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推進可解釋性自然語言生成(NLG):技術、挑戰(zhàn)和應用 原創(chuàng)

發(fā)布于 2024-12-20 08:02
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?結(jié)合XAI技術可以幫助開發(fā)人員改進模型,發(fā)現(xiàn)偏差,并確??煽亢凸降腘LG應用程序。

自然語言生成(NLG)是從會話代理到內(nèi)容創(chuàng)建等應用程序的核心。盡管取得了進步,但NLG系統(tǒng)經(jīng)常像“黑匣子”一樣運行,讓開發(fā)人員和用戶對其決策過程摸不著頭腦??山忉屝匀斯ぶ悄埽╔AI)通過使NLG模型更具可解釋性和可控性有效地彌補了這一缺口。

本文探討了增強NLG系統(tǒng)透明度的實用技術和工具,提供了詳細的代碼片段和逐步的解釋,以指導開發(fā)人員理解和改進模型行為。要點包括注意力可視化、可控生成、特征歸因以及將可解釋性集成到工作流中。通過關注現(xiàn)實世界的例子,本文可以作為構建更具可解釋性的NLG系統(tǒng)的操作指南。?

可解釋性NLG簡介

?自然語言生成(NLG)使機器能夠生成連貫且適合上下文的文本,為聊天機器人、文檔摘要和創(chuàng)意寫作工具等應用程序提供了支持。雖然GPT、BERT和T5等強大的模型已經(jīng)改變了NLG,但它們不透明的特性仍然給調(diào)試、問責制和用戶信任帶來了挑戰(zhàn)。

可解釋性人工智能(XAI)提供了工具和技術來揭示這些模型是如何做出決策的,使它們對開發(fā)人員和最終用戶來說是可訪問和可靠的。無論你是在訓練NLG模型還是對預訓練系統(tǒng)進行微調(diào),XAI方法都可以通過提供有關“如何”以及“為什么”生成某些輸出的見解來增強你的工作流程。?

可解釋性NLG的技術

1.理解注意力機制

Transformer是大多數(shù)現(xiàn)代NLG模型的支柱,它在生成文本時依賴于注意力機制來關注輸入的相關部分。理解這些注意力權重可以幫助解釋為什么模型強調(diào)某些標記而不是其他標記。

例子:GPT-2中的注意力可視化

Python
from transformers import GPT2Tokenizer, GPT2LMHeadModel
from bertviz import head_view
# Load GPT-2 model and tokenizer
model = GPT2LMHeadModel.from_pretrained("gpt2", output_attentions=True)
tokenizer = GPT2Tokenizer.from_pretrained("gpt2")
# Input text
text = "The role of explainability in AI is crucial for ethical decision-making."
# Tokenize input
inputs = tokenizer(text, return_tensors="pt")
# Generate attentions
outputs = model(**inputs)
attentions = outputs.attentions  # List of attention weights from all layers
# Visualize attention
head_view(attentions, tokenizer, text)

解釋

Bertviz庫提供了一個圖形界面,用于理解注意力如何在輸入令牌之間分布。例如,如果模型生成摘要,你可以分析它認為最重要的單詞。

2. 可控文本生成

可控性允許用戶通過指定基調(diào)、樣式或結(jié)構等參數(shù)來指導模型的輸出。像CTRL和GPT的微調(diào)版本這樣的模型都支持此功能。

示例:使用提示引導文本生成

Python 
from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
# Load GPT-Neo model
model_name = "EleutherAI/gpt-neo-2.7B"
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(model_name)
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name)
# Define a prompt for controlling output style
prompt = (
    "Write an inspiring conclusion to an academic paper: \n"
    "In conclusion, the field of Explainable AI has the potential to..."
)
# Tokenize and generate text
inputs = tokenizer(prompt, return_tensors="pt")
outputs = model.generate(inputs["input_ids"], max_length=100)

# Decode and display output
print(tokenizer.decode(outputs[0], skip_special_tokens=True))

解釋

通過有效地構造提示,開發(fā)人員可以控制模型如何生成文本。在本例中,該模型調(diào)整其輸出以適應學術基調(diào)。

3. 使用SHAP進行特征歸因

?SHAP (SHapley Additive explanation)提供了有關輸入的哪些部分對生成的輸出貢獻最大的見解,幫助開發(fā)人員調(diào)試諸如偏差或不相關之類的問題。

示例:用于解釋生成文本的SHAP

Python 
import shap
from transformers import pipeline
# Load a text generation pipeline
generator = pipeline("text-generation", model="gpt2")
# Define SHAP explainer
explainer = shap.Explainer(generator)
# Input text
prompt = "Explainable AI improves trust in automated systems by"
# Generate explanations
shap_values = explainer([prompt])
# Visualize explanations
shap.text_plot(shap_values)

解釋

SHAP突出顯示影響生成文本的單詞或短語,提供了一種分析模型焦點的方法。例如,你可能會發(fā)現(xiàn)某些關鍵字不成比例地驅(qū)動特定的基調(diào)或樣式。

4. 文本歸因的積分梯度

積分梯度(Integrated Gradient)通過集成從基線到輸入的梯度來量化每個輸入特征(例如,單詞或標記)的貢獻。

示例:分類任務的積分梯度

Python 
from captum.attr import IntegratedGradients
from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForSequenceClassification
import torch
# Load model and tokenizer
model_name = "textattack/bert-base-uncased-imdb"
model = AutoModelForSequenceClassification.from_pretrained(model_name)
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_name)
# Input text
text = "Explainable AI has transformed how developers interact with machine learning models."
inputs = tokenizer(text, return_tensors="pt", truncation=True, padding=True)
# Compute Integrated Gradients
ig = IntegratedGradients(model)
attributions = ig.attribute(inputs['input_ids'], target=1)
# Visualize attributions
print("Integrated Gradients Attributions:", attributions)

解釋

積分梯度在分類任務中尤為有效,以幫助你了解哪些單詞會影響決策。這也可以擴展到令牌歸屬的文本生成任務。

5.逐層(Layer-Wise)注意力分析

有時,了解Transformer的各個層可以更深入地了解模型的行為。

示例:逐層提取注意力權重

Python 
import torch
from transformers import BertTokenizer, BertModel
# Load BERT model and tokenizer
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained("bert-base-uncased")
model = BertModel.from_pretrained("bert-base-uncased", output_attentions=True)
# Input sentence
text = "Natural Language Generation depends heavily on transformer architectures."
inputs = tokenizer(text, return_tensors="pt")
# Forward pass with attention
outputs = model(**inputs)
attention_weights = outputs.attentions  # Attention weights for each layer
# Analyze specific layer
layer_3_attention = attention_weights[3].detach().numpy()
print("Attention weights from layer 3:", layer_3_attention)

解釋

?逐層分析使開發(fā)者能夠追蹤注意力在網(wǎng)絡中傳播時的演變情況。這對于調(diào)試或微調(diào)預訓練模型特別有用。

在工作流中集成可解釋性NLG

調(diào)試模型輸出

可解釋性工具,如SHAP和注意力可視化,可以幫助識別問題,如不相關的焦點或?qū)斎朐肼暤拿舾行浴?/p>

提高數(shù)據(jù)集質(zhì)量

歸因方法可以揭示對特定短語的偏見或過度依賴,指導數(shù)據(jù)集增強或管理。

建立用戶信任

?通過展示模型得到其輸出的方式,開發(fā)人員可以在最終用戶之間建立信任,特別是在高風險的應用程序中,如法律或醫(yī)學文本生成。

道德考慮因素

減少偏見

可解釋性方法可以暴露生成內(nèi)容中的偏見,促使開發(fā)人員通過改進訓練數(shù)據(jù)集或公平性約束來解決這些問題。

防止錯誤信息

透明度確保用戶了解NLG系統(tǒng)的局限性,減少誤解或誤用的風險。

結(jié)語

可解釋性NLG彌合了強大的人工智能系統(tǒng)和用戶信任之間的缺口,使開發(fā)人員能夠更有信心地調(diào)試、優(yōu)化和完善他們的模型。通過結(jié)合注意力可視化、可控生成和特征歸因等技術,我們可以創(chuàng)建不僅有效而且可解釋并符合道德標準的NLG系統(tǒng)。隨著這一領域的不斷發(fā)展,集成可解釋性將仍是構建可靠的、以人為中心的人工智能的核心。

原文標題:??Advancing Explainable Natural Language Generation (NLG): Techniques, Challenges, and Applications??,作者:Manasi Sharma

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