GPPT: Graph Pre-training and Prompt Tuning to Generalize Graph Neural Networks

KDD22

推荐指数：#paper/⭐⭐#​

动机

本文探讨了图神经网络（GNN）在迁移学习中“预训练-微调”框架的局限性及改进方向。现有方法通过预训练（如边预测、对比学习）学习可迁移的图结构知识，在微调时将其应用于下游任务（如节点分类）。然而，预训练目标与下游任务之间的差异（如二元边预测与多类节点分类）导致知识传递低效甚至负迁移——微调效果可能逊于从头训练。传统改进方案依赖为每个下游任务定制预训练目标（目标工程），但需大量领域知识与试错成本。

受自然语言处理（NLP）中提示（Prompt）技术的启发，作者提出“预训练-提示-微调”新范式，旨在通过任务重表述缩小预训练与下游任务差异。例如，NLP通过添加语义模板将分类任务转化为与预训练一致的填空任务（如情感分类转为预测掩码词）。然而，图数据面临两大挑战：

1. 符号化图数据适配难题：节点为抽象符号，无法直接套用基于文本模板的语义改写。
2. 提示设计的有效性：需结合图结构（如节点邻域信息）设计高效的提示函数，以提升分类等任务精度。

因此，本文核心研究问题聚焦于如何设计图感知提示函数，以桥接预训练与下游任务，从而高效激发预训练模型的知识。该方向有望通过任务形式统一化提升预训练模型的泛用性，减少对定制化目标工程的依赖，推动少样本图分析的进一步发展。

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图提示框架

Pre-train, Prompt, Fine-tune

Graph prompting function(图提示函数)

$v_i^{\prime }=f_{\mathrm{prompt}}(v_i)$,$v_i^{\prime }$和映射头有相似的输入形状

Pairwise prompting function(成对提示函数)

$v_i^{\prime }=f_{\mathrm{prompt}}(v_i)=[T_{\mathbf{task}}(y),T_{\mathbf{srt}}(v_i)]$

$T_{task}$是下有任务的token，$T_{src}$是目标节点结构的token。前者由待分类节点的标签得到，后者由目标节点周围子图表示，以提供更多的结构信息。很自然，可以利用函数来捕获他们两个的联系

Prompt addition

$[y_1,\cdots ,y_C]$为C个类的prompt。自然可以构造token对：$[T_{\mathrm{task}}(y_c),T_{\mathrm{srt}}(v_i)],\mathrm{for}c=1,\cdots ,C$

Prompt answer

对于每个token对，我们可以拼接，并将其放入预训练的映射头，如果目标节点 $v_i$ 与某类得到最高的链接概率，我们就将其归为一类。

prompt tuning：

${\min }_{\theta ,\varphi }{\sum }_{(v_i,y_c)}{\mathcal{L}}^{\mathrm{pre}}(p_{\varphi }^{\mathrm{pre}}(T_{\mathrm{task}}(y_c),T_{\mathrm{srt}}(v_i));g(y_c,v_i)).$其中，g为真实的标签函数

图形提示功能设计

任务token的生成：

$e_c=T_{\mathrm{task}}(y_c)\in {\mathbb{R}}^d$

$E=[e_1,\cdots ,e_C{]}^{\top }\in {\mathbb{R}}^{C\times d}$，C是类别数。

很自然，每个节点的token可以通过查询如上的任务token得到自己的类别。很自然的是，$T_{\mathbf{task}}(y_c)$最优应该是类$y_c$的中心。因此，我们通过聚类，来获得初始的tasktoken：

1. 利用可扩展聚类（比如metis）获得M个类： { G 1 , ⋯   , G M } \{\mathcal{G}_1,\cdots,\mathcal{G}_M\} {G1​,⋯,GM​}，M是类别超参。
2. 对于每个类，我们得到相应的task token：$E^m=[e_1^m,\cdots ,e_C^m{]}^{\top }\in {\mathbb{R}}^{C\times d}$（怎么感觉有问题这一行表述）
3. 给定集群 处节点 $v_i$ 的任务令牌 $T_{task}(y_c)$ ，它使用向量嵌入 $e_c^m$ 表示。

Structure Token Generation.(结构token的升成)

如果直接用节点v用于下游分类，会失去结构信息。因此我们使用$T_{\mathrm{str}}(v_i)$来表示子图结构,来涵盖结构信息。在本文中，作者使用一阶子图来表示。

$e_{v_i}=a_i\ast h_i+{\sum }_{v_j\in \mathcal{N}(v_i)}{a}_j\ast h_j.$

a通过注意力机制得到

Prompt 初始化以及正交约束：

直接使用随机初始化肯定不太好，因此我们使用预训练的GNN来初始化$E^m=[e_1^m,\cdots ,e_C^m{]}^{\top }$。

因此，我们通过节点表示来初始化标记嵌入$e_c^m$，节点表示由集群 m 处$y_c$类的训练节点给出。

不同类的中心的距离应该尽可能的打，因此有：${\mathcal{L}}_o={\sum }_m\Vert E^m(E^m{)}^{\top }-I{\Vert }_F^2.$

损失：

$\begin{array}{rl}\underset{\theta ,\varphi ,E^1,\cdots ,E^M}{\min }& \sum _{(v_i,y_c)}{\mathcal{L}}^{\mathrm{pre}}(p_{\varphi }^{\mathrm{pre}}(e_c^m,e_{v_i});g(y_c,v_i))+\lambda {\mathcal{L}}_o,\\ s.t.& {\theta }^{\mathrm{init}}={\theta }^{\mathrm{pre}},{\varphi }^{\mathrm{init}}={\varphi }^{\mathrm{pre}}.\end{array}$

结果：

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