Pytorch+PyG实现GCN(图卷积网络)(pytorch go)

Pytorch+PyG实现GCN(图卷积网络) 文章目录前言一、导入相关库二、加载Cora数据集三、定义GCN网络四、定义模型五、模型训练六、模型验证七、结果完整代码前言

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大家好，我是阿光。

本专栏整理了《图神经网络代码实战》，内包含了不同图神经网络的相关代码实现（PyG以及自实现），理论与实践相结合，如GCN、GAT、GraphSAGE等经典图网络，每一个代码实例都附带有完整的代码。

正在更新中~ ✨

🚨 我的项目环境：

平台：Windows10语言环境：python3.7编译器：PyCharmPyTorch版本：1.11.0PyG版本：2.1.0

💥 项目专栏：【图神经网络代码实战目录】

本文我们将使用Pytorch + Pytorch Geometric来简易实现一个GCN（图卷积网络），让新手可以理解如何PyG来搭建一个简易的图网络实例demo。

一、导入相关库

本项目我们需要结合两个库，一个是Pytorch，因为还需要按照torch的网络搭建模型进行书写，第二个是PyG，因为在torch中并没有关于图网络层的定义，所以需要torch_geometric这个库来定义一些图层。

import torchimport torch.nn.functional as Fimport torch.nn as nnimport torch_geometric.nn as pyg_nnfrom torch_geometric.datasets import Planetoid二、加载Cora数据集

本文使用的数据集是比较经典的Cora数据集，它是一个根据科学论文之间相互引用关系而构建的Graph数据集合，论文分为7类，共2708篇。

Genetic_AlgorithmsNeural_NetworksProbabilistic_MethodsReinforcement_LearningRule_LearningTheory

这个数据集是一个用于图节点分类的任务，数据集中只有一张图，这张图中含有2708个节点，10556条边，每个节点的特征维度为1433。

# 1.加载Cora数据集dataset = Planetoid(root='./data/Cora', name='Cora')三、定义GCN网络

这里我们就不重点介绍GCN网络了，相信大家能够掌握基本原理，本文我们使用的是PyG定义网络层，在PyG中已经定义好了GCNConv这个层，该层采用的就是GCN机制。

对于GCNConv的常用参数：

in_channels：每个样本的输入维度，就是每个节点的特征维度out_channels：经过注意力机制后映射成的新的维度，就是经过GAT后每个节点的维度长度normalize：是否添加自环，并且是否归一化，默认为Trueadd_self_loops：为图添加自环，是否考虑自身节点的信息bias：训练一个偏置b# 2.定义GCNConv网络class GCN(nn.Module): def __init__(self, num_node_features, num_classes): super(GCN, self).__init__() self.conv1 = pyg_nn.GCNConv(num_node_features, 16) self.conv2 = pyg_nn.GCNConv(16, num_classes) def forward(self, data): x, edge_index = data.x, data.edge_index x = self.conv1(x, edge_index) x = F.relu(x) x = F.dropout(x, training=self.training) x = self.conv2(x, edge_index) return F.log_softmax(x, dim=1)

上面网络我们定义了两个GCNConv层，第一层的参数的输入维度就是初始每个节点的特征维度，输出维度是16。

第二个层的输入维度为16，输出维度为分类个数，因为我们需要对每个节点进行分类，最终加上softmax操作。

四、定义模型

下面就是定义了一些模型需要的参数，像学习率、迭代次数这些超参数，然后是模型的定义以及优化器及损失函数的定义，和pytorch定义网络是一样的。

device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu') # 设备epochs = 10 # 学习轮数lr = 0.003 # 学习率num_node_features = dataset.num_node_features # 每个节点的特征数num_classes = dataset.num_classes # 每个节点的类别数data = dataset[0].to(device) # Cora的一张图# 3.定义模型model = GCN(num_node_features, num_classes).to(device)optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=lr) # 优化器loss_function = nn.NLLLoss() # 损失函数五、模型训练

模型训练部分也是和pytorch定义网络一样，因为都是需要经过前向传播、反向传播这些过程，对于损失、精度这些指标可以自己添加。

# 训练模式model.train()for epoch in range(epochs): optimizer.zero_grad() pred = model(data) loss = loss_function(pred[data.train_mask], data.y[data.train_mask]) # 损失 correct_count_train = pred.argmax(axis=1)[data.train_mask].eq(data.y[data.train_mask]).sum().item() # epoch正确分类数目 acc_train = correct_count_train / data.train_mask.sum().item() # epoch训练精度 loss.backward() optimizer.step() if epoch % 20 == 0: print("【EPOCH: 】%s" % str(epoch + 1)) print('训练损失为：{:.4f}'.format(loss.item()), '训练精度为：{:.4f}'.format(acc_train))print('【Finished Training！】')六、模型验证

下面就是模型验证阶段，在训练时我们是只使用了训练集，测试的时候我们使用的是测试集，注意这和传统网络测试不太一样，在图像分类一些经典任务中，我们是把数据集分成了两份，分别是训练集、测试集，但是在Cora这个数据集中并没有这样，它区分训练集还是测试集使用的是掩码机制，就是定义了一个和节点长度相同纬度的数组，该数组的每个位置为True或者False，标记着是否使用该节点的数据进行训练。

# 模型验证model.eval()pred = model(data)# 训练集（使用了掩码）correct_count_train = pred.argmax(axis=1)[data.train_mask].eq(data.y[data.train_mask]).sum().item()acc_train = correct_count_train / data.train_mask.sum().item()loss_train = loss_function(pred[data.train_mask], data.y[data.train_mask]).item()# 测试集correct_count_test = pred.argmax(axis=1)[data.test_mask].eq(data.y[data.test_mask]).sum().item()acc_test = correct_count_test / data.test_mask.sum().item()loss_test = loss_function(pred[data.test_mask], data.y[data.test_mask]).item()print('Train Accuracy: {:.4f}'.format(acc_train), 'Train Loss: {:.4f}'.format(loss_train))print('Test Accuracy: {:.4f}'.format(acc_test), 'Test Loss: {:.4f}'.format(loss_test))七、结果【EPOCH: 】1训练损失为：1.9594 训练精度为：0.1571【EPOCH: 】21训练损失为：1.8681 训练精度为：0.3286【EPOCH: 】41训练损失为：1.7647 训练精度为：0.5000【EPOCH: 】61训练损失为：1.6587 训练精度为：0.5571【EPOCH: 】81训练损失为：1.5258 训练精度为：0.6714【EPOCH: 】101训练损失为：1.4334 训练精度为：0.7143【EPOCH: 】121训练损失为：1.3361 训练精度为：0.7714【EPOCH: 】141训练损失为：1.2310 训练精度为：0.8357【EPOCH: 】161训练损失为：1.1443 训练精度为：0.8571【EPOCH: 】181训练损失为：1.0962 训练精度为：0.8714【Finished Training！】>>>Train Accuracy: 0.9357 Train Loss: 0.9735>>>Test Accuracy: 0.7200 Test Loss: 1.3561训练集测试集Accuracy0.93570.7200Loss0.97351.3561完整代码import torchimport torch.nn.functional as Fimport torch.nn as nnimport torch_geometric.nn as pyg_nnfrom torch_geometric.datasets import Planetoid# 1.加载Cora数据集dataset = Planetoid(root='./data/Cora', name='Cora')# 2.定义GCNConv网络class GCN(nn.Module): def __init__(self, num_node_features, num_classes): super(GCN, self).__init__() self.conv1 = pyg_nn.GCNConv(num_node_features, 16) self.conv2 = pyg_nn.GCNConv(16, num_classes) def forward(self, data): x, edge_index = data.x, data.edge_index x = self.conv1(x, edge_index) x = F.relu(x) x = F.dropout(x, training=self.training) x = self.conv2(x, edge_index) return F.log_softmax(x, dim=1)device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu') # 设备epochs = 200 # 学习轮数lr = 0.0003 # 学习率num_node_features = dataset.num_node_features # 每个节点的特征数num_classes = dataset.num_classes # 每个节点的类别数data = dataset[0].to(device) # Cora的一张图# 3.定义模型model = GCN(num_node_features, num_classes).to(device)optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=lr) # 优化器loss_function = nn.NLLLoss() # 损失函数# 训练模式model.train()for epoch in range(epochs): optimizer.zero_grad() pred = model(data) loss = loss_function(pred[data.train_mask], data.y[data.train_mask]) # 损失 correct_count_train = pred.argmax(axis=1)[data.train_mask].eq(data.y[data.train_mask]).sum().item() # epoch正确分类数目 acc_train = correct_count_train / data.train_mask.sum().item() # epoch训练精度 loss.backward() optimizer.step() if epoch % 20 == 0: print("【EPOCH: 】%s" % str(epoch + 1)) print('训练损失为：{:.4f}'.format(loss.item()), '训练精度为：{:.4f}'.format(acc_train))print('【Finished Training！】')# 模型验证model.eval()pred = model(data)# 训练集（使用了掩码）correct_count_train = pred.argmax(axis=1)[data.train_mask].eq(data.y[data.train_mask]).sum().item()acc_train = correct_count_train / data.train_mask.sum().item()loss_train = loss_function(pred[data.train_mask], data.y[data.train_mask]).item()# 测试集correct_count_test = pred.argmax(axis=1)[data.test_mask].eq(data.y[data.test_mask]).sum().item()acc_test = correct_count_test / data.test_mask.sum().item()loss_test = loss_function(pred[data.test_mask], data.y[data.test_mask]).item()print('Train Accuracy: {:.4f}'.format(acc_train), 'Train Loss: {:.4f}'.format(loss_train))print('Test Accuracy: {:.4f}'.format(acc_test), 'Test Loss: {:.4f}'.format(loss_test))