©原创作者 | 小欣

原标题：异步传播注意力图神经网络（APAN）简介，一种图神经网络时序模型在工业化场景上的实践探索

01 图神经网络在工业场景上的瓶颈

传统的图模型通常执行两个串行操作：首先是图查询，然后是模型推理，由于查询 k-hop 邻居的时间复杂度比较大，很多图算法在时序神经网络模型中无法执行快速推理，因此，极大地限制了图算法的工业化推广。

为了解决这个问题，来自上海交通大学的团队和蚂蚁金融的团队，联合提出了异步传播注意力图神经网络算法（APAN），该算法将模型推理和图计算解耦，使得图计算独立执行而不会影响模型推理的速度。

通过多次试验测试，在相同的环境下，模型推理的速度比传统方法提升了8.7倍。

下面来给小伙伴们做一下简单的介绍吧！

02 异步传播注意力神经网络（APAN）的算法介绍

图神经网络（GNN）是当前流流行的事物复杂网络关系的一种神经网络结构，通常由节点和边组成。G = { V,E} V代表图中节点的集合，E代表图中边的集合。

在实际应用中，如何对图形建模，并将数据表示为低维嵌入向量，已成为学者研究的关键问题。

到目前为止，大部分图神经网络的工作，如DeepWalk和SAGE，都是假定图本身是静态的，这就意味着图结构是固定的，且和时间是无关的。

然而，在大部分实际的生活场景中，图网络是动态的，节点和边可以随着时间变化而改变，甚至连节点的属性也会发生变化。

例如在社交的图网络结构中，用户经常由于一个热点事件，而转移对实体的兴趣；在经济网络中，欺诈者会突然做出一系列的非法的操作，然后在最短的时间内撤回资金。

如果我们采用静态图的方法，对动态网络进行建模，那将会非常简单高效，但是这样我们就无法捕捉拓扑结构中的变化模式。

此外，当我们学习动态网络节点上的特征时，我们需要同时考虑历史事件和即将发生的事件的影响。可以想象，动态图的研究难度是巨大的，比静态情况下要难很多。

随着静态图深度学习算法的成熟，许多研究人员已经开始提出一些动态GNN算法来克服这些问题，期望提升普通GNN方法在动态图中的能力。

一般来说，动态图算法大致可分为两类：离散时间动态图（DTDG），连续时间动态图（CTDG）。

DTDG算法，例如EPNE和E-LSTM-D，通常会转换整个将动态图按时间间隔转换为一系列静态子图，这些方法使用离散时间窗口来表示节点之间的连续时间交互。因此，DTDG模型的性能对窗口大学参数的选择非常敏感，而随时间变化的特征将会在快照中丢失。

近年来，基于CTDG的图算法受到图算法研究社区越来越多的关注。这些范式算法设计用于处理成批的时间交互基于快照的DTDG算法。大多数CTDG算法，例如TGAT和TGN所述，通过由事件触发的时间子图聚合。

尽管CTDG算法比DTDG和静态图算法更高的性能,但是在线模型推理的时候存在比较高的延迟。当多个节点产生信息交互时，CTDG需要访问其k-hop的邻居节点，这种随机的查询操作非常耗时，并且占用了模型推理的大部分时间。

在欺诈检测任务中，模型推理时间面临较大的挑战。如果欺诈检测系统无法立即禁止欺诈交易，欺诈者可能会在系统响应之前提取非法资金，从而逃避平台的监控，给金融平台和用户造成无法估量的损失。

据我们所知，没有人克服CTDG算法的这些严重问题。因此，我们设计了一个新的CTDG算法，称为异步CTDG解耦模型推理和图形计算。为了便于解释，我们将类似TGAT的算法称为同步CTDG。

在上图中，我们解释了同步和异步CTDG。直观地说，异步的CTDG可以满足我们的要求，但异步CTDG绝不像调整图形的顺序那么简单。异步传播注意网络（APAN）是我们的提的满足上述条件的模型。

图(a) Continuous Time Dynamic Graph (CTDG)是一种边上有时间标签的图神经网络，在这个图结构中，节点之间通过时间标签的顺序来进行交互，两个节点在不同的时间可以进行多重互动。当一个节点存在交互时，我们就更新节点的向量，所以一个节点通常有多个动态的向量。

图(b)如果忽略时间因素，我们把CTDG看做一个静态图，那么此时图中的一个路径，节点4->节点1->节点2 就被视为一个有效图路径。但是很明显，这种做法对时间是无效的，节点向量无法表示不同时间的不同信息值。

图(c) DTDG算法不仅无法体现完整的有效路径（如 节点1->节点2->节点5），同样无法解决路径会随时间而失效的问题。

异步传播注意力神经网络 (APAN) 是我们提出的满足异步CTDG算法框架的模型，APAN有两条主要逻辑线：同步推理和异步传播，在异步的这条逻辑线上，交互完成时，详细的交互信息，会以“邮件”的方式，发送到“邮箱”中。

当进行模型推理的时候，APAN不需要在图中查询相邻节点的信息，只需要在相邻节点的“邮箱”中读出已保存的信息，然后用于实时的模型推理。

03 异步传播注意力神经网络（APAN）的实现步骤和方法

异步传播注意力神经网络（APAN）总体上分为三个部分：编码器，解码器，传播器。其中编码器和解码器是同步进行的，同时他们不需要在图数据库中查询相邻节点的信息，因此，模型推理时的时间就很短，用户可以更好的体验。

上图为APAN模型，在这个模型中，使用了一个实时图向量的异步CTDG算法。我们使用基于编码器的注意力网络，基于解码器的多层感知器，和异步邮件传播模块共同组成了APAN模型。

模型中当节点之间产生信息交互时，编码器根据创建一个最新的节点向量，并更新到邮箱中。需注意的是，如果一个节点在一段时间的交互中出现了多次，此时只会产生一个节点向量。

即使这样，在整体上来说，每当一个节点参与了一次信息交互，会得到一个新的节点向量，这个向量给了模型学习动态图的能力。之后多层感知解码器会使用节点向量来实现下游任务，如：链路预测，节点分类，边分类等。

模型当产生实时交互的向量时，邮件传播器先创建一个交互的邮件，然后传播給k-hop邻居的邮箱中。因此，邮件传播器在异步进程中，并不会对用户的体验造成影响，因此可以使用复杂的结构。

04 数据集验证

我们从三个大规模工业数据集上，针对链路预测、节点分类和边缘分类任务，和各种强基线（在可能的情况下适用于时间设置）及竞争方法测试了所提方法的性能。

Wikipedia数据集:

是一个两部分数据组成的数据集，包含了平台上一个月时间内9300个节点信息和160000条边的信息，节点代表用户，边代表用户编辑页面，动态标签代表用户是否是禁止发布。

Reddit数据集：

该数据集同样由两部分组成，包含了用户的11000个节点和700000条边的信息。Reddit数据集中一次信息交互，代表用户提交了一条信息，动态标签表示用户是否被封禁。

如上图，链路预测任务中，图中显示了不同数据集在不同算法下的Accuracy和AP，黑体字为最优指标，带有下划线的为次优指标。

在上图中，针对节点分类和边的分类任务，APAN算法，在AUC指标的表现也比较优秀。

结论：APAN用于解决传统CTDG算法的线上部署和实时模型推理的问题。根据多次的实现结果，APAN算法比传统的CTDG算法在性能上提升了7.8倍，有着巨大的工业应用场景。

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