如何應(yīng)用自動機器學(xué)習(xí) (AutoML) 加速圖機器學(xué)習(xí)任務(wù)的處理？清華大學(xué)發(fā)布全球首個開源自動圖學(xué)習(xí)工具包：AutoGL (Auto Graph Learning)，支持在圖數(shù)據(jù)上全自動進行機器學(xué)習(xí)。

人工智能的蓬勃發(fā)展離不開數(shù)據(jù)、算力、算法這三大要素。而在浩瀚的數(shù)據(jù)中，有一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)既普遍又復(fù)雜，它就是圖（graph）。

圖是一種用于描述事物之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)，其基本構(gòu)成元素為節(jié)點和連接節(jié)點的邊。

很多不同領(lǐng)域的研究問題都可以很自然地建模成圖機器學(xué)習(xí)，例如蛋白質(zhì)建模、物理系統(tǒng)模擬、組合優(yōu)化等基礎(chǔ)研究;社交媒體分析、推薦系統(tǒng)、虛假新聞檢測等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用;以及金融風(fēng)控、知識表征、交通流量預(yù)測、新藥發(fā)現(xiàn)等。

社交網(wǎng)絡(luò)圖示例。

圖結(jié)構(gòu)豐富且具有與生俱來的導(dǎo)向能力，因此非常適合機器學(xué)習(xí)模型。同時，它又無比復(fù)雜，難以進行大規(guī)模擴展應(yīng)用。而且不同的圖數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)、內(nèi)容和任務(wù)上千差萬別，所需要的圖機器學(xué)習(xí)模型也可能相差甚遠，這就導(dǎo)致不同任務(wù)的模型自動化面臨巨大挑戰(zhàn)。如何設(shè)計最優(yōu)的圖自動機器學(xué)習(xí)模型，是一個尚未解決的難題。

圖 + AutoML = ？

自動機器學(xué)習(xí) (AutoML) 旨在將機器學(xué)習(xí)的過程自動化，在降低機器學(xué)習(xí)使用門檻的同時，提升機器學(xué)習(xí)的效果。但現(xiàn)有的自動機器學(xué)習(xí)工具，無法考慮圖數(shù)據(jù)的特殊性，因此無法應(yīng)用在圖機器學(xué)習(xí)模型中。

為了解決該問題，清華大學(xué)朱文武教授帶領(lǐng)的網(wǎng)絡(luò)與媒體實驗室發(fā)布了全球首個開源自動圖學(xué)習(xí)工具包：AutoGL (Auto Graph Learning)。該工具支持在圖數(shù)據(jù)上全自動進行機器學(xué)習(xí)，并且支持圖機器學(xué)習(xí)中最常見的兩個任務(wù)：節(jié)點分類任務(wù)（node classification）與圖分類任務(wù)（graph classification）。

AutoGL 流程圖。

AutoGL 工具包首先使用 AutoGL Dataset 維護圖機器學(xué)習(xí)任務(wù)所需數(shù)據(jù)集。AutoGL Dataset 導(dǎo)入了大規(guī)模圖表示學(xué)習(xí)工具包 CogDL 和圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫 PyTorch Geometric (PyG) 中的數(shù)據(jù)集模塊，并添加對 OGB 數(shù)據(jù)集的支持，同時還添加了一些支持以便集成 auto solver 框架。

不同的圖機器學(xué)習(xí)任務(wù)可以通過不同的 AutoGL Solver 得到解決。AutoGL Solver 使用四個主要模塊自動化解決給定任務(wù)，分別是特征工程（Feature Engineering）、圖學(xué)習(xí)模型（Graph Learning Model）、超參數(shù)優(yōu)化（HPO），以及模型自動集成（Auto Ensemble）。每個部分在設(shè)計時都引入了對圖數(shù)據(jù)特殊性的考慮。

模塊 1：特征工程

AutoGL 特征工程模塊包含了圖機器學(xué)習(xí)過程中常用的特征工程方法，包括節(jié)點 / 邊 / 子圖特征提取、變換和篩選，如節(jié)點度數(shù)、節(jié)點 ID、特征向量等。這些方法顯著豐富了目標圖數(shù)據(jù)上的信息，提高了圖學(xué)習(xí)的效果。同時，用戶還可以非常方便地擴展特征工程模塊，以實現(xiàn)個性化的需求。

模塊 2：圖學(xué)習(xí)模型

AutoGL 目前支持 GCN、GAT、GIN 等常見圖學(xué)習(xí)模型，可以完成包括點分類、圖分類在內(nèi)的多種常見任務(wù)，使用方式簡單，上手方便。同時，AutoGL 主頁還提供了詳細的說明文檔，支持用戶自定義模型，可擴展性良好。

模塊 3：超參數(shù)優(yōu)化

AutoGL 目前集成了多種通用超參數(shù)優(yōu)化方法, 如網(wǎng)格搜索、隨機搜索、貝葉斯優(yōu)化、模擬退火、TPE 等算法，同時還包含專門針對圖學(xué)習(xí)優(yōu)化的自動機器學(xué)習(xí)算法 AutoNE。該模塊省去了圖學(xué)習(xí)中繁雜的手動調(diào)參過程，極大地提高了工程效率。同時，該模塊易于使用，用戶只需給出各個超參數(shù)的類型和搜索空間、指定超參數(shù)優(yōu)化方法，即可快速上手運行若干自動圖學(xué)習(xí)模型。

AutoGL 會在給定的資源預(yù)算（時間、搜索次數(shù)等）內(nèi)給出最優(yōu)的超參數(shù)組合。該模塊同樣支持擴展，用戶可以自定義新的超參數(shù)優(yōu)化算法。

模塊 4：模型自動集成

自動集成模塊目前支持兩類常用的集成學(xué)習(xí)方法：voting 和 stacking。該模塊通過組合多個基模型得到一個博采眾長的集成模型，從而進一步提升圖學(xué)習(xí)的效果。

AutoGL 工具包目前支持多種算法，如下表所示：

AutoGL 工具包四個不同模塊所支持的算法。

AutoGL 工具包極大地方便了開發(fā)人員進行對應(yīng)的圖學(xué)習(xí)算法設(shè)計和調(diào)優(yōu)。用戶只需按照 AutoGL 的數(shù)據(jù)集標準提供目標數(shù)據(jù)集，AutoGL 就會自動尋找最優(yōu)的模型和對應(yīng)的超參數(shù)，從而簡化圖學(xué)習(xí)算法開發(fā)與應(yīng)用的流程，極大提升圖學(xué)習(xí)相關(guān)的科研和應(yīng)用效率。

此外，AutoGL 工具包還提供了一個供使用者公平地測試與對比算法的平臺。AutoGL 在設(shè)計時遵循模塊化思想，每個模塊均可擴展，用戶只需實現(xiàn)對應(yīng)模塊類的接口，即可方便地測試自己的算法，為快速獲得 baseline 效果、公平對比不同模型性能提供方便。

未來展望

據(jù) AutoGL 研發(fā)團隊透露，他們將進一步深入研發(fā)，以方便其他研究者、業(yè)界使用者和初學(xué)者快速上手 AutoGL，解決學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界遇到的圖學(xué)習(xí)相關(guān)問題。

AutoGL 網(wǎng)站顯示，該工具包將在近期支持以下功能：

神經(jīng)架構(gòu)搜索；

大規(guī)模圖數(shù)據(jù)集支持；

更多圖任務(wù)（如鏈接預(yù)測、異構(gòu)圖任務(wù)、時空任務(wù)）；

Graph Boosting & Bagging；

對更多圖模型庫提供后端支持（如 DGL）。

AutoGL 研發(fā)團隊期待得到各類使用反饋，以更好地完善 AutoGL 的各項功能。「我們的最終目的是推動自動圖機器學(xué)習(xí)在學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的深層次探索和應(yīng)用。」AutoGL 研發(fā)者談及之后的計劃時表示。

相關(guān)鏈接

AutoGL 網(wǎng)站地址：http://mn.cs.tsinghua.edu.cn/autogl/

AutoGL 代碼鏈接：https://github.com/THUMNLab/AutoGL

AutoGL 說明文檔：https://autogl.readthedocs.io/en/latest/index.html

圖深度學(xué)習(xí)模型綜述：https://arxiv.org/abs/1812.04202