使用Pytorch+PyG实现MLP的详细过程
作者：༺࿈ 海洋༒之心 ࿈༻
我的项目环境：
- 平台：Windows10
- 语言环境：python3.7
- 编译器：PyCharm
- PyTorch版本：1.11.0
- PyG版本：2.1.0
本文我们将使用Pytorch + Pytorch Geometric来简易实现一个MLP（感知机网络），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 torch import torch.nn.functional as F import torch.nn as nn import torch_geometric.nn as pyg_nn from 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_Algorithms
- Neural_Networks
- Probabilistic_Methods
- Reinforcement_Learning
- Rule_Learning
- Theory
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MLP网络
这里我们就不重点介绍MLP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MLP这个层，该层采用的就是感知机机制。
对于MLP的常用参数：
- channel_list：样本输入层、中间层、输出层维度的列表
- in_channels：每个样本的输入维度，就是每个节点的特征维度
- hidden_channels：单层神经网络中间的隐层大小
- out_channels：经过MLP后映射成的新的维度，就是经过MLP后每个节点的维度长度
- num_layers：感知机层数
- dropout：每个隐藏层的丢弃率，如果存在多层可以使用列表传入
- act：激活函数，默认为relu
- bias：训练一个偏置b
对于本文实现的 pyg_nn.MLP([num_node_features, 32, 64, 128]) 的含义就是定义一个三层的感知机网络，按照 PyTorch 实现等价于如下代码：
lin_1 = nn.Linear(num_node_features, 32) lin_2 = nn.Linear(32, 64) lin_3 = nn.Linear(64, 128)
对于 PyG 中实现起来较为简单，以列表方式传入所以隐层大小即可，第一个维度代表样本的输入特征维度，最后一个维度代表输出的维度大小，中间维度代表隐层的大小，所以 len(channel_list) - 1 代表 MLP 的层数，这种方式是以传入 channel_list 方式定义模型，还可以按照正常参数方式进行传递定义，代码如下：
pyg_nn.MLP(in_channels=16, hidden_channels=32, out_channels=128, num_layers=3)
网络定义代码如下：
# 2.定义MLP网络
class MLP(nn.Module):
def __init__(self, num_node_features, num_classes):
super(MLP, self).__init__()
self.lin_1 = pyg_nn.MLP([num_node_features, 32, 64, 128])
self.lin_2 = pyg_nn.MLP([128, 64, 32, num_classes])
def forward(self, data):
x, edge_index = data.x, data.edge_index
x = self.lin_1(x, edge_index)
x = F.relu(x)
x = F.dropout(x, training=self.training)
x = self.lin_2(x, edge_index)
return F.log_softmax(x, dim=1)
上面网络我们定义了两个MLP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128。
第二个层的输入维度为128，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 = MLP(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：1.9856 训练精度为：0.1786
【EPOCH: 】21
训练损失为：1.5419 训练精度为：0.4643
【EPOCH: 】41
训练损失为：1.1653 训练精度为：0.6500
【EPOCH: 】61
训练损失为：0.8062 训练精度为：0.8071
【EPOCH: 】81
训练损失为：0.5322 训练精度为：0.9286
【EPOCH: 】101
训练损失为：0.3487 训练精度为：0.9714
【EPOCH: 】121
训练损失为：0.2132 训练精度为：0.9571
【EPOCH: 】141
训练损失为：0.1043 训练精度为：0.9929
【EPOCH: 】161
训练损失为：0.0601 训练精度为：1.0000
【EPOCH: 】181
训练损失为：0.0420 训练精度为：1.0000
【Finished Training！】>>>Train Accuracy: 1.0000 Train Loss: 0.0092
>>>Test Accuracy: 0.1800 Test Loss: 1.9587
| 训练集 | 测试集 | |
|---|---|---|
| Accuracy | 1.0000 | 0.1800 |
| Loss | 0.0092 | 1.9587 |
完整代码
import torch
import torch.nn.functional as F
import torch.nn as nn
import torch_geometric.nn as pyg_nn
from torch_geometric.datasets import Planetoid
# 1.加载Cora数据集
dataset = Planetoid(root='./data/Cora', name='Cora')
# 2.定义MLP网络
class MLP(nn.Module):
def __init__(self, num_node_features, num_classes):
super(MLP, self).__init__()
self.lin_1 = pyg_nn.MLP([num_node_features, 32, 64, 128])
self.lin_2 = pyg_nn.MLP([128, 64, 32, num_classes])
def forward(self, data):
x, edge_index = data.x, data.edge_index
x = self.lin_1(x, edge_index)
x = F.relu(x)
x = F.dropout(x, training=self.training)
x = self.lin_2(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 = MLP(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))
总结
到此这篇关于使用Pytorch+PyG实现MLP的文章就介绍到这了,更多相关Pytorch+PyG实现MLP内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！