ICLR 2019论文解读：胶囊图神经网络的PyTorch实现

胶囊图神经网络（CapsGNN）是在GNN启发下诞生了基于图片分类的新框架。CapsGNN在10个数据集中的6个的表现排名位居前两名。与所有其他端到端架构相比，CapsGNN在所有社交数据集中均名列首位。

本日Reddit上热议的一个话题是名为“胶囊图神经网络”（CapsGNN）的新框架。从名字不难看出，它是受图神经网络（GNN）的启发，在其基础上改进而来的成果。

CapsGNN框架的作者为新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的Zhang Xinyi和Lihui Chen，该研究的论文将在ICLR 2019上发表。

目前，从图神经网络（GNN）中学到的高质量节点嵌入已经应用于各种基于节点的应用程序中，其中一些程序已经实现了最先进的性能。不过，当应用程序用GNN学习的节点嵌入来生成图形嵌入时，标量节点表示可能不足以有效地保留节点或图形的完整属性，从而导致图形嵌入的性能达不到最优。

胶囊图神经网络（CapsGNN）受到了胶囊神经网络的启发，利用胶囊的概念来解决现有基于GNN的图嵌入算法的缺点。CapsGNN以胶囊形式对节点特征进行提取，利用路由机制来捕获图形级别的重要信息。因此，模型会为每个图生成多个嵌入，从多个不同方面捕获图的属性。

CapsGNN中包含的注意力模块可用于处理各种尺寸的图，让模型能够专注处理图的关键部分。通过对10个图结构数据集的广泛评估表明，CapsGNN具有强大的机制，可通过数据驱动捕获整个图的宏观属性。在几个图分类任务上的性能优于其他SOTA技术。

胶囊图神经网络基本架构

上图所示为CapsGNN的简化版本。它由三个关键模块组成：1）基本节点胶囊提取模块：GNN用于提取具有不同感受野的局部顶点特征，然后在该模块中构建主节点胶囊。 2）高级图胶囊提取模块：融合了注意力模块和动态路由，以生成多个图胶囊。 3）图分类模块：再次利用动态路由，生成用于图分类的类胶囊。

注意力模块

在CapsGNN中，基于每个节点提取主胶囊，即主胶囊的数量取决于输入图的大小。在这种情况下，如果直接应用路由机制，则生成的高级别的胶囊的值将高度依赖于主胶囊的数量（图大小），这种情况并不理想。因此，实验引入一个注意力模块来解决这个问题。

注意力模块架构。首先压平主胶囊，利用两层全连接神经网络产生每个胶囊的注意力值。利用基于节点的归一化（对每行进行归一化）来生成最终注意力值。 将标准化值与主胶囊相乘来计算标度胶囊。

实验设置与结果

我们验证了从CapsGNN中提取的图嵌入与大量SOTA方法的性能，与一些经典方法的最优性能做了对比。此外还进行了实验研究，评估胶囊对图编码特征效率的影响。我们对生成的图/类胶囊进行了简要分析。实验结果和分析如下所示。

表1为生物数据集的实验结果，表2为社会数据集的实验结果。对于每个数据集，以粗体突出显示前2个准确度。

与所有其他算法相比，CapsGNN在10个数据集中的6个的表现排名位居前两名，并且在其他数据集上也实现了基本相当的结果。与所有其他端到端架构相比，CapsGNN在所有社交数据集中均名列首位。

表1：生物数据集的实验结果

表2：社交数据集的实验结果

胶囊的效率

在胶囊的效率测试实验中，GNN的层数设置为L = 3，每层的通道数都设置为Cl = 2。通过调整节点的维度（dn）、图（dg）、胶囊和图形、胶囊的数量（P）来构造不同的CapsGNN。

表3：胶囊效率评估实验中经过测试的体系结构详细信息

图3：特征表示效率的比较。横轴表示测试架构的设置，纵轴表示NCI1的分类精度。

图胶囊的可视化

分类胶囊的可视化

胶囊图网络：基于GNN的高效快捷的新框架

CapsGNN是一个新框架，将胶囊理论融合到GNN中，来实现更高效的图表示学习。该框架受CapsNet的启发，在原体系结构中引入了胶囊的概念，在从GNN提取的节点特征的基础上，以向量的形式提取特征。

利用CapsGNN，一个图可以表示为多个嵌入，每个嵌入都可以捕获不同方面的图属性。生成的图形和类封装不仅可以保留与分类相关的信息，还可以保留关于图属性的其他信息，这些信息可能在后续流程中用到。CapsGNN是一种新颖、高效且强大的数据驱动方法，可以表示图形等高维数据。

与其他SOTA算法相比，CapsGNN模型在10个图表分类任务中有6个成功实现了更好或相当的性能，在社交数据集上的表现尤其显眼。与其他类似的基于标量的体系结构相比，CapsGNN在编码特征方面更有效，这对于处理大型数据集非常有用。

关于开源代码和模型的一些补充信息

运行环境

代码库在Python 3.5.2中实现。用于开发的软件包版本如下：

networkx 1.11tqdm 4.28.1numpy 1.15.4pandas 0.23.4texttable 1.5.0scipy 1.1.0argparse 1.1.0torch 0.4.1torch-scatter 1.1.2torch-sparse 0.2.2torch-cluster 1.2.4torch-geometric 1.0.3torchvision 0.2.1

数据集

代码会从input文件夹中获取训练图，图存储形式为JSON。用于测试的图也存储为JSON文件。每个节点id和节点标签必须从0开始索引。字典的键是存储的字符串，以使JSON能够序列化排布。

每个JSON文件都具有以下的键值结构：

{"edges": [[0, 1],[1, 2],[2, 3],[3, 4]], "labels": {"0": "A", "1": "B", "2": "C", "3": "A", "4": "B"}, "target": 1}

边缘键（edges key）具有边缘列表值，用于描述连接结构。标签键具有每个节点的标签，这些标签存储为字典- 在此嵌套字典中，标签是值，节点标识符是键。目标键具有整数值，该值代表了类成员资格。

输出

预测结果保存在output目录中。每个嵌入都有一个标题和一个带有图标识符的列。最后，预测会按标识符列排序。

训练CapsGNN模型由src /main.py脚本处理，该脚本提供以下命令行参数。

输入和输出选项

--training-graphs STR Training graphs folder. Default is `dataset/train/`. --testing-graphs STR Testing graphs folder. Default is `dataset/test/`. --prediction-path STR Output predictions file. Default is `output/watts_predictions.csv`.

模型选项

--epochs INT Number of epochs. Default is 10. --batch-size INT Number fo graphs per batch. Default is 32. --gcn-filters INT Number of filters in GCNs. Default is 2. --gcn-layers INT Number of GCNs chained together. Default is 5. --inner-attention-dimension INT Number of neurons in attention. Default is 20. --capsule-dimensions INT Number of capsule neurons. Default is 8. --number-of-capsules INT Number of capsules in layer. Default is 8. --weight-decay FLOAT Weight decay of Adam. Defatuls is 10^-6. --lambd FLOAT Regularization parameter. Default is 1.0. --learning-rate FLOAT Adam learning rate. Default is 0.01.