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Type: TCC
Title: A hybrid GNN-heuristic approach for unsupervised partitioning of featureless graphs
Title in English: A hybrid GNN-heuristic approach for unsupervised partitioning of featureless graphs
Authors: Lima, Lawson Oliveira
Advisor: Braga, Arthur Plínio de Souza
Co-advisor: Souza Júnior, Amauri Holanda de
Keywords in English : Graph partitioning;Graph neural networks;Unsupervised learning;Finite element method;Spectral methods;Domain decomposition
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Issue Date: 2025
Citation: LIMA, Lawson Oliveira. A Hybrid GNN-Heuristic approach for unsupervised partitioning of featureless graphs. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Abstract in Brazilian Portuguese: O particionamento de grafos é um problema fundamental na computação científica paralela, particularmente importante para a distribuição eficiente de malhas do Método de Elementos Finitos (FEM) em vários processadores ou GPUs. Nesse contexto, a representação dual, em que os nós correspondem a elementos de malha e as arestas capturam a adjacência topológica, é amplamente adotada para minimizar a comunicação entre partições. Este trabalho propõe uma estrutura de aprendizagem não supervisionada baseada em redes neurais de grafos (GNNs) para particionar grafos derivados de malhas FEM. Nosso método integra a teoria espectral com a aprendizagem profunda, usando os autovetores do laplaciano como codificadores posicionais. Especificamente, usamos o vetor Fiedler (o vetor próprio associado ao segundo menor valor próprio do Laplaciano) para fornecer informações estruturais globais, atenuando as limitações dos codificadores puramente locais e os problemas inerentes às arquiteturas invariantes de sinal, como a SignNet. O modelo proposto foi desenvolvido com base na arquitetura Graph Isomorphism Network (GIN), escolhida por sua capacidade expressiva de distinguir estruturas de grafos. Ele é treinado usando um relaxamento diferenciável da função objetivo de corte mínimo-máximo (MMCut), que incentiva partições equilibradas e bem separadas. Para melhorar ainda mais a qualidade da partição, apresentamos uma variante híbrida (GNN-FM) que refina as previsões da GNN usando o algoritmo Fiduccia-Mattheyses de tempo linear como uma etapa de pós-processamento. Os experimentos foram realizados em um conjunto de dados de grande escala (Fusion 360), composto por milhares de malhas triangulares, bem como em um conjunto separado de malhas fornecidas por um parceiro industrial. Nossa abordagem foi comparada a nove algoritmos clássicos e modernos, incluindo METIS, Spectral Clustering e métodos de bissecção. O modelo GNN-FM obteve bons resultados, superando o METIS em 4 das 6 malhas de teste, reduzindo o número de arestas cortadas e mantendo um perfeito balanceamento de 1,00. Esses resultados demonstram que a combinação de codificações espectrais com GNNs não supervisionadas e refinamento heurístico produz uma solução avançada e dimensionável para o particionamento de grafos em cenários de computação científica.
Abstract: Graph partitioning is a fundamental problem in parallel scientific computing, particularly important for efficiently distributing Finite Element Method (FEM) meshes across multiple processors or GPUs. In this context, the dual graph representation, where nodes correspond to mesh elements and edges capture topological adjacency, is widely adopted to minimize inter-partition communication. This work proposes an unsupervised learning framework based on Graph Neural Networks (GNNs) for partitioning dual graphs derived from FEM meshes. Our method integrates spectral graph theory with deep learning by employing Laplacian Eigenmaps as positional encoders. Specifically, we use the Fiedler vector (the eigenvector associated with the second smallest Laplacian eigenvalue) to provide global structural information, mitigating the limitations of purely local encoders and the issues inherent to sign-invariant architectures such as SignNet. The proposed model is built upon the Graph Isomorphism Network (GIN) architecture, chosen for its expressive power in distinguishing graph structures. It is trained end-to-end using a differentiable relaxation of the Min-Max Cut (MMCut) objective, which encourages balanced and well-separated partitions. To further enhance partition quality, we introduce a hybrid variant (GNN-FM) that refines GNN predictions using the linear-time Fiduccia-Mattheyses algorithm as a post-processing step. Experiments were conducted on a large-scale industrial dataset (Fusion 360), comprising thousands of triangular meshes, as well as on a separate set of unseen evaluation meshes provided by an industrial partner. Our approach was benchmarked against nine classical and modern algorithms, including METIS, Spectral Clustering, and recursive bisection methods. The GNN-FM model achieved highly competitive results, outperforming METIS in 4 out of 6 test meshes by reducing the number of cut edges, while maintaining a perfect balance ratio of 1,0. These results demonstrate that combining spectral encodings with unsupervised GNNs and heuristic refinement yields a powerful and scalable solution for graph partitioning in scientific computing scenarios.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/81907
Author's Lattes: ttp://lattes.cnpq.br/1195251236496363
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/1473823107869382
Co-advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/2629504708221802
Access Rights: Acesso Aberto
Appears in Collections:ENGENHARIA ELÉTRICA - Monografias

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