Research on the theoretical expressiveness of Graph Neural Networks (GNNs) has developed rapidly, and many methods have been proposed to enhance the expressiveness. However, most methods do not have a uniform expressiveness measure except for a few that strictly follow the $k$-dimensional Weisfeiler-Lehman ($k$-WL) test hierarchy. Their theoretical analyses are often limited to distinguishing certain families of non-isomorphic graphs, leading to difficulties in quantitatively comparing their expressiveness. In contrast to theoretical analysis, another way to measure expressiveness is by evaluating model performance on certain datasets containing 1-WL-indistinguishable graphs. Previous datasets specifically designed for this purpose, however, face problems with difficulty (any model surpassing 1-WL has nearly 100% accuracy), granularity (models tend to be either 100% correct or near random guess), and scale (only a few essentially different graphs in each dataset). To address these limitations, we propose a new expressiveness dataset, $\textbf{BREC}$, which includes 400 pairs of non-isomorphic graphs carefully selected from four primary categories (Basic, Regular, Extension, and CFI). These graphs have higher difficulty (up to 4-WL), finer granularity (able to compare models between 1-WL and 3-WL), and a larger scale (400 pairs). Further, we synthetically test 16 models with higher-than-1-WL expressiveness on our BREC dataset. Our experiment gives the first thorough comparison of the expressiveness of those state-of-the-art beyond-1-WL GNN models. We expect this dataset to serve as a benchmark for testing the expressiveness of future GNNs. Our dataset and evaluation code are released at: https://github.com/GraphPKU/BREC.


翻译:关于图神经网络(GNN)理论表达能力的研究发展迅速,目前已提出多种增强表达能力的方法。然而,除少数严格遵循k维Weisfeiler-Lehman(k-WL)测试层级的方法外,大多数方法缺乏统一的表达能力度量标准。其理论分析往往局限于区分特定类别的非同构图,导致难以定量比较不同方法的表达能力。与理论分析不同,另一种衡量表达能力的方式是通过评估模型在某些包含1-WL不可区分图的数据集上的表现。但此前专门为此设计的数据集存在以下问题:难度不足(任何超越1-WL的模型几乎都能达到100%准确率)、粒度粗糙(模型要么完全正确要么近乎随机猜测)、规模较小(每个数据集仅包含少数本质不同的图)。为解决这些局限,我们提出新的表达能力数据集——$\textbf{BREC}$,该数据集从四大类别(基础图、正则图、扩展图与CFI图)中精心筛选出400对非同构图。这些图具有更高难度(最高可达4-WL)、更细粒度(可比较1-WL至3-WL之间的模型)以及更大规模(400对)。进一步,我们在BREC数据集上对16种表达能力超过1-WL的模型进行了全面测试。实验首次系统比较了这些超越1-WL的最先进GNN模型的表达能力。我们期待该数据集能成为未来GNN表达能力测试的基准。数据集及评估代码已发布于:https://github.com/GraphPKU/BREC。

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