Graphs are fundamental data structures for modeling complex interactions in domains such as social networks, molecular structures, and biological systems. Graph-level tasks, which involve predicting properties or labels for entire graphs, are crucial for applications like molecular property prediction and subgraph counting. While Graph Neural Networks (GNNs) have shown significant promise for these tasks, their evaluations are often limited by narrow datasets, insufficient architecture coverage, restricted task scope and scenarios, and inconsistent experimental setups, making it difficult to draw reliable conclusions across domains. In this paper, we present a comprehensive experimental study of GNNs on graph-level tasks, systematically categorizing them into five types: node-based, hierarchical pooling-based, subgraph-based, graph learning-based, and self-supervised learning-based GNNs. We propose a unified evaluation framework OpenGLT, which standardizes evaluation across four domains (social networks, biology, chemistry, and motif counting), two task types (classification and regression), and three real-world scenarios (clean, noisy, imbalanced, and few-shot graphs). Extensive experiments on 20 models across 26 classification and regression datasets reveal that: (i) no single architecture dominates both effectiveness and efficiency universally, i.e., subgraph-based GNNs excel in expressiveness, graph learning-based and SSL-based methods in robustness, and node-based and pooling-based models in efficiency; and (ii) specific graph topological features such as density and centrality can partially guide the selection of suitable GNN architectures for different graph characteristics.


翻译:图是建模社交网络、分子结构及生物系统等复杂交互关系的基础数据结构。图级任务涉及预测整个图的属性或标签,在分子性质预测和子图计数等应用中至关重要。尽管图神经网络在此类任务中展现出显著潜力,但其评估常受限于数据集范围狭窄、架构覆盖不足、任务场景有限以及实验设置不一致等问题,导致难以跨领域获得可靠结论。本文对图级任务中的图神经网络进行了系统性实验研究,将其划分为五类:基于节点的、基于层次池化的、基于子图的、基于图学习的及基于自监督学习的图神经网络。我们提出统一评估框架OpenGLT,标准化了四个领域(社交网络、生物学、化学与模体计数)、两种任务类型(分类与回归)及三种真实场景(纯净图、噪声图、不平衡图与少样本图)的评估流程。基于20个模型在26个分类与回归数据集上的广泛实验揭示:(i) 不存在同时在有效性与效率上普适最优的单一架构——基于子图的图神经网络擅长表达能力,基于图学习与自监督的方法在鲁棒性上占优,而基于节点与池化的模型则具备效率优势;(ii) 密度、中心性等特定图拓扑特征可部分指导针对不同图特性选择适配的图神经网络架构。

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人工神经网络(Artificial Neural Network,即ANN ),是20世纪80 年代以来人工智能领域兴起的研究热点。它从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象, 建立某种简单模型,按不同的连接方式组成不同的网络。在工程与学术界也常直接简称为神经网络或类神经网络。神经网络是一种运算模型,由大量的节点(或称神经元)之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数,称为激励函数(activation function)。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值,称之为权重,这相当于人工神经网络的记忆。网络的输出则依网络的连接方式,权重值和激励函数的不同而不同。而网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼近,也可能是对一种逻辑策略的表达。 最近十多年来,人工神经网络的研究工作不断深入,已经取得了很大的进展,其在模式识别、智能机器人、自动控制、预测估计、生物、医学、经济等领域已成功地解决了许多现代计算机难以解决的实际问题,表现出了良好的智能特性。
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