基于图卷积神经网络的节点分类方法研究综述

节点分类任务是图领域中的重要研究工作之一。近年来随着图卷积神经网络研究工作的不断深入,基于图卷积神经网络的节点分类研究及其应用都取得了重大进展。图卷积神经网络是基于卷积发展出的一类图神经网络,能处理图数据且具有卷积神经网络的优点,已成为图节点分类方法中最活跃的一个研究分支。对基于图卷积神经网络的节点分类方法的研究进展进行综述,首先介绍图的相关概念、节点分类的任务定义和常用的图数据集;然后探讨两类经典图卷积神经网络——谱域和空间域图卷积神经网络,以及图卷积神经网络在节点分类领域面临的挑战;之后从模型和数据两个视角分析图卷积神经网络在节点分类任务中的研究成果和未解决的问题;最后对基于图卷积神经网络的节点分类研究方向进行展望,并总结全文。

基于多流语义图卷积网络的人体行为识别

与基于图像的行为识别方法相比,利用人体骨架信息进行识别能有效克服复杂背景、光照变化以及外貌变化等因素影响。但是,目前主流的基于人体骨架的行为识别方法存在参数量过大、运算速度慢等问题。对此,提出一种多流轻量级语义图卷积的行为识别方法。设计多流语义引导的图卷积网络(MS-SGN),将骨架信息分别表达为骨长流、关节流和细粒度流3种数据流形式,再对嵌入语义信息的数据流通过自适应图卷积提取空间特征,并采用不同内核和膨胀率的多尺度时域卷积提取时域特征,最后对各流分类结果进行加权融合。实验结果表明,该方法在NTU60 RGB+D数据集上的识别精度分别为90.0%(X-Sub)和95.83%(X-View),在NTU120 RGB+D数据集上的识别精度分别为83.4%(X-Sub)和84.0%(X-View),优于SGN、Logsin-RNN等主流方法,且网络框架更为轻量化。

压缩感知和图卷积神经网络相结合的宽频振荡扰动源定位方法

新能源并网引发的宽频振荡严重威胁电网安全,实现宽频振荡源的在线定位并及时采取抑制措施以保证系统安全稳定尤为必要。为此,提出一种压缩采样和图卷积神经网络相结合的宽频振荡源定位方法,该方法首先在子站对时序的振荡信号进行稀疏采样,获得其低维观测序列,作为节点的时序信息,然后在主站融合系统的拓扑结构捕捉各节点的邻接关系,综合考虑系统振荡的时空特性,运用图卷积神经网络实现振荡源定位。最后利用宽频振荡样本集进行仿真验证,结果表明所提方法在量测数据含有噪声、传输数据缺失以及传输数据偏差的情况下都有较高的定位准确度。

基于交替注意力机制和图卷积网络的方面级情感分析模型

方面级情感分析旨在预测给定文本中特定目标的情感极性。针对忽略方面词和上下文之间的句法关系和平均池化带来的注意力差异性变小的问题,提出一种基于交替注意力(AA)机制和图卷积网络(GCN)的方面级情感分析模型(AA-GCN)。首先,利用双向长短期记忆(Bi-LSTM)网络对上下文和方面词进行语义建模;其次,通过基于句法依存树的GCN学习位置信息和依赖关系,再利用AA机制进行多层次交互学习,自适应地调整对目标词的关注度;最后,拼接修正后的方面特征和上下文特征,得到最终的分类依据。相较于基于目标依赖的图注意力网络(TDGAT),所提模型在4个公开数据集上准确率提升了1.13%~2.67%,在5个公开数据集上F1值提升了0.98%~4.89%,验证了利用句法关系和提升关键词关注度的有效性。

图卷积神经网络综述

图卷积神经网络是图论与深度学习的交叉,已成为机器学习领域的研究热点。基于此,介绍了图卷积神经网络的形成,梳理了两大类经典的图卷积神经网络:谱方法和空间方法,详细介绍了这两类图卷积神经网络模型,分析了图卷积操作的核心理论基础,介绍了图卷积神经网络在各领域的应用,总结了图卷积神经网络面临的主要挑战,展望了图卷积神经网络的发展趋势,并分析了图卷积神经网络在野外环境下蝴蝶识别任务中的潜在应用。

多任务联合学习的图卷积神经网络推荐

基于图神经网络的协同过滤推荐可以更有效地挖掘用户项目之间的交互信息,但其性能依然受到数据稀疏和表征学习质量不高问题的影响,因此提出一种多任务联合学习的图卷积神经网络推荐(multi-task joint learning for graph convolutional neural network recommendations,MTJL-GCN)模型。利用图神经网络在用户-项目交互图上所聚集到的同质结构信息与初始嵌入信息形成结构邻居关系,设计节点邻居关系的对比学习辅助任务来缓解数据稀疏问题;向节点的原始表征添加随机的统一噪声进行表征级数据增强,构建节点表征关系的对比学习辅助任务,并提出直接优化对齐性和均匀性两个属性的学习目标来提高表征学习质量;将图协同过滤推荐任务与对比学习辅助任务和直接优化学习目标进行联合训练,从而提升推荐性能。在Amazon-books和Yelp2018两个公开数据集上进行实验,该模型在Recall@k和NDCG@k两个推荐性能指标上的表现均优于基线模型,证明了MTJL-GCN模型的有效性。

联合异质图卷积网络和注意力机制的假新闻检测

社交媒体平台的开放性和包容性为人们提供了自由的表达方式,但也引发了新的社会问题,假新闻在社交平台层出不穷,会引起公众恐慌,侵害人们的精神健康,这使得假新闻检测尤为必要.现有的假新闻检测方法大多侧重于从文本内容、用户和传播模式中挖掘有效信息,但是这些方法没有充分利用文本内容的全局语义关系.为了有效融合新闻内容的全局语义信息和新闻传播的全局结构关系,本文提出一种基于元路径的推文-词-用户异质图卷积注意力框架HGCAN,根据元路径将构建的推文-词-用户异质图分解为两个子图,通过图卷积网络提取传播结构特征,利用注意力机制聚合邻居节点的信息并学习子图重要性,从而有效学习节点的特征表示.在两个公开数据集上的实验结果表明,相比于其他方法,本文方法在准确率和F1指标上都取得了较为先进的结果.

动量余弦相似度梯度优化图卷积神经网络

传统梯度下降算法仅对历史梯度进行指数加权累加,没有利用梯度的局部变化,造成优化过程越过全局最优解,即使收敛到最优解也会在最优解附近震荡,其训练图卷积神经网络会造成收敛速度慢、测试准确度低。利用相邻两次梯度的余弦相似度,动态调整学习率,提出余弦相似度梯度下降(SimGrad)算法。为进一步提升图卷积神经网络训练的收敛速度和测试准确度,减少震荡,结合动量思想提出动量余弦相似度梯度下降(NSimGrad)算法。通过收敛性分析,证明SimGrad算法、NSimGrad算法都具有O(√T)的遗憾界。在构建的三个非凸函数进行测试,并结合图卷积神经网络在四个数据集上进行实验,结果表明SimGrad算法保证了图卷积神经网络的收敛性,NSimGrad算法进一步提高图卷积神经网络训练的收敛速度和测试准确度,SimGrad、NSimGrad算法相较于Adam、Nadam具有更好的全局收敛性和优化能力。

基于双流自适应图卷积网络的管制员睡岗行为识别

为识别空中交通管制员的睡岗行为,减少管制差错,保障航空器飞行安全,提出了一种基于双流自适应图卷积网络的管制员睡岗行为识别方法。该方法设计双流网络分别处理管制员骨架的一阶信息和二阶信息,实现对骨架数据的充分提取;通过自适应学习的骨骼拓扑连接矩阵,挖掘管制员不同关节之间的功能连接关系;同时在卷积层引入时空通道注意力机制,增强管制员睡岗行为识别模型在时间、空间、通道3个方向提取重要信息的能力。仿真结果表明,该方法能有效识别管制员3种睡岗行为,相较于传统的时空图卷积网络,识别准确率提高了3.08百分点,达到95.03%,可以提高民航运行安全管理水平。

基于偏好感知的去噪图卷积网络社交推荐

协同过滤推荐通常面临用户-项目交互数据稀疏的挑战,社交推荐引入用户社交关系来缓解数据稀疏性问题。多数基于图神经网络(GNN)的社交推荐系统在消息传递过程中无法根据用户偏好聚合高阶邻居信息,造成嵌入表示过平滑和噪声问题。针对上述问题,提出一种基于偏好感知的去噪图卷积网络的社交推荐模型PD-GCN。使用无监督学习将具有相似偏好的用户分配到用户-项目交互子图和社交子图,在子图中进行更高阶的图卷积运算,缓解了现有模型的过平滑问题。从全局和局部的角度出发,通过考虑相同偏好用户节点的特征相似度和邻域节点偏好分布多样性识别并去除噪声节点,增强模型对用户-项目交互和社交关系噪声的鲁棒性。在LastFM、Ciao、Yelp 3个公共数据集上的实验结果表明,PD-GCN模型在召回率和归一化折损累计增益两个指标上相较于其他主流模型表现出更优的性能,验证了PD-GCN模型的有效性。

基于广度-深度采样和图卷积网络的谣言检测方法

现有谣言检测方法存在早期数据丢失、特征利用不充分问题,为此提出新的检测方法.为了充分挖掘事件的早期传播特征,提出广度采样方法并构建与事件对应的传播序列,利用Transformer挖掘长距离评论间的语义相关性并构建事件的传播序列特征.为了有效挖掘事件的传播结构特征,提出基于路径长度的深度采样方法,构建事件对应的信息传播子图和信息聚合子图,利用图卷积网络在挖掘图结构特征方面的优势,获得与事件对应的传播结构特征.将事件对应的传播序列特征表示与传播结构特征表示进行拼接,得到事件对应的最终特征表示.在公开数据集Weibo2016和CED上开展所提方法的有效性验证实验.结果表明,所提方法普遍优于现有典型方法.与基线方法相比,所提方法的准确率和F1值均有显著提升,所提方法在谣言检测领域的有效性得到验证.

基于并行图卷积网络的无砟轨道监测测点异常识别

针对在服役过程中高速铁路无砟轨道结构健康监测可能出现由结构局部损伤或者传感器故障导致的测点异常问题,建立一种并行图卷积神经网络模型,来识别高速铁路无砟轨道监测测点的异常。采用结构早期初始状态的监测数据训练并行图卷积神经网络,获得结构初始状态下的测点数据之间的空间关联性;利用并行图卷积神经网络预测服役状态无砟轨道测点监测数据,实现轨道监测测点异常的识别;此外,对明显漂移的数据可基于有向图分析修正预测结果。将该方法应用于某高速铁路无砟轨道结构长期监测数据并识别了异常测点。

结合图卷积神经网络和集成方法的推荐系统恶意攻击检测

推荐系统已被广泛应用于电子商务、社交媒体、信息分享等大多数互联网平台中,有效解决了信息过载问题。然而,这些平台面向所有互联网用户开放,导致不法用户利用系统设计缺陷通过恶意干扰、蓄意攻击等行为非法操纵评分数据,进而影响推荐结果,严重危害推荐服务的安全性。现有的检测方法大多都是基于从评级数据中提取的人工构建特征进行的托攻击检测,难以适应更复杂的共同访问注入攻击,并且人工构建特征费时且区分能力不足,同时攻击行为规模远远小于正常行为,给传统检测方法带来了不平衡数据问题。因此,文中提出堆叠多层图卷积神经网络端到端学习用户和项目之间的多阶交互行为信息得到用户嵌入和项目嵌入,将其作为攻击检测特征,以卷积神经网络作为基分类器实现深度行为特征提取,结合集成方法检测攻击。在真实数据集上的实验结果表明,与流行的推荐系统恶意攻击检测方法相比,所提方法对共同访问注入攻击行为有较好的检测效果并在一定程度上克服了不平衡数据的难题。

基于语序知识的双通道图卷积网络方面级情感分析

当前大多数基于图卷积网络的方面级情感分析方法利用文本的句法知识、语义知识、情感知识构建文本依赖,但少有研究利用文本语序知识构建文本依赖,导致图卷积网络不能有效地利用文本语序知识引导方面项学习上下文情感信息,从而限制了其性能。针对上述问题,提出基于语序知识的双通道图卷积网络(dual-channel graph convolutional network with word-order knowledge,WKDGCN)模型,该模型由语序图卷积网络(word-order graph convolutional network,WoGCN)和情感知识结合语义知识增强的句法图卷积网络(sentiment and attention-enhanced graph convolutional network,SAGCN)组成。具体地,WoGCN基于文本的语序知识构建图卷积网络,由文本的语序依赖引导方面项特征学习上下文情感信息;SAGCN利用SenticNet中的情感知识结合注意力机制增强句法依赖,利用增强后的句法依赖构建图卷积网络,以此引导方面项特征学习上下文情感信息;最后融合两个图卷积网络的特征用于情感分类。此外,设计了一种权重分配策略,在放大方面项权重的同时保持上下文权重一致,避免错误的计算方面项特征与重要特征的语义相关性。在多个公开数据集上的实验结果表明,所提方法优于对比模型。

基于改进时空图卷积网络的道路行程时间预测模型

为提高道路网行程时间预测精度,综合考虑行程时间的空间依赖性、时间依赖性和天气因素影响,提出了基于属性增强和注意力机制的时空图卷积网络模型.首先,构建属性增强单元,将行程时间和天气信息融合;然后,利用图卷积网络捕获空间依赖性,利用门控递归单元捕获时间依赖性,并利用注意力机制增强模型对特征的学习;最后,利用该模型在真实数据集上对未来15、30、45和60 min的行程时间进行预测.结果表明:预测结果的均方根误差(RMSE)分别为0.0453、0.0456、0.0457和0.0468,与其他模型相比表现更优;考虑了时间、空间和天气因素后,相较于不考虑天气的情况,预测误差降低了约10.3%;相较于不考虑空间依赖性的情况,降低了约24.2%,表明所提模型能更好表达时空依赖性和外部条件影响.

基于图卷积网络的掩码数据增强

针对多项选择问答(MCQA)领域中原始数据信息不准确、样本质量低以及模型泛化能力差等问题,提出一种基于图卷积网络(GCN)的掩码数据增强模型GMDA(Graph convolution network-based MASK Data Augmentation)。该模型以GCN作为基础框架,首先将文章中的单词抽象为图节点,并利用问题-候选答案(QA)对节点进行连接,建立与相关的文章节点之间的联系;其次,计算节点之间的相似性,并应用掩码技术对图中的节点进行掩盖,从而生成增强样本;再次,利用GCN对增强样本进行特征扩充,以提升模型的信息表达能力;最后,引入打分器对原始样本和增强样本进行评分,并结合课程学习策略提高答案预测的准确性。综合评估实验结果表明:与RACE-M、RACE-H数据集上的最优基线模型EAM相比,所提模型GMDA的准确率分别平均提高了0.8、0.4个百分点,而与DREAM数据集上的最优基线模型STM(SelfTraining Method)相比,GMDA模型的准确率平均提高了1.4个百分点。此外,对比实验的结果也验证了GMDA模型在MCQA任务中的有效性,可为数据增强技术在该领域的进一步研究和应用提供帮助。

基于时序图卷积的动态网络链路预测

动态网络链路预测广泛的应用前景,使得其逐渐成为网络科学研究的热点.动态网络链路演化过程中具有复杂的空间相关性和时间依赖性,导致其链路预测任务极具挑战.提出一个基于时序图卷积的动态网络链路预测模型(dynamic network link prediction based on sequential graph convolution, DNLP-SGC).针对网络快照序列不能有效反映动态网络连续性的问题,采用边缘触发机制对原始网络权重矩阵进行修正,弥补了离散快照表示动态网络存在时序信息丢失的不足.从网络演化过程出发,综合考虑节点间的特征相似性以及历史交互信息,采用时序图卷积提取动态网络中节点的特征,该方法融合了节点时空依赖关系.进一步,采用因果卷积网络捕获网络演化过程中潜在的全局时序特征,实现动态网络链路预测.在2个真实的网络数据集上的实验结果表明,DNLP-SGC在precision, recall, AUC指标上均优于对比的基线模型.

一种基于图卷积网络的分类地物简化方法

随着城市实景三维建设的全面推进,其高细节、大规模和复杂性等特点,导致了三维模型数据存储管理困难、传输速度慢、加载应用不流畅等问题。本文提出了一种基于图卷积网络对城市三维模型语义进行分类,针对各地物类别采取个性化的地物简化方法,并进行了建筑物、草地场景的三维模型轻量化试验,试验结果表明,使用本文方法,在保证模型可视化效果的前提下,可减少90%的数据量。

密度导向的点云动态图卷积网络

针对现有主流网络对于点云局部特征提取的能力不足,以及在特征提取过程中未考虑点云密度的问题,提出一种密度导向的点云动态图卷积网络.首先提出点云局部密度指数的概念,衡量点及其邻域点在相应的空间位置中的密集程度;然后利用局部密度指数动态赋予每个点一个膨胀因子,提出密度导向的动态点分组方法对点云构建局部图结构,对每个局部图结构构造动态边缘卷积模块进行特征的提取与聚合,既提取了点云的几何特征,又实现了置换不变性;最后采用残差网络的思想优化图神经网络的过平滑问题.实验结果表明,在分类数据集ModelNet40与ScanObjectNN上,所提网络的分类准确率分别为93.5%和82.2%;在分割数据集ShapeNet与S3DIS上,该网络的平均交并比分别为85.6%和60.4%,均高于DGCNN等主流网络;所提网络在多项任务中的精度都得到显著提升,且在处理密度不均的点云时有较好的鲁棒性,验证了所提算法的可行性与有效性.

基于多元语义特征和图卷积神经网络的短文本分类模型

在互联网和社交媒体迅猛发展的背景下,网络中出现了大量的短文本数据,这些数据在舆情监控、情感分析和新闻分类等自然语言处理领域展现出了非常高的经济和学术价值.但短文本数据固有的特征给短文本分类带来了不小的挑战,如文本稀疏和缺乏丰富的上下文语义等.针对这些问题,提出了一种结合多元语义特征和图卷积神经网络(GCN)的短文本分类模型,该模型通过哈尔滨工业大学的语言技术平台获取短文本的多种语义特征,并将这些语义特征同短文本一起构建一个多元异构图,然后将其作为GCN的输入,利用GCN学习短文本更深层特征,最后通过Softmax函数获取每个类别的概率分布,进而实现短文本分类.试验结果表明,本模型在短文本分类的F1评分上比传统单一模型提高了4%.