Research and development on workload-aware graph database engine

• Project/Area Number: 20H00583
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 60:Information science, computer engineering, and related fields
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 鬼塚 真 大阪大学, 大学院情報科学研究科, 教授 (60726165)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐々木 勇和 大阪大学, 大学院情報科学研究科, 助教 (40745147)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥44,330,000 (Direct Cost: ¥34,100,000、Indirect Cost: ¥10,230,000); Fiscal Year 2024: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2023: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2022: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2021: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000); Fiscal Year 2020: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
• Keywords: グラフ深層学習 / グラフデータベース / グラフ生成 / ベンチマーク / サブグラフマッチング / グラフ / グラフマイニング / グラフ埋め込み / リンク予測

Outline of Research at the Start

本研究では，1) サブグラフマッチングおよびグラフマイニング処理を処理する高速グラフデータベースエンジンを開発し，2)グラフデータ特有の性質である閉路構造に着眼し，グラフデータの格納構造・インデックス構造および不要パターンの効率的な枝刈り技術に取り組み， 3)実際のデータ分析の際に生じるアクセスワークロードの偏りと変化を捉えることでワークロードのコストを最小化する最適化技術に取り組む．

Outline of Annual Research Achievements

課題1:1)グラフデータ処理の基礎問題であるシュタイナー木を高速かつ高精度に列挙可能なアルゴリズムに関してCIKM採択．本技術は二分決定図を大規模グラフに適用可能なように重要なグラフ構造を事前に特定することで，二分決定図の構築コストを抑え高速性と高精度を両立した．2)サブグラフマッチングのマッチ条件を緩和させた一般化問題であるサブグラフ編集距離問合せに関する研究を実施し国際会議投稿準備中．本技術の特徴は問合せグラフとデータグラフ上の経路を比較することでサブグラフ編集距離の上限値と下限値を計算し，不要な計算を枝刈りし高速化することである．3)失敗パターンの活用によるサブグラフマッチングの高速化技術に関して国際会議投稿中．本技術の特徴はサブグラフ同型の制約条件を満たさない失敗パターンを記録することで不要な探索を除外する点にある．4)属性付き人工グラフ生成器を開発しInformation Systems に採択．

課題2:1)人工グラフ生成器を用いてgraph neural network(GNN)の性能を評価するベンチマークを開発し最新のGNNの特性を解明した(NeurIPS, ECML/PKDD採択)．2)GNNを高スケール化・高速化する自動変換フレームワークを開発(ECML/PKDD採択)．本技術の特徴はGNNアルゴリズムを解析することで，特徴量集約の処理を事前処理し更に大規模グラフを適切な粒度で分割しGPU計算可能にした点にある．3)将来のグラフ全体を高精度に予測する技術を開発しACLに採択．本技術では新たな節点の予測に加えて予測要素間の依存関係を利用することで高精度な予測を可能とした．4)グラフ上の頻出な経路パターンを検出し，経路パターン間の関係性を評価する技術を開発し国際会議投稿準備中．本技術では経路パターンに着目しスケーラブルかつ高速なマイニング技術を開発した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実績の概要に記載の通り2つの研究課題に対して，合計で国際論文誌1件，国際会議6件 (最難関会議NeurIPS,ACL,CIKM,ECML/PKDD 2件を含む)に採択されている．
また，課題1の失敗パターンの活用によるサブグラフマッチングの高速化技術に関しては国際会議SIGMODに投稿中（採択予定）であり，研究全体を通じて総じて順調に進展しているといえる．

Strategy for Future Research Activity

課題1の高速なグラフデータベースエンジンの開発に関して，昨年度開発した連言経路問合に適した索引を活用したクエリ処理アルゴリズムおよび索引メンテナン
ス技術を開発する．さらに，機械学習技術を活用したグラフ問合せのカーディナリティ推定技術を開発する．
課題2の高精度なグラフマイニングを実現するグラフ埋め込みの開発に関して，複数のデータセットを用いた高精度なGNNアルゴリズムを開発する．更に，時間変化するグラフに対するGNNアルゴリズムのベンチマークを策定し，これらの最先端アルゴリズムを評価し性能特性を明らかにする予定である．
課題3の時間変化を捉えたグラフ処理の高速化に関して，評価実験を完成させ国際会議に投稿予定である．
また全課題を通して論文投稿中および投稿準備中の研究成果に関しては，論文採択を目指す．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Aarhus University(デンマーク)
• [Int'l Joint Research] Eindhoven university of technology(オランダ)
• [Int'l Joint Research] Eindhoven University of Technology(オランダ)
• [Int'l Joint Research] Rochester Institute of Technology(米国)
• [Int'l Joint Research] Aarhus University(デンマーク)
• [Int'l Joint Research] Eindhoven University of Technology(オランダ)
• [Int'l Joint Research] Rochester Institute of Technology(米国)
• [Int'l Joint Research] Aarhus University(デンマーク)
• [Journal Article] GenCAT: Generating Attributed Graphs with Controlled Relationships between Classes, Attributes, and Topology (2023)
  • Author(s): Seiji Maekawa, Yuya Sasaki, George Fletcher, Makoto Onizuka
  • Journal Title: Information Systems Volume: 115 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1016/j.is.2023.102195
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Proximity Preserving Nonnegative Matrix Factorization (2020)
  • Author(s): Yuya Ogawa, Koh Takeuchi, Yuya Sasaki, Makoto Onizuka
  • Journal Title: Journal of Information Processing Volume: 28 Issue: 0 Pages: 445-452
  • DOI: 10.2197/ipsjjip.28.445
  • NAID: 130007887839
  • ISSN: 1882-6652
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] New Attributed Graph Clustering by Bridging Attribute and Topology Spaces (2020)
  • Author(s): Seiji Maekawa, Koh Takeuchi, Makoto Onizuka
  • Journal Title: Journal of Information Processing Volume: 28 Issue: 0 Pages: 427-435
  • DOI: 10.2197/ipsjjip.28.427
  • NAID: 130007887721
  • ISSN: 1882-6652
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Holistic Prediction on a Time-Evolving Attributed Graph (2023)
  • Author(s): Shohei Yamasaki, Yuya Sasaki, Panagiotis Karras, Makoto Onizuka
  • Organizer: Annual Meeting of the Association for Computational Linguistics (ACL)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 経路相関ルールマイニング (2023)
  • Author(s): 佐々木 勇和
  • Organizer: データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM)
• [Presentation] 複数データセットを活用した連続時間グラフリンク予測手法の分析および予測精度の改善 (2023)
  • Author(s): 菊地 良将, 前川 政司, 佐々木 勇和, 鬼塚 真
  • Organizer: データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM)
• [Presentation] 多様な人工グラフを用いた GNN によるノード分類の実証研究 (2023)
  • Author(s): 前川 政司, 野田 昂希, 佐々木 勇和, 鬼塚 真
  • Organizer: データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM)
• [Presentation] 動的リンク予測手法の動向調査 (2023)
  • Author(s): 中西 宏和, 前川 政司, 佐々木 勇和, 鬼塚 真
  • Organizer: データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム (DEIM)
• [Presentation] Cost-constrained Minimal Steiner Tree Enumeration (2022)
  • Author(s): Yuya Sasaki
  • Organizer: International Conference on Information and Knowledge Management (CIKM)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 出現分布に基づく知識グラフの例外検出 (2022)
  • Author(s): 加藤 遼, 堀内 美聡, 松田 光司, 佐々木 勇和, 鬼塚 真
  • Organizer: 情報科学技術フォーラム (FIT)
• [Presentation] Beyond Real-world Benchmark Datasets: An Empirical Study of Node Classification with GNNs. (2022)
  • Author(s): Seiji Maekawa, Koki Noda, Yuya Sasaki, Makoto Onizuka
  • Organizer: Conference on Neural Information Processing Systems (NeurIPS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GNN Transformation Framework for Improving Efficiency and Scalability (2022)
  • Author(s): Seiji Maekawa, Yuya Sasaki, George Fletcher, Makoto Onizuka
  • Organizer: he European Conference on Machine Learning and Principles and Practice of Knowledge Discovery in Databases (ECML/PKDD)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Benchmarking GNNs with GenCAT Workbench (2022)
  • Author(s): Seiji Maekawa, Yuya Sasaki, George Fletcher, Makoto Onizuka
  • Organizer: he European Conference on Machine Learning and Principles and Practice of Knowledge Discovery in Databases (ECML/PKDD)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Lannion report on Big Data and Security Monitoring Research (2022)
  • Author(s): Laurent d'Orazio, Jalil Boukhobza, Omer F. Rana, Juba Agoun, Le Gruenwald, Herve Rannou, Elisa Bertino, Mohand-Said Hacid, Taofik Saidi, Georges Bossert, Van Long Nguyen Huu, Dimitri Tombroff, Makoto Onizuka
  • Organizer: IEEE International Conference on Big Data
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大規模グラフと公平性 (2022)
  • Author(s): 佐々木 勇和
  • Organizer: 人工知能基本問題研究会（SIG-FPAI）
  • Invited
• [Presentation] 化学，都市工学，医学における共同研究 (2022)
  • Author(s): 佐々木 勇和
  • Organizer: 情報科学技術フォーラム（FIT)
  • Invited
• [Presentation] Path search on graphs (2022)
  • Author(s): Yuya Sasaki
  • Organizer: Aarhus workshop on Graph Access and Analysis
  • Invited
• [Presentation] On discovering discriminatory bias in graphs (2022)
  • Author(s): Yuya Sasaki
  • Organizer: Aarhus workshop on Graph Access and Analysis
  • Invited
• [Presentation] Analytical query optimization: distributed processing, graph mining, and applications (2022)
  • Author(s): Makoto Onizuka
  • Organizer: Supsec Workshop Summer
  • Invited
• [Presentation] Language-aware Indexing for Conjunctive Path Queries (2022)
  • Author(s): Yuya Sasaki, George Fletcher, and Makoto Onizuka
  • Organizer: International Conference on Data Engineering
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] JupySym: Jupyter Notebook Similarity Search System (2022)
  • Author(s): Misato Horiuchi, Yuya Sasaki, Chuan Xiao, and Makoto Onizuka
  • Organizer: International Conference on Extending Database Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 階層型クラスタ構造を活用する部分グラフベースのリンク予測 (2022)
  • Author(s): 中西 宏和, 山口 寛人, 前川 政司, 佐々木 勇和, 鬼塚 真
  • Organizer: データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム
• [Presentation] 複数データセットに共通する傾向を捉えた連続時間グラフのリンク予測 (2022)
  • Author(s): 山口 寛人, 前川 政司, 佐々木 勇和, 鬼塚 真
  • Organizer: データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム
• [Presentation] GuP: ガードパターンを用いた高速なサブグラフマッチング (2022)
  • Author(s): 新井淳也, 鬼塚真, 藤原靖宏
  • Organizer: データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム
• [Presentation] Adaptive Node Embedding Propagation for Semi-Supervised Classification (2021)
  • Author(s): Yuya Ogawa, Maekawa Seiji, Yuya Sasaki, Yasuhiro Fujiwara, and Makoto Onizuka
  • Organizer: The European Conference on Machine Learning and Principles and Practice of Knowledge Discovery in Databases
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effective Candidate Selection and Interpretable Interest Extraction for Follower Prediction on Social Media (2021)
  • Author(s): Seiji Maekawa, Santi Saeyor, Takeshi Sakaki, Makoto Onizuka
  • Organizer: IEEE/WIC/ACM International Conference on Web Intelligence and Intelligent Agent Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 計算ノートブック類似検索技術の開発 (2021)
  • Author(s): 堀内 美聡, 山崎 翔平, 佐々木 勇和, 肖 川, 鬼塚 真
  • Organizer: 情報処理学会第83回全国大会
• [Presentation] コミュニティ構造を制御可能な属性付きグラフ生成 (2021)
  • Author(s): 前川政司, 佐々木勇和, George Fletcher, 鬼塚 真
  • Organizer: 情報処理学会第83回全国大会
• [Presentation] 反復機構による属性付き時系列グラフ予測の精度検証 (2021)
  • Author(s): 山崎 翔平, Panagiotis Karras, 佐々木 勇和, 肖 川, 鬼塚 真
  • Organizer: 情報処理学会第83回全国大会
• [Presentation] 時系列グラフにおける着目ノードに特化したリンク予測 (2021)
  • Author(s): 山口 寛人, 前川 政司, 佐々木 勇和, 鬼塚 真
  • Organizer: 情報処理学会第83回全国大会
• [Presentation] 時刻変化するワークロードのための NoSQL スキーマのオフライン最適化 (2021)
  • Author(s): 涌田 悠佑, Michael Mior, 善明 晃由, 佐々木 勇和, 鬼塚 真
  • Organizer: 情報処理学会第83回全国大会
• [Presentation] 適応的なノード埋め込みの伝搬による半教師ありノード分類モデル (2021)
  • Author(s): 小川 裕也, 前川 政司, 佐々木 勇和, 藤原 靖宏, 鬼塚 真
  • Organizer: 情報処理学会第83回全国大会
• [Presentation] 連言経路検索のための構造索引技術 (2021)
  • Author(s): 佐々木 勇和, George Fletcher, 鬼塚 真
  • Organizer: データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム
• [Presentation] 計算ノートブック類似検索のための高速な検索アルゴリズム (2021)
  • Author(s): 堀内 美聡, 山崎 翔平, 佐々木 勇和, 肖 川, 鬼塚 真
  • Organizer: データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム
• [Presentation] 半教師ありノード分類のための適応的ノード埋め込み伝搬ニューラルネットワーク (2021)
  • Author(s): 小川 裕也, 前川 政司, 佐々木 勇和, 藤原 靖宏, 鬼塚 真
  • Organizer: データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム
• [Presentation] 時刻変化するワークロードのためのNoSQLスキーマの最適化 (2021)
  • Author(s): 涌田 悠佑, Michael Mior, 善明 晃由, 佐々木 勇和, 鬼塚 真
  • Organizer: データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム
• [Presentation] コミュニティ構造を制御する属性付きグラフ生成 (2021)
  • Author(s): 前川 政司, 佐々木 勇和, George Fletcher, 鬼塚 真
  • Organizer: データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム
• [Presentation] 時系列グラフを活用する着目ノードに特化したリンク予測 (2021)
  • Author(s): 山口 寛人, 前川 政司, 佐々木 勇和, 鬼塚 真.
  • Organizer: データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム
• [Presentation] Towards Association Rule Mining on Property Graphs (2020)
  • Author(s): Yuya Sasaki
  • Organizer: International Workshop on Enumeration Problems and Applications
• [Presentation] Controlling Internal Structure of Communities on Graph Generator (2020)
  • Author(s): Hiroto Yamaguchi, Yuya Ogawa, Seiji Maekawa, Yuya Sasaki, Makoto Onizuka
  • Organizer: IEEE/ACM International Conference on Advances in Social Networks Analysis and Mining
• [Remarks] Publication
  • URL: http://www-bigdata.ist.osaka-u.ac.jp/ja/paper/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 学習装置、予測装置、学習方法、予測方法、学習プログラム及び予測プログラム (2022)
  • Inventor(s): 佐々木勇和，山口寛人，鬼塚真，前川政司
  • Industrial Property Rights Holder: 佐々木勇和，山口寛人，鬼塚真，前川政司
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2022