內(nèi)容整理自網(wǎng)絡(luò)

　　許多涉及各種性質(zhì)的交易網(wǎng)絡(luò)以及社連接邊動，以及與現(xiàn)實世界問題相關(guān)問題都是動態(tài)的，可以建模為圖結(jié)構(gòu)，其中節(jié)點和邊隨著時間的推移而變化。在這篇文章中，我們描述了時間圖網(wǎng)絡(luò)，這是用于在動態(tài)圖上進行深度學(xué)習(xí)建模的通用框架。

圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）相關(guān)的研究逐年激增，已成為今年機器學(xué)習(xí)研究中最熱門的主題之一。GNN最近在生物學(xué)，化學(xué)，社會科學(xué)，物理學(xué)等領(lǐng)域的問題上取得了一系列成功。到目前為止，GNN模型主要建模和處理不隨時間變化的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)。但是，許多現(xiàn)實世界中的圖網(wǎng)絡(luò)卻是動態(tài)的，并且隨時間變化，典型的例子如社交網(wǎng)絡(luò)，金融交易和推薦系統(tǒng)。在許多情況下，正是這種系統(tǒng)的動態(tài)行為傳達了重要的信息，否則，如果人們僅考慮靜態(tài)圖，則會丟掉這些信息。

Twitter用戶的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，與推文進行連接邊并互相關(guān)注。所有邊都有時間戳。給定這樣的動態(tài)圖，我們希望預(yù)測未來的連接邊，例如，用戶將喜歡哪些推文或他們將關(guān)注誰。

　　動態(tài)圖可以表示為定時事件的有序列表或異步“流”，例如節(jié)點和邊的添加或刪除[1]。像Twitter這樣的社交網(wǎng)絡(luò)是一個典型的例子：當(dāng)一個人加入平臺時，會創(chuàng)建一個新節(jié)點。當(dāng)他們關(guān)注另一個用戶時，將創(chuàng)建一條新的關(guān)注邊。當(dāng)他們更改配置文件時，將更新該節(jié)點。

　　該事件流由編碼器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼，該編碼器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為圖的每個節(jié)點生成時間相關(guān)的embedding。然后可以將embedding的內(nèi)容饋送到為特定任務(wù)設(shè)計的解碼器中。比如說，可以通過嘗試回答這么一個問題，來預(yù)測未來的連接邊作用，問題是：在時間t處節(jié)點i和j之間具有邊的概率是多少？回答此問題的能力對于推薦系統(tǒng)至關(guān)重要，例如，給社交網(wǎng)絡(luò)用戶推薦什么內(nèi)容或預(yù)測該用戶喜歡關(guān)注什么內(nèi)容。下圖說明了這種情況：

　　一個TGN編碼器的例子，擁有七條可見邊（時間戳為t?至t?）的動態(tài)圖，目的是預(yù)測在時間t?（灰色邊）時，節(jié)點2和4之間的未來存在連接關(guān)系的概率。為此，TGN在時間t1時，計算節(jié)點2和4embedding表示。然后將這些embedding連接起來并輸入解碼器（例如MLP），該解碼器輸出存在連接邊的概率。

　　上述場景中的關(guān)鍵部分是編碼器，它可以與任何解碼器同時訓(xùn)練。在前述的連接邊預(yù)測任務(wù)上，可以以自監(jiān)督的方式進行訓(xùn)練：在每個時期，編碼器均按時間順序處理事件，并根據(jù)先前的事件預(yù)測下一次連接邊[2]。

　　時間圖網(wǎng)絡(luò)（TGN）是我們在Twitter上與Fabrizio Frasca，Davide Eynard，Ben Chamberlain和Federico Monti等同事共同開發(fā)的一種通用編碼器體系結(jié)構(gòu)[3]。該模型可以應(yīng)用于以事件流表示的動態(tài)圖上的各種學(xué)習(xí)問題。簡而言之，TGN編碼器通過基于節(jié)點的連接邊創(chuàng)建節(jié)點的壓縮表示并在每次事件發(fā)生時時更新它們的表示。為此，TGN具有以下主要組成部分：

　　Memory單元。Memory存儲所有節(jié)點的狀態(tài)，充當(dāng)節(jié)點過去連接邊的壓縮表示。它類似于RNN的隱藏狀態(tài)。然而，我們對每個節(jié)點i用一個獨立的狀態(tài)向量si（t）表示。當(dāng)出現(xiàn)新節(jié)點時，我們添加一個初始化為零的新的狀態(tài)向量。而且，由于每個節(jié)點的Memory只是狀態(tài)向量（而不是參數(shù)），因此當(dāng)模型吸收新的連接邊時，也可以在測試時進行更新。

　　消息功能函數(shù)：更新Memory的主要機制。給定節(jié)點i和j在時間t的連接邊，消息函數(shù)計算兩條消息（一條用于i，一條用于j），用于更新Memory。這類似于在消息傳遞圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中計算的消息[4]。該消息是在連接邊之前的時間t?，連接邊時間t和邊緣特征[5] 的情況下節(jié)點i和j的Memory的函數(shù)：

Memory更新組件：用于使用新消息更新Memory。該模塊通常實現(xiàn)為RNN。

鑒于節(jié)點的Memory是隨時間更新的向量，最直接的方法是直接將其用作節(jié)點embedding。但是，在實踐中，由于陳舊性（同步更新時間不一致導(dǎo)致的狀態(tài)漂移）問題，這并不合適：鑒于僅當(dāng)節(jié)點參與連接邊時才更新Memory，因此節(jié)點長時間不活動會導(dǎo)致其Memory過時。舉個例子，想想一個用戶離開Twitter幾個月。當(dāng)用戶返回時，他們可能已經(jīng)在此期間產(chǎn)生了新的興趣，因此對他們過去活動的Memory不再重要。因此，我們需要一種更好的方法來計算embedding。

　　embedding。一種解決方案是查看其節(jié)點鄰居。為了解決陳舊性問題，embedding模塊通過在該節(jié)點的時空鄰居上執(zhí)行圖聚合來計算該節(jié)點的時間embedding。即使節(jié)點已處于非活動狀態(tài)一段時間，它的某些鄰居也可能處于活動狀態(tài)，并且通過聚合其Memory，TGN可以為該節(jié)點計算最新的embedding。在我們的例子中，即使用戶不使用Twitter，他們的朋友仍會保持活動狀態(tài)，因此當(dāng)他們返回時，朋友的最近活動可能比用戶自己的歷史記錄更具相關(guān)性。

圖embedding模塊通過在其時間鄰域上執(zhí)行聚合來計算目標(biāo)節(jié)點的embedding。另外，在上述圖中，在某一時間t大于計算節(jié)點1的embedding時間節(jié)點t?，t?和t? ，但小于t?，時間鄰域?qū)H包括時間t之前發(fā)生的邊。因此，節(jié)點5的邊不參與計算，因為將來會發(fā)生這種情況。相反，embedding模塊會根據(jù)鄰居2、3和4的特征（v）和Memory（s）以及邊上的特征進行聚合，以計算節(jié)點1的表示形式。實驗是圖注意力，它能夠根據(jù)鄰居的Memory，特征和互動時間來了解哪個鄰居最重要。

　　下圖總結(jié)了TGN對一批訓(xùn)練數(shù)據(jù)執(zhí)行的總體計算過程：

TGN對一批訓(xùn)練數(shù)據(jù)執(zhí)行的計算。一方面，embedding由embedding模塊使用時間圖和節(jié)點的Memory（1）生成。然后將embedding用于預(yù)測批處理相互作用并計算損失（2、3）。另一方面，這些相同的連接邊也用于更新Memory（4、5）。

　　通過查看上圖，你可能想知道如何訓(xùn)練與Memory相關(guān)的模塊（消息功能函數(shù)，消息聚合器和Memory更新組件），因為它們似乎并不直接影響損失函數(shù)，因此不會進行梯度更新。為了使這些模塊能夠影響損失函數(shù)，我們需要在預(yù)測批處理連接邊之前更新Memory。但是，這將導(dǎo)致泄漏，因為Memory已經(jīng)包含有關(guān)我們要預(yù)測的信息。我們提出的解決此問題的策略是使用來自先前的消息來更新Memory批處理，然后預(yù)測連接邊。下圖展示了TGN的操作流程，這是訓(xùn)練與Memory相關(guān)的模塊所必需的：

訓(xùn)練與Memory相關(guān)的模塊所需的TGN操作流程。引入了一個新的組件，即原始消息存儲庫，該存儲庫存儲了必要的信息以計算消息（我們稱為原始消息），以處理模型過去處理過的連接邊。這允許模型將連接邊帶來的Memory更新延遲到以后的batch數(shù)據(jù)。首先，使用從先前batch數(shù)據(jù)（1和2）中存儲的原始消息計算出的消息來更新Memory。然后可以使用剛更新的Memory（灰色連接邊）來計算embedding（3）。這樣，與Memory相關(guān)的模塊的計算將直接影響損失函數(shù)（4、5），并且它們會收到一個梯度。最后，此批處理連接邊的原始消息存儲在原始消息存儲庫（6）中，以供將來的batch數(shù)據(jù)使用。

　　在各種動態(tài)圖上進行了廣泛的實驗驗證后，在精度和速度方面，TGN在鏈接預(yù)測和動態(tài)節(jié)點分類的任務(wù)上明顯優(yōu)于競爭方法[6]。一種這樣的動態(tài)圖是Wikipedia，其中用戶和頁面是節(jié)點，并且連接邊表示用戶正在編輯頁面。編輯文本的編碼用作連接邊功能。在這種情況下，任務(wù)是預(yù)測用戶將在給定時間編輯哪個頁面。我們將TGN的不同變體與基準(zhǔn)方法進行了比較：

在預(yù)測準(zhǔn)確性和時間方面，比較Wikipedia數(shù)據(jù)集上TGN的各種配置和已有的方法（TGAT和Jodie）對將來在Wikipedia數(shù)據(jù)集上的連接邊進行預(yù)測。我們希望有更多的論文嚴(yán)格地報告這兩個重要標(biāo)準(zhǔn)。

　　該拆分研究證明不同TGN模塊的重要性，并使我們可以得出一些一般性結(jié)論。首先，Memory很重要：Memory的缺乏會導(dǎo)致性能大幅下降[7]。其次，embedding模塊的使用（與直接輸出Memory狀態(tài)相反）很重要。基于圖注意力的embedding似乎表現(xiàn)最佳。第三，擁有Memory使得僅使用一個圖關(guān)注層就足夠了（這大大減少了計算時間），因為1跳鄰居的Memory使模型可以間接訪問2跳鄰居信息。

　　最后，我們認(rèn)為在動態(tài)圖上學(xué)習(xí)是一個幾乎原始的研究領(lǐng)域，具有許多重要應(yīng)用場景，并且具有巨大的潛在影響。我們認(rèn)為，我們的TGN模型是提高動態(tài)圖學(xué)習(xí)能力的重要一步，以鞏固和擴展先前的結(jié)果。隨著這一研究領(lǐng)域的發(fā)展，更好，更大的基準(zhǔn)將變得至關(guān)重要?，F(xiàn)在，我們正在努力創(chuàng)建新的動態(tài)圖數(shù)據(jù)集和任務(wù)，作為“ 開放圖基準(zhǔn)”的一部分。