在2019年2月，波蘭政府增加了一項銀行法修正案，該修正案賦予了客戶在遇到負(fù)面信用決策時可獲得解釋的權(quán)利。這是GDPR在歐盟實施的直接影響之一。這意味著如果決策過程是自動的，銀行需要能夠解釋為什么不批準(zhǔn)貸款。

在2018年10月，“亞馬遜人工智能招聘工具偏向男性”的報道登上了全球的頭條新聞。亞馬遜的模型是基于有偏見的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練的，這些數(shù)據(jù)偏向于男性應(yīng)聘者。該模型構(gòu)建了不利于含有“Women's”一詞的簡歷的規(guī)則。

“不理解模型預(yù)測”產(chǎn)生的影響

上述兩個例子的共同之處在于，銀行業(yè)中的模型和亞馬遜構(gòu)建的模型都是非常復(fù)雜的工具，即所謂的黑盒分類器，它們不提供簡單且可解釋的決策規(guī)則。

如果金融機(jī)構(gòu)想要繼續(xù)使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的解決方案，就必須投資于模型可解釋性的研究。這些機(jī)構(gòu)可能確實會這么做，因為這樣的算法在預(yù)測信用風(fēng)險方面會更準(zhǔn)確。另一方面，如果模型經(jīng)過適當(dāng)?shù)尿炞C和理解，亞馬遜本可以節(jié)省大量資金并避免負(fù)面報道。

為什么是現(xiàn)在?數(shù)據(jù)建模的趨勢

自2014年以來，機(jī)器學(xué)習(xí)一直保持在Gartner的Hype Cycle(技術(shù)成熟度曲線)的最頂端，直至2018年被深度學(xué)習(xí)(機(jī)器學(xué)習(xí)的一種形式)所取代，這表明其普及尚未達(dá)到峰值。

來源：https://www.gartner.com/smarterwithgartner/5-trends-emerge-in-gartner-hype-cycle-for-emerging-technologies-2018/

機(jī)器學(xué)習(xí)增長預(yù)計將進(jìn)一步加速。根據(jù)Univa的調(diào)查報告，96%的公司預(yù)計在未來兩年內(nèi)將機(jī)器學(xué)習(xí)用于生產(chǎn)。

其背后的原因是：廣泛的數(shù)據(jù)收集、大量計算資源的可獲得性以及活躍的開源社區(qū)。機(jī)器學(xué)習(xí)采用的增長伴隨著解釋性研究的增加，而研究的增加是由像GDPR這樣的法規(guī)、歐盟的“解釋權(quán)”、對(醫(yī)療、自動駕駛汽車)安全性以及可重現(xiàn)性和偏見的擔(dān)憂，或者最終用戶的期望(調(diào)試優(yōu)化模型或者學(xué)習(xí)一些關(guān)于研究對象的新知識)所驅(qū)動的。

來源：http://people.csail.mit.edu/beenkim/papers/BeenK_FinaleDV_ICML2017_tutorial.pdf

黑盒算法可解釋性的可能性

作為數(shù)據(jù)科學(xué)家，我們應(yīng)該能夠向最終用戶提供有關(guān)模型如何工作的解釋。但是，這并不一定意味著理解模型的每個部分或需要根據(jù)模型生成一組決策規(guī)則。

同時，如下情況也不需要解釋模型：

• 問題被完美研究
• 模型結(jié)果沒有后果
• 最終用戶理解模型可能會給系統(tǒng)帶來博弈風(fēng)險

如果我們看看2018年Kaggle所做的機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)科學(xué)調(diào)查結(jié)果，大約60%的受訪者認(rèn)為他們可以解釋大多數(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)模型(有些模型仍難以解釋)。用于機(jī)器學(xué)習(xí)理解的最常用方法，是通過查看特征重要性和特征相關(guān)性來分析模型特征。

特征重要性分析提供了對模型學(xué)習(xí)內(nèi)容以及哪些因素可能重要的初步的良好洞察。但是，如果特征之間是相關(guān)的則該方法會不太可靠。只有模型變量可解釋時，它才能提供良好的洞察。對于許多GBMs庫(Gradient Boosting Machine)，繪制關(guān)于特征重要性的圖表非常容易。

對于深度學(xué)習(xí)來說，情況要復(fù)雜得多。使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，可以查看權(quán)重，因為它們包含關(guān)于輸入的信息，但信息是壓縮的。此外，你只能分析第一層的連接，因為在更深的層次上它太復(fù)雜了。

難怪2016年LIME(局部可解釋的模型-可解釋的說明)論文在NIPS會議上發(fā)表時，它產(chǎn)生了巨大的影響。LIME的模式是在可解釋的輸入數(shù)據(jù)上構(gòu)建一個易于理解的白盒模型去局部模擬一個黑盒模型。已經(jīng)證明它在為圖像分類和文本提供解釋方面獲得很棒的結(jié)果。但是，對于列表數(shù)據(jù)，很難找到可解釋的特征，其局部解釋可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)。

LIME通過Python(lime和Skater)和R(lime包和iml包、live包)實現(xiàn)，并非常容易使用。

另一個有前景的想法是SHAP(Shapley Additive Explanations)。它基于博弈論。它將特征當(dāng)做玩家、將模型當(dāng)做聯(lián)盟，用Shapley值說明各特征分別帶來了怎樣的“影響(Payout)”。該方法公平地衡量(各特征的)作用，易于使用并提供吸引人的可視化實現(xiàn)。

以R提供的DALEX軟件包(描述性機(jī)器學(xué)習(xí)說明)提供了一組工具，可幫助了解復(fù)雜模型的工作原理。使用DALEX，可以創(chuàng)建模型解釋器并通過可視化進(jìn)行檢查，例如分解繪圖。你可能也會對DrWhy.Ai感興趣，它和DALEX是由同一組研究人員開發(fā)的。

實際用例

1、檢測圖片上的對象

圖像識別已被廣泛使用，其中在自動駕駛汽車中用于檢測汽車、交通信號燈等，在野生動物保護(hù)中用于檢測圖像中的某種動物，或在保險中用于檢測毀于洪澇的農(nóng)作物。

我們將使用原始LIME論文中的“哈士奇 vs 狼的例子”來說明模型解釋的重要性。該分類器的任務(wù)是識別圖片上是否有狼，但它錯誤地將西伯利亞哈士奇分類為狼。感謝LIME的研究人員能夠識別圖片上的哪些區(qū)域?qū)δＰ捅容^重要，最終發(fā)現(xiàn)如果圖片包含雪就會被歸類為狼。

該算法使用了圖片的背景并完全忽略了動物的特征。模型原本應(yīng)該關(guān)注動物的眼睛。由于這一發(fā)現(xiàn)，就可以修復(fù)模型并擴(kuò)展訓(xùn)練樣本以防止推理為雪=狼。

2、將分類作為決策支持系統(tǒng)

阿姆斯特丹UMC的重癥監(jiān)護(hù)室希望預(yù)測出院時患者再入院和/或死亡的可能性。目標(biāo)是幫助醫(yī)生選擇將病人移出ICU的合適時機(jī)。如果醫(yī)生了解模型正在做什么，就更有可能在做最終判斷時使用它的建議。

為了展示如何使用LIME解釋這種模型，我們可以看另一個旨在早期預(yù)測ICU死亡率的研究。其使用了隨機(jī)森林模型(黑盒模型)預(yù)測死亡率情況，使用LIME局部解釋每個患者的預(yù)測分?jǐn)?shù)。

來源：https://www.researchgate.net/publication/309551203_Machine_Learning_Model_Interpretability_for_Precision_Medicine

來自所選樣本中的一個患者被預(yù)測具有高死亡概率(78%)。導(dǎo)致死亡的模型特征為更高的房顫次數(shù)和更高的乳酸水平，這與當(dāng)前的醫(yī)學(xué)理解是一致的。

人類和機(jī)器 - 完美搭配

為了在構(gòu)建可解釋的AI方面取得成功，我們需要將數(shù)據(jù)科學(xué)知識、算法和最終用戶的專業(yè)知識結(jié)合起來。創(chuàng)建模型之后，數(shù)據(jù)科學(xué)的工作還沒有結(jié)束。這是一個可迭代的、經(jīng)由專家提供反饋閉環(huán)的通常很漫長的過程，以確保結(jié)果是可靠的并且可被人類所理解。

我們堅信，通過結(jié)合人類的專業(yè)知識與機(jī)器的性能，我們可以獲得最佳結(jié)論：改進(jìn)機(jī)器結(jié)果并克服人類直覺的偏差。

參考資料:

• On-line and web-based: Analytics, Data Mining, Data Science, Machine Learning education：https://www.kdnuggets.com/education/online.html
• Software for Analytics, Data Science, Data Mining, and Machine Learning：https://www.kdnuggets.com/software/index.html

相關(guān)信息:

• Are BERT Features InterBERTible：https://www.kdnuggets.com/2019/02/bert-features-interbertible.html
• Artificial Intelligence and Data Science Advances in 2018 and Trends for 2019：https://www.kdnuggets.com/2019/02/ai-data-science-advances-trends.html
• The year in AI/Machine Learning advances: Xavier Amatriain 2018 Roundup：https://www.kdnuggets.com/2019/01/xamat-ai-machine-learning-roundup.html