）的社区分配知识来训练我们的网络参数。

由于我们模型中的所有东西都是可分的和参数化的，我们可以添加一些标签，训练模型并观察嵌入的反应。在这里，我们使用了一个半监督或过渡性的学习程序。我们只是针对每一类的一个节点进行训练，但允许我们使用完整的输入图数据。

训练我们的模型与任何其他PyTorch模型非常相似。除了定义我们的网络结构，我们还定义了一个损失准则（这里是CrossEntropyLoss）并初始化了一个随机梯度优化器（这里是Adam）。之后，我们进行多轮优化，每轮包括一个前向和后向传播，以计算我们模型参数的梯度，即前向传播得出的损失。如果你不是PyTorch的新手，这个方案对你来说应该很熟悉。否则，PyTorch文档提供了一个关于如何在PyTorch中训练神经网络的良好介绍。

请注意，我们的半监督学习方案是由以下一行实现的。

loss = criterion(out[data.train_mask], data.y[data.train_mask])

虽然我们为所有的节点计算节点嵌入，但我们只利用训练节点来计算损失。在这里，这是通过过滤分类器的输出和真实标签data.y来实现的，只包含train_mask中的节点。

现在让我们开始训练，看看我们的节点嵌入是如何随时间演变的（最好是通过明确地运行代码来体验）。

import time
from IPython.display import Javascript  # Restrict height of output cell.
display(Javascript('''google.colab.output.setIframeHeight(0, true, {maxHeight: 430})'''))

model = GCN()
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()  # Define loss criterion.
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.01)  # Define optimizer.

def train(data):
    optimizer.zero_grad()  # Clear gradients.
    out, h = model(data.x, data.edge_index)  # Perform a single forward pass.
    loss = criterion(out[data.train_mask], data.y[data.train_mask])  # Compute the loss solely based on the training nodes.
    loss.backward()  # Derive gradients.
    optimizer.step()  # Update parameters based on gradients.
    return loss, h

for epoch in range(401):
    loss, h = train(data)
    if epoch % 10 == 0:
        visualize_embedding(h, color=data.y, epoch=epoch, loss=loss)
        time.sleep(0.3)