香港中文领衔港科广、复旦重磅发布：迈向通用图智能的新方法，图提示学习进展与挑战

©PaperWeekly 原创 · 作者 | 孙相国

单位 | 香港中文大学研究员

研究方向 | 图学习

论文名称：

Graph Prompt Learning: A Comprehensive Survey and Beyond

https://arxiv.org/abs/2311.16534

https://github.com/sheldonresearch/ProG

在这个快速发展的科技时代，通用型人工智能 AGI 已经成为推动科学和工业革命的关键力量。特别是在自然语言处理（NLP）和计算机视觉（CV）领域，AGI 技术已经取得了显著的成就，如通过深度学习模型实现的自然语言理解和图像识别。

然而，在处理更为复杂的图数据时，这些技术仍面临诸多挑战。图数据结构复杂多变，它不仅包含丰富的节点信息，还涉及节点间的多样性连接。这种数据结构广泛存在于我们的日常生活中，如社交网络的互动关系、金融市场中的交易网络，以及生物信息学中的分子结构。

近日，香港中文大学程鸿教授团队，与香港科技大学（广州）李佳教授团队、复旦大学熊贇（yun）教授团队，联合发布了系统性的图提示学习综述文章，全面地介绍了图提示学习这一新兴通用图智能技术的研究进展和未来方向，引发同行广泛关注。

图数据与通用图智能

尽管图数据在现实世界中无处不在，但现有的AGI模型在处理这种复杂数据时效率不高，且难以适应新的任务和环境。论文作者深入分析整理当前图提示学习的最新进展，以考察其调整模型对下游任务适应性的能力。这种方法在实现高效和灵活的数据处理方面展现出巨大的潜力，有望为人工智能领域带来一场新的变革。

图数据，以其独特的结构和丰富的信息，为人工智能领域带来了新的挑战与机遇。不同于传统的线性数据，图数据由一系列节点和边组成，形成了复杂的网络结构。这种结构在多个领域中极为常见，如社交网络分析、交通流量预测、蛋白质结构预测等。

然而，现有的 AGI 模型在处理这种非线性、高度互联的数据时往往效率不高，难以捕捉图数据中的深层次模式和关系。通过图提示学习，我们可以更好地理解和利用图数据中蕴含的丰富信息。这对于提高社交网络分析的准确性、优化交通系统的效率、甚至在药物发现和疾病预防中发挥关键作用都有着重要意义。因此，这篇论文不仅对学术界产生了深远的影响，也为工业界提供了新的视角和方法论，以更好地利用图数据，推动人工智能技术的发展。

图提示学习，作为人工智能领域的一个新兴分支，正迅速成为研究的热点。在论文《Graph Prompt Learning: A Comprehensive Survey and Beyond》中，作者将这一概念置于 AGI 技术的前沿，突显了其在处理复杂图数据中的创新性和潜力。传统的图神经网络（GNNs）虽然在图数据分析方面取得了进展，但在适应新任务和环境方面仍有局限。图提示学习通过引入“提示”概念，旨在解决这一问题。

所谓“提示”，是指一组精心设计的输入修改，能够引导预训练的 GNNs 高效地适应新任务或环境。这种方法的核心在于使用预训练模型作为基础，通过简单但有效的输入修改实现快速适应，从而在计算成本和模型泛化能力之间找到平衡。这种方法的优雅之处在于它不需要对整个模型进行重大调整，而是通过微小的、有针对性的改变来实现显著的性能提升。

图提示学习的应用范围广泛，不仅限于节点级别的任务，如节点分类和社区发现，也适用于更复杂的边级和图级任务。例如，在药物发现中，可以通过图提示学习更精确地预测分子间的相互作用；在交通流量预测中，可以更准确地分析和预测城市交通网络中的流动模式。这种方法的推广，有望在多个领域中促进数据驱动的决策制定，为人工智能的应用带来更深远的影响。

在论文《Graph Prompt Learning: A Comprehensive Survey and Beyond》中，作者不仅详细阐述了图提示学习的核心概念和技术细节，而且强调了其在当今数据密集型科学研究中的重要性。图提示学习作为一种新兴的方法，能够更有效地处理和分析图数据，这对于许多科学和工业领域都具有重大意义。

首先，论文中提到的图提示学习在生物信息学和药物发现领域具有巨大的潜力。例如，通过分析分子结构的图表示，可以更准确地预测药物与靶标的相互作用，加速新药的研发过程。此外，在社交网络分析中，图提示学习可以帮助识别关键的社交群体和影响力节点，从而为市场营销策略和公共政策制定提供支持。

另一个值得关注的领域是环境科学。在气候变化和生态系统保护的背景下，利用图提示学习分析复杂的生态网络，可以更好地理解物种间的相互作用和环境影响，为生态保护和自然资源管理提供数据支持。同时，在金融领域，图提示学习可以用于分析和预测市场动态，帮助投资者和政策制定者做出更明智的决策。

这些应用的多样性和广泛性展示了图提示学习在解决实际问题方面的巨大潜力，也突显了它作为人工智能领域一个重要分支的地位。通过持续的研究和创新，图提示学习有望在未来不断扩展其应用范围，为多个领域带来变革性的影响。

在《Graph Prompt Learning: A Comprehensive Survey and Beyond》一文中，除了提出和详细论述图提示学习的概念和方法之外，作者还特别强调了 ProG 统一库的重要性。ProG 库是为图提示学习专门设计的，它集合了大量的研究论文、基准数据集和代码实现，为图提示学习的研究和实践提供了一个坚实的基础。

ProG 库的建立，为图提示学习的研究者和从业者提供了一个共享资源平台。通过这个平台，研究者可以访问最新的研究成果、数据集和算法，加速自己的研究进程。此外，ProG 库还鼓励开放科学和协作研究，通过共享数据和资源，促进了全球研究者之间的交流和合作。这对于推动图提示学习领域的发展和创新具有重要意义。

ProG 库中包含的资源不仅有助于理解图提示学习的基本原理，还支持了多种应用场景的实验和探索。例如，它提供的数据集和模型可以用于社交网络分析、药物发现、金融预测等多个领域的研究。这样的资源共享不仅加速了科学研究的步伐，也有助于将研究成果迅速转化为实际应用。

未来展望——图提示学习的挑战与方向

论文不仅为图提示学习提供了一个全面的概述，还提出了该领域面临的挑战和未来的发展方向。这些挑战和方向为研究人员提供了关键的洞察，指明了图提示学习的未来路径。

首先，论文指出，虽然图提示学习已展现出巨大的潜力，但在实现更广泛应用前，仍需克服一些关键挑战。这些挑战包括如何有效地设计和优化提示，以及如何确保模型在不同类型的图数据上的泛化能力。此外，随着图数据规模的不断增长，如何有效处理大规模图数据，同时保持模型的高效性和精确性，也是一个重要问题。

为了应对这些挑战，论文提出了一系列未来的研究方向。其中之一是开发更加智能和自适应的图提示方法，这些方法能够根据特定任务和数据类型自动调整提示策略。另一个重要的研究方向是探索图提示学习在多模态和跨域场景中的应用，这将大大扩展图提示学习的应用范围，并可能带来新的突破。

此外，作者还强调了跨学科合作的重要性。他们认为，通过结合计算机科学、数学、统计学和领域专业知识，可以更深入地研究图提示学习，并开发出更有效的解决方案。这种跨学科的合作不仅能够推动图提示学习领域的进步，也能促进人工智能技术在更广泛领域的应用和发展。

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