ICML 2025 | 经典GNNs是强大的图级任务基线模型

论文题目：

Can Classic GNNs Be Strong Baselines for Graph-level Tasks? 

Simple Architectures Meet Excellence

作者：罗元凯，时磊，吴晓明

单位：北京航空航天大学、香港理工大学 

日期：2025年5月17日

继作者团队此前对经典图神经网络（GNNs）在节点分类任务中的研究 [1]，本研究进一步探讨了经典GNNs在图分类与图回归任务中的潜力。为此，本文通过提出GNN+框架，将六项常用超参数技术（边特征、归一化、Dropout、残差连接、FFN和位置编码）集成进经典GNNs架构中（包括 GCN、GIN 和 GatedGCN），以全面重估其性能表现。实验结果表明，在公平对比近三年提出的30个主流GTs和GSSMs时，经典GNNs在14个广泛使用的大规模图级任务数据集上整体性能优异，在全部数据集上进入前三，其中在8个任务中取得第一。值得强调的是，经典GNNs在保持高效性能的同时，在大多数数据集上显著快于GTs模型，最高可达10倍的加速。本研究挑战了“复杂全局建模架构在图级任务中天然优越”的主流观点，重新确认了经典GNNs在图级任务中的适用性与竞争力，强调其作为强大基线模型的现实潜力。

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2502.09263

代码链接：

https://github.com/LUOyk1999/GNNPlus

重新评估经典GNNs系列工作：

1. 引言

图级任务（graph-level tasks）是图机器学习中最具挑战性的研究方向之一，涵盖了从小规模分子图的属性预测，到大规模蛋白质图与代码图的分类与回归。在这些任务中，整个图被视为基本学习单元，要求模型能够全面理解图结构与节点属性的联合模式。

近年来，随着Graph Transformer（GTs）和Graph State Space Models（GSSMs）等模型在多个公开排行榜上取得优异成绩，尤其是在小分子图领域，其全局序列建模机制被认为具备天然的表示优势。在这一趋势推动下，逐渐形成一种共识：相比基于局部消息传递机制的经典GNNs，此类复杂模型在图级任务中更具表现力和应用潜力。

然而，已有研究[1]显示，经典GNNs在节点任务中的表现被系统性低估，其原因在于以往超参数设置不合理、评估覆盖范围有限。本研究自然延伸出一个问题：经典GNNs在图级任务中是否也存在未被挖掘的性能潜力？

为此，本文构建了GNN+框架，在三类经典GNNs模型（GCN、GIN、GatedGCN）基础上，引入六项被广泛使用的超参数技术（边特征整合、归一化、Dropout、残差连接、前馈网络、位置编码），全面评估其在14个广泛使用的大规模图级任务数据集中的表现。主要发现如下：

• 经典GNNs在全部数据集上进入前三，8个数据集取得第一，性能全面对标或超越当前SOTA GTs、GSSMs等架构；
• 经典GNNs有显著的训练效率优势，更适合大规模图学习场景；
• 通过消融实验，系统验证了GNN+框架中每个模块的有效性，揭示其对性能的独立与联合贡献

这些结果再次重申：经典GNNs在图表示学习中的核心地位不应被忽视，简单模型在合理设计与调优下，依然是图级任务中的强大竞争者。

2. GNN+框架介绍

GNN+是一个统一增强框架，适用于经典GNNs。其核心在于在消息传递基础上，融入如下六项广泛使用的超参数技术，用以提升表示能力和训练稳定性：

• 边特征整合：将边特征引入消息传递过程，有助于建模节点之间更丰富的结构关系，特别适用于分子图等边信息关键的任务
• 归一化：对每层输出应用normalization，可缓解协变量偏移，提高训练稳定性与收敛速度
• Dropout：在激活后对节点表示进行随机丢弃，有效抑制过拟合，并减少图中节点表示间的共适应性
• 残差连接：在层间引入残差连接，有助于缓解深层GNNs中的梯度消失问题，使网络能够更有效地堆叠更多层
• 前馈网络（FFN）：在每层后追加前馈网络，增强非线性变换能力，从而提升模型的表达能力
• 位置编码（PE）：通过将节点的位置编码与其特征拼接，引入全图结构感知能力，弥补GNNs对全局信息建模的不足

3. 数据集与实验设置

本研究在三个广泛使用的图级任务基准上进行全面评估：

• GNN Benchmark[2]（ZINC, MNIST, CIFAR10, PATTERN, CLUSTER）
• Long-Range Graph Benchmark (LRGB)[3,4]（Peptides-func, Peptides-struct, PascalVOC-SP, COCO-SP, MalNet-Tiny）
• Open Graph Benchmark (OGB)[5]（ogbg-molhiv, ogbg-molpcba, ogbg-ppa, ogbg-code2）

基准包括图回归、图分类等多类任务，覆盖从小规模分子图到百万级大图，测试模型的广泛适应性。

所有经典GNNs和GTs、GSSMs等模型均在相同的超参数搜索空间下训练，并使用标准划分与评估指标进行对比。

4. 实验结果分析

4.1 主性能对比

结果显示GCN+、GIN+和GatedGCN+三者在所有数据集均进入前三，其中8项任务取得第一，整体性能全面对标甚至超越主流GTs与GSSMs：

• 在GNN Benchmark中，GNN+在ZINC、PATTERN和CLUSTER任务上的性能提升尤为显著，GatedGCN+在MNIST与CIFAR10中超越GEAET与GRED等最新模型。
• 在LRGB基准下，GCN+在Peptides-func与Peptides-struct上取得最佳表现，GatedGCN+在MalNet-Tiny中排名第一，并在PascalVOC-SP和COCO-SP中稳居前三。
• OGB基准实验进一步验证了GNN+在大规模图任务中的优势，GatedGCN+在四个数据集中三次排名第一，在ogbg-ppa上提升约9%，性能超过多个预训练GTs模型。

4.2 消融研究

本研究对GNN+框架中的六个超参数模块（边特征、归一化、Dropout、残差连接、前馈网络、位置编码）进行逐一消融，结果表明各模块均为性能提升的关键组成：

消融观察1：边特征在分子图和图像超像素数据集中尤为重要

消融观察2：归一化在相对大规模数据集中影响更显著，而在小规模数据集中影响较小

消融观察3：Dropout对大多数数据集均有积极作用，且极低的dropout率已足够

消融观察4：残差连接通常是必要的，除非是在浅层GNNs处理小图时

消融观察5：FFN对GIN+和GCN+至关重要，显著影响其在各数据集上的表现

消融观察6：位置编码对相对小规模数据集尤为有效，而对大规模数据集影响较小

5. 总结

本文系统性重新审视了经典GNNs在图级任务中的表现，并提出统一增强框架GNN+。实验证明：经典GNNs在图级任务中不仅具备与最先进模型相媲美的能力，甚至在多个任务上取得最优结果，且训练效率更高。研究结果强烈挑战了“复杂图模型优于经典GNNs”的普遍认知，进一步强调合理设计与调优对于GNN性能释放的重要性。

参考文献

[1] Yuankai Luo, Lei Shi, and Xiao-Ming Wu. Classic GNNs are strong baselines: Reassessing GNNs for node classification. In The Thirty-eight Conference on Neural Information Processing Systems Datasets and Benchmarks Track, 2024.

[2] Vijay Prakash Dwivedi, Chaitanya K Joshi, Anh Tuan Luu, Thomas Laurent, Yoshua Bengio, and Xavier Bresson. Benchmarking graph neural networks. Journal of Machine Learning Research, 24(43):1–48, 2023.

[3] Vijay Prakash Dwivedi, Ladislav Rampášek, Mikhail Galkin, Ali Parviz, Guy Wolf, Anh Tuan Luu, and Dominique Beaini. Long range graph benchmark. Advances in neural information processing systems, 2022.

[4] Scott Freitas and Yuxiao Dong. A large-scale database for graph representation learning. Advances in neural information processing systems, 2021.

[5] Weihua Hu, Matthias Fey, Marinka Zitnik, Yuxiao Dong, Hongyu Ren, Bowen Liu, Michele Catasta, and Jure Leskovec. Open graph benchmark: Datasets for machine learning on graphs. Advances in neural information processing systems, 2020.