使用BERT分类的可解释性探索

最近尝试了使用BERT将告警信息当成一个文本去做分类，从分类的准召率上来看，还是取得了不错的效果（非结构化数据+强标签训练，BERT确实是一把大杀器）。但准召率并不是唯一追求的目标，在安全场景下，不仅仅需要模型告诉我们分类结果，还必须把这么分类的原因给输出出来，否则仍然无法给运营工作进行提效。

因此，对BERT分类的可解释性上，进行了一番研究探索。但是结果并不理想。。。

1、BERT是如何完成分类任务的

首先，我们需要对BERT的分类逻辑，做进一步深挖。

 BERT的整体架构如上：底层将文本转化为token并进行编码，中间层通过Attention机制进行信息的提炼，上层做最终输出。（其实和CNN的结构非常类似，不同的是使用Attention替换掉了卷积层，增加了序列信息的处理能力。）

在最终输出环节，首位的[CLS]实际上包含了整段文本的信息编码。因此，当需要用BERT完成一个分类任务时，只需要给予[CLS]的输出，拼接一个全连接层，就可以完成最终的分类。

那么[CLS]是如何获得整段文本的信息编码的呢？这里会涉及到Attention的实现细节，偏复杂，但我们可以仅从信息传递的角度来理解。Attention从设计思路上，是在计算其他token和当前token的相关性，强相关的token会获得更高的Attention权重。但[CLS]更加特殊，它的Attention计算方式通常是将所有token的向量表示进行加权平均，其中权重由Attention决定。这种方式可以看作是对整个输入序列的向量表示进行汇总，得到一个表示整个序列语义信息的向量。

总结来说就是，经过一层BERT网络之后，token携带的是当前位置和其他位置的关联信息，而[CLS]则是将所有token的信息进行汇总。经过多层的迭代，不断加工信息，得到最终的结果。

2、过程中可提取的信息

在了解了BERT分类的原理之后，我们来尝试挖掘一下其中的可解释性。最直观的，可以通过Attention的权重，来大致掌握BERT的信息传递过程。使用bertviz可以实现这个过程：

结合这张图，也可以再理解一下BERT的工作和信息传递机制。

其中每一个单元是一个Attention单元计算过程，称之为head。连线的粗细代表了token之间信息传递权重（也可以理解成相关性）。其中，首个Token即是[CLS]。上面这个图，可以看到几个明显的特征：

• 0-3层中，有比较多的左侧所有token至首位[CLS]的连线，代表着[CLS]在通过多个维度和层级提取全量信息。
• 4-7层中，[CLS]的信息提取开始出现针对性，不再是全局等权重提取。
• 5-6层中，出现了多个token往某一位特定token汇集的现象，而那个token是当前文本分类的关键因素。
• 0-4层中，有比较多的平行线，代表着在提取序列信息，即token之间的前后相关性。
• 7-8层往后，连线已经比较均匀，代表前面的层级已经完成了信息处理，后置的部分不再需要额外计算。

通过分析BERT的信息传递过程，虽然能够大致理解分类的逻辑，但因为经过了多层多头的信息加工，实际逻辑很复杂，无法直接提取出了权重较大的因素。

尝试考虑了一下通过最后的分类层（即[CLS]之后的全连接层）来分析权重，但最后一层的[CLS]也是个多轮加工后的信息，并不直接对应某个token的贡献，看起来也不可行。

3、黑盒可解释性工具

通过对BERT工作原理的剖析，可以看到对一个深度非线形模型去做解释，基本上是不可行的。因此，行业内也尝试了用黑盒的办法去探究算法的分类原理。其中，比较知名的就是Lime和SHAP

Lime

Lime的思想是：深度模型在某个局部仍然是线形的。因此，可以通过在目标样本周围生成相似样本，然后用线形模型去拟合深度模型的效果，从而得到近似的分类逻辑。而线形模型就很好得出特征贡献的权重了。

具体细节网上比较多，就不过多赘述了。Github：GitHub - marcotcr/lime: Lime: Explaining the predictions of any machine learning classifier

做了一次简单尝试，结果并不如预期。

Shap

SHAP的思想是：控制变量法，如果某个特征出现或不出现，可以改变分类结果，那么这个特征一定是比较重要的。因此，可以通过尝试该特征出现或不出现的各种情况，来计算对分类结果的贡献。

官方文档：shap.Explainer — SHAP latest documentation

做了一次简单尝试，结果并不如预期。

ChatGPT

不论是Lime和SHAP，都会涉及到一个复杂的遍历运算过程，得到可解释结果需要花费较长的计算时间。不符合当前场景的原始目标，因此，没有做进一步调教工作。（理论上来说，优化内部特征选取的逻辑，应该能够比较好的贴合人类直觉。）

这个时候，想到了使用ChatGPT来进行解释。尝试构造了如下Prompt

角色：你是一个分析安全告警的专家，下面会给你一段告警，请做出精简的解读。
限制：请严格依照以下指令回答问题：
1.如果问题说明了该告警是误报还是非误报，请按照问题说明的研判结果进行分析。
2.问题中会包含多个关键字段，请挑选去其中最异常的部分，不要超过5个。
3.请对关键词进行必要的解读，不要直接复述出来。

已知如下告警是误报，请分析原因，并对其中的关键特征进行解读。

调教一番之后，效果并不理想。思考了一下原因，个人认为是BERT的分类和ChatGPT的分析并不一致。BERT分类依据主要来源于微调的过程，即仍然是基于历史数据进行的分析；而ChatGPT是基于公开样本进行的学习，得不到内部历史信息的支撑。

给到ChatGPT一些内部数据做微调，也许能够获得更好的效果。

结论

总体来说，对深度模型做解释仍然是一个很困难的工作，更别提需要在线上实时得出相应的分析结论了。

传统可解释性方法的场景偏向于零星的分析场景，主要用于帮助算法人员去理解和优化模型，和线上的使用场景存在一定的偏差。

从目前的试验来看，应当是需要两个模型分别来完成分类和可解释性任务，但必须共享同一份数据和知识。因此，喂给ChatGPT一些数据做微调（但是缺乏标签，需要走无监督的逻辑），大概是可探索的方向。