可解释性的相关介绍

一、可解释性的元定义（Meta-definitions of Interpretability）

• The extent to which an individual can comprehend the cause of a model’s outcome. [1]
• The degree to which a human can consistently predict a model’s outcome. [2]

可解释性：Interpretability、explainability

关键词：Interpretability、explainability、XAI、black model、Interpretable Deep Learning（IDL）

常规理解：

• 解释模型的决策
• 揭示模型内部机制
• 将有意义的模型或数式引入系统，试图使复杂模型或算法显式化，以便用户有充分理由信任或不信任特定模型。

如下图，可解释模型与黑盒模型的对比，可以揭示可解释性研究的目的。

 二、可解释性的重要性、必要性

（1）必要性

        准确率与可解释性之间存在trade-off（权衡）的关系，如下图

实现可解释性，可以使用与模型无关的技术，比如局部模型LIME或部分依赖图PDP。为神经网络设计解释方法涉及的两个理由。

• 神经网络在隐藏层中学习特征和概念，这需要专门的工具来揭示它们。
• 模型无关的方法大多是“从外部”观察神经网络决策过程，但梯度可以实现计算效率更高的解释方法。

当模型预测的结果与实际使用有所偏差，即模型给出结果和决策者想知道的是有区别的时候，就需要可解释性。对于一些效果很好的模型，但在不一样的数据实例上却表现出较差的性能，人们也会想知道其中的缘由。对于可解释性的必要性，可以从以下三个方面进行说明。

1.知识

        在深度学习中，决策是基于大量的权重和参数，而参数通常是模糊的，与真实的世界无关，这使得很难理解和解释深度模型的结果[3]。可解释性将有助于让算法与人类价值观保持一致，帮助人们做出更好的决策，并给予人们更多的控制权。另外，当我们真正理解了一个模型，就可以仔细它的缺陷。因为模型的解释能力可以帮助我们找出它可能存在的弱点，并基于此知识使其更加准确和可靠。最后，可解释性是人们以符合伦理道德的方式使用深度神经网络的关键[4]。因此可解释性是非常重要的。

        可解释性是一种潜在的属性，不可直接衡量，且缺乏既定的衡量标准，解释的程度不完善，有必要寻求一些评价可解释性方法的技术。Weld和Bansal[5]讨论了解释性调试和可验证性。Doshi等人[6]试图采用基于人类参与和应用程度分离的评价方法满足解释需求。如下图，人越多，任务越复杂，对可解释性和特殊性的要求越大。

 2.监管

        研究界和商业之间的差距阻碍了最新深度学习模型在银行、金融、安全、卫生等行业的全面渗透，这些行业的流程在数字化转型方面一直滞后。这一问题通常出现在监管严格、不愿实施可能使其资产面临风险的技术的行业。即使有道德目的的保证，社会也必须确定该制度不会造成无意的伤害。随着可解释性需求的出现，如果认真对待可解释性需求并将其纳入立法，就必须理解其积极和消极的法律后果。Ribeiro等[7]在2016年的工作研究了任何分类器预测的可解释性，培养信任。

3.共识

        目前为止，对于可解释性深度学习和评估技术还没有真正的共识。研究人员已经初步尝试开发基于推理的机器学习的评估策略。然而，深度学习模型，由于其更抽象的学习机制，使其研究人员已经认识到可解释性对道德标准和公平的影响。可解释性模型应该具有以下特征[8]。

 （2）重要性

        可解释性涉及各领域，对人类生活产生了巨大影响，如下图。

         忽略系统的近似决策和可信结果变得更加困难，这种困境在于问题的不完全形式化，而且单一的指标(如分类准确度)对于大多数现实世界的任务来说都不够好。不完全性意味着关于问题的某些东西不能很好地建模[6]。当算法被用来自动做出决定时，可能会导致有害的歧视。算法透明性对于理解模型及其训练过程的动态是必要的。这是因为神经网络的目标函数具有实质上的非凸拓扑结构，深层网络无法提供真正新颖的答案，使模型的开放性受到了损害。这些都反映了可解释性研究的重要性。

三、可解释性策略和问题的基本概述

 四、可解释性研究的挑战

参考文献

[1] Miller, T.: Explanation in artificial intelligence: insights from the social sciences. Artif. Intell. 267, 1–38 (2019)

[2] Kim, B., Khanna, R., Koyejo, O.O.: Examples are not enough, learn to criticize! criticism for
interpretability. Adv. Neural Inf. Process. Syst. 29 (2016)

[3] Angelov, P., Soares, E.: Towards explainable deep neural networks (XDNN). Neural Netw. 130, 185–194

[4] Geis, J.R., Brady, A.P., Wu, C.C., Spencer, J., Ranschaert, E., Jaremko, J.L., Langer, S.G., Kitts, A.B., Birch, J., Shields, W.F., et al.: Ethics of artificial intelligence in radiology: summary of
the joint European and North American multisociety statement. Can. Assoc. Radiol. J. 70(4),
329–334 (2019)

[5] Bansal, G.,Weld, D.: A coverage-based utility model for identifying unknown unknowns. In: AAAI Conference on Artificial Intelligence, vol. 32 (2018)

[6] Doshi-Velez, F., Kim, B.: Towards a rigorous science of interpretable machine learning (2017).

[7] Ribeiro, M.T., Singh, S., Guestrin, C.: “why should i trust you?” Explaining the predictions of any classifier. In: Proceedings of the 22nd ACM SIGKDD International Conference on Knowledge
Discovery and Data Mining, pp. 1135–1144 (2016)

[8] Doshi-Velez, F., Kim, B.: Towards a rigorous science of interpretable machine learning (2017).