机器学习模型的“可解释性”的概念及其重要意义

人们对深度学习模型的真正运行机制还远远没有完全了解，如何提高预测模型的“可解释性”成了一个日益重要的话题。近来的一篇论文讨论了机器学习模型的“可解释性”的概念及其重要意义。

7月17日，加州大学圣迭戈分校（UCSD）博士、卡内基梅隆大学（CMU）计算机科学助理教授Zachary C. Lipton在ACM Queue上发表了题为《The Mythos of Model Interpretability》的文章，讨论了监督式机器学习预测模型的可解释性问题。Lipton在文中试图明确“可解释性”的定义，并对“可解释性”进行分类，并提出了一个重要观点，认为线性模型的可解释性并不一定高于深度神经网络（DNN）模型。

以下是新智元对论文内容的简编。

监督式的机器学习模型具有卓越的预测能力。不过，机器学习模型不仅应该可用，而且应该是可解释的，但“解释机器学习模型”的任务定义似乎不够明确。学术文献中提出了为模型寻求可解释性的许多动机，并提供了无数的技术来提供可解释的模型。尽管存在这种模棱两可的情况，但许多作者宣称他们的模型在公理上是可解释的，然而对此却缺乏进一步的论证。问题是，目前尚不清楚这些技术的共同特性是什么。

本文旨在完善关于可解释性的表述。首先，文章回顾了以前论文中解决可解释性的目标，发现这些目标多种多样，偶尔还有相互矛盾。接着讨论了研究可解释性的模型属性和技术思路，以及模型对人而言的识别透明度，并引入了“事后可解释性”的概念作为对比。文章讨论了关于模型可解释性概念的不同观点的可行性和合理之处，对“线性模型可解释，深度神经网络不可解释”这一常见的观点提出了质疑。

在过去的20年中，机器学习的快速发展产生了自动决策。在实际应用中，大多数基于机器学习的决策的运作方式是这样的：用输入数据训练机器学习算法，然后由算法预测相应的输出。例如，给定一组关于金融交易的属性信息，机器学习算法可以预测长期的投资回报。给定来自CT扫描的图像，算法可以该图像的扫描对象罹患癌性肿瘤的概率。 

机器学习算法接收大量成对数据（输入和输出），然后输出一个模型，能够预测之前未见过的输入。研究人员将这个模式称为“监督式学习”。然后，为了让决策过程完全自动化，可以将模型的输出提供给某个决策规则。例如，垃圾邮件过滤器可以通过程序舍弃被预测为垃圾邮件（置信度超过某阈值）的电邮。

什么是可解释性，它为什么如此重要？

目前机器学习在医学、刑事司法系统和金融市场等关键领域的应用越来越广泛，但人类无法真正理解这些模型，这是个问题。一些人提出了模型的“可解释性”作为一种补救措施，但在学术文献中，很少有作者准确地阐明了“可解释性”的含义，也没有准确解释他们提出的解决方案为何是有用的。

尽管缺乏定义，但越来越多的文献提出了据称可解释的算法。这样来看我们似乎可以得出以下结论：要么是（1）人们对可解释性的定义是普遍认同的，但没人愿意费心以书面表达出来，要么就是（2）对“可解释性”的定义是不明确的，所以关于机器学习模型的可解释性的观点都显得科学性不足。对相关文献的研究表明，后者与实际情况相符合。关于模型可解释性的文献中提出的目标和方法多种多样，这表明可解释性不是一个单一概念，而是一些彼此迥然不同的观点，有必要将这些观点分开来讨论。

本文侧重讨论监督式学习，而非强化学习和互动学习等其他机器学习范式。这是因为当前在实际应用中，监督式学习居于首要地位。同时给出了对“线性模型可解释，而深层神经网络不可解释”这个常见观点的分析。首先需要明确的是，什么是可解释性？可解释性为什么如此重要？

许多人提出，可解释性就是对模型产生信任的方式。这又导致了另一个关于认识论的问题：什么是信任？是指对模型能够表现良好的信心吗？还是说“可解释性”只是意味着对模型的低层级机制的理解？信任是否是一种主观的定义？

还有人认为，可解释的模型就是可取的，因为它可能有助于揭示观察数据中的因果结构。而关于解释权的法律概念为可解释性一词提供了另一个视角。有时，寻求可解释性的目的，可能只是为了从模型中获取更多有用的信息。

本文讨论了模型的哪些属性可以让它们变得可解释。有些论文将可解释性与可理解性或可理解性等同起来，在这些论文中，可理解的模型有时被称为“透明”的，而难以理解的模型被称为黑盒子。但是透明度是什么？算法本身会收敛吗？有唯一解吗？人们是否了解每个参数代表什么？或者考虑模型的复杂性：是否足够简单？

其他内容包括“事后可解释”的概念。这种解释可能解释了预测结果，但没有阐明预测模型运作的机制。比如由人类生成的口头解释，或者用于分析深度神经网络的显著性图。因此，人类做出的决定可能会满足“事后可解释”，不过人类大脑的运作机制仍是个黑盒子，这表明两种常见的可解释性概念之间的矛盾。

本论文的作者Zachary C. Lipton

线性模型和深度网络模型的取舍

可解释性的概念很重要、也很棘手。本文分析了可解释性的动机和研究界提出的一些尝试。现在让我们考虑一下这种分析的含义并提供一些内容。

线性模型并不比深度神经网络具有更高的可解释性。尽管这种说法很流行，但其真实价值取决于采用哪种可解释性的概念。如果可解释性指的是算法透明度，那么这种说法似乎没有什么争议，但对高维特征或经大幅修正的特征而言，线性模型就分别不具备可模拟性和可分解性。

在线性模型和深度模型之间进行选择时，我们时常要在算法透明度和可分解性之间进行权衡。这是因为深度神经网络模型一般面向原始特征或轻度处理的特征。所以如果不出意外，这些特征都具有直观的意义，因而采用“事后可解释性”的概念是可以接受的。而线性模型则不同，为了获得足够的性能，通常必须面向大量经人工设计的特征。Zachary Lipton曾与他人合作撰文指出，线性模型要想接近递归神经网络（RNN）的性能，就必须以舍弃可分解性为代价。

如果考察某些类型的“事后可解释性”（post-hoc interpretable），深度神经网络具有明显的优势。深度神经网络能够学习丰富的表示，这些表示能够可视化、用语言表达或用于聚类。如果考虑对可解释性的需求，似乎线性模型在研究自然世界上的表现更好，但这似乎没有理论上的原因。

关于可解释性的声明必须是合格的。可解释性一词并没有一个整体概念。关于可解释性的任何观点都应该首先为“可解释性”确定一个特定的定义。如果模型满足透明度的形式，则可解释性可以直接体现出来。对于“事后可解释性”，则应确定一个明确的目标，并证明所提供的解释形式能够实现这一目标。

事后解释可能会有误导性。不能一味接受“事后可解释”的概念，特别是在基于主观目标对模型做特定优化时。因为在这种情况下，人们可能会在有意无意间优化算法，以提供误导性、但貌似合理的解释。就像在招聘活动和大学录取中的一些行为一样。我们在努力推广机器学习模型的应用，模仿人类智能的过程中，更应该小心不要重现大规模的不正常行为。

未来方向

未来有几个有前途的方向。首先，对于某些问题，可以开发更丰富的损失函数和性能指标，降低现实与机器学习目标之间的差异。包括对稀疏诱导正则化因子（sparsity-inducing regularizers）和成本敏感学习（cost-sensitive learning）的研究。其次，这种分析可以扩展到其他机器学习范式中，比如强化学习。强化学习模型可通过直接对模型与环境的交互进行建模，从而解决模型可解释性研究中的一些问题。

值得注意的是，强化学习模型能够学习自身行为与现实世界的影响之间的因果关系。然而，与监督式学习一样，强化学习同样依赖于明确定义的标量目标。对于公平性（fairness）问题，这个我们正在努力精确定义的指标，机器学习范式可解释度的提升则不大可能解决。

观点争鸣

不过，关于这个问题也有人提出了一些异议，谷歌大脑软件工程师、斯坦福大学计算机科学硕士Akshay Agrawal就对Lipton论文中的主要观点进行了归纳，并提出了不少不同意见。

对此文提出不同意见的Akshay Agrawal

Agrawal认为Lipton的论文对模型可解释性的定义分为三个方面：

第一是透明度，其表现形式是“可模拟性”，即人类应该可以手动模拟机器学习模型。第二是“可分解性”，即模型的每个部分都有直观的解释。第三是算法，算法应该有独一无二的解。

Agrawal认为：第一点有些问题，因为计算机的目的是自动完成人类在合理的时间内无法完成的任务。第二点讲得很好。第三点也有问题，因为即使在凸面上甚至都不能保证有唯一解。而算法的确定性问题已经不属于机器学习的范围。

Agrawal表示，在可解释性问题上，重要问题的有两点：

1. 这个模型是否能推广用在未见过的数据上面？如果在对某个推广假设试图证伪之后，该假设仍然成立，那么这个模型就是可解释的。我认为这与Lipton在此文中说的“可转移性”的概念差不多。

2. 该模型是否足够安全，比如是否能够防止欺骗？确定模型的安全性是一个悬而未决的问题。也许可以通过使用Lipton在他的论文中调查的一些工具来研究这个问题。不过我很清楚，验证神经网络模型的安全性要比对线性模型进行验证要困难得多。