终于有人把可解释机器学习讲明白了
导读：为了解决模型的“黑盒”问题，科学家们提出了可解释机器学习。除了预测的精准性之外，可解释性也是机器学习模型是否值得信赖的重要衡量标准。
可解释机器学习（IML）的核心思想在于选择模型时，需要同时考虑模型的预测精度和可解释性，并尽量找到二者之间的最佳平衡，它不像传统黑盒模型仅考虑预测精度这一单项指标（如低MSE或高AUC）；它不仅能给出模型的预测值，还能给出得到该预测值的理由，进而实现模型的安全、透明和公平等特性。
作者：索信达控股 邵平 杨健颖 苏思达 何悦 苏钰
来源：大数据DT（ID：hzdashuju）
在大数据时代，机器学习在提升产品销售、辅助人类决策的过程中能够起到很大的作用，但是计算机通常不会解释它们的预测结果。
我们在使用机器学习模型时，常用的模型性能评价指标有精度、查准率、查全率、ROC曲线、代价曲线等。如果一个机器学习模型表现得很好，我们是否就能信任这个模型而忽视决策的理由呢？答案是否定的。
模型的高性能意味着模型足够智能和“聪明”，但这不足以让我们了解它的运作原理，因此我们需要赋予模型“表达能力”，这样我们才能更加理解和信任模型。除了单一的性能评价之外，模型的评价还应该增加一个维度，以表示模型的“表达能力”，可解释性就是其中一个。
01 可解释性的定义
解释指的是用通俗易懂的语言进行分析阐明或呈现。对于模型来说，可解释性指的是模型能用通俗易懂的语言进行表达，是一种能被人类理解的能力，具体地说就是，能够将模型的预测过程转化成具备逻辑关系的规则的能力。
可解释性通常比较主观，对于不同的人，解释的程度也不一样，很难用统一的指标进行度量。我们的目标是希望机器学习模型能“像人类一样表达，像人类一样思考”，如果模型的解释符合我们的认知和思维方式，能够清晰地表达模型从输入到输出的预测过程，那么我们就会认为模型的可解释性是好的。
在《机器学习的挑战：黑盒模型正面临这3个问题》例举的基金营销小场景中，虽然模型能够判断一个客户有很大的可能性购买低风险、低收益的产品，但是模型不能解释客户倾向于购买低风险、低收益产品的更详细的原因，因此也就无法提出对这个客户来说更有针对性的营销策略，从而导致营销的效果不佳。
具备可解释性的模型在做预测时，除了给出推荐的产品之外，还要能给出推荐的理由。例如，模型会推荐一个低收益产品的原因是，该客户刚大学毕业，年纪还比较小，缺乏理财意识，金融知识也比较薄弱，尽管个人账户中金额不少，但是盲目推荐购买高收益产品，可能会由于其风险意识不足而导致更多的损失，因此可以通过一些简单的低风险理财产品，让客户先体验一下金融市场，培养客户的理财兴趣，过一段时间再购买高收益的产品。
模型的可解释性和模型的“表达能力”越强，我们在利用模型结果进行决策时便能达到更好的营销效果。
02 可解释性的分类
可解释机器学习的思想是在选择模型时，同时考虑模型的预测精度和可解释性，并尽量找到二者之间的最佳平衡。根据不同的使用场景和使用人员，我们大致可以将模型的可解释性作以下分类。
1. 内在可解释VS.事后可解释
内在可解释（Intrinsic Interpretability）指的是模型自身结构比较简单，使用者可以清晰地看到模型的内部结构，模型的结果带有解释的效果，模型在设计的时候就已经具备了可解释性。
如图2-1所示，从决策树的输出结果中我们可以清楚地看到，两个特征在不同取值的情况下，预测值存在差异。常见的内在可解释模型有逻辑回归、深度较浅的决策树模型（最多不超过4层）等。
▲图2-1 决策树结果
事后可解释（Post-hoc Interpretability）指的是模型训练完之后，使用一定的方法增强模型的可解释性，挖掘模型学习到的信息。
有的模型自身结构比较复杂，使用者很难从模型内部知道结果的推理过程，模型的结果也不带有解释的语言，通常只是给出预测值，这时候模型是不具备可解释性的。事后可解释是指在模型训练完之后，通过不同的事后解析方法提升模型的可解释性。
如图2-2所示，利用事后解析的方法，可以对不同的模型识别结果给出不同的理由：根据吉他的琴颈识别出电吉他，根据琴箱识别出木吉他，根据头部和腿部识别出拉布拉多。常用的事后解析方法有可视化、扰动测试、代理模型等。
▲图2-2 事后解释：a. 原始图片，b. 解释为电吉他的原因，c. 解释为木吉他的原因，d. 解释为拉布拉多的原因（来源：论文“"Why Should I Trust You?"—Explaining the Predictions of Any Classifier”）
2. 局部解释VS.全局解释
对于模型使用者来说，不同场景对解释的需求也有所不同。对于整个数据集而言，我们需要了解整体的预测情况；对于个体而言，我们需要了解特定个体中预测的差异情况。
局部解释指的是当一个样本或一组样本的输入值发生变化时，解释其预测结果会发生怎样的变化。
例如，在银行风控系统中，我们需要找到违规的客户具备哪个或哪些特征，进而按图索骥，找到潜在的违规客户；当账户金额发生变化时，违规的概率会如何变化；在拒绝了客户的信用卡申请后，我们也可以根据模型的局部解释，向这些客户解释拒绝的理由。
图2-2展示的既是事后解释，也是一个局部解释，是针对输入的一张图片作出的解释。
全局解释指的是整个模型从输入到输出之间的解释，从全局解释中，我们可以得到普遍规律或统计推断，理解每个特征对模型的影响。
例如，吸烟与肺癌相关，抽烟越多的人得肺癌的概率越高。全局解释可以帮助我们理解基于特征的目标分布，但一般很难获得。
人类能刻画的空间不超过三维，一旦超过三维空间就会让人感觉难以理解，我们很难用直观的方式刻画三维以上的联合分布。因此一般的全局解释都停留在三维以下，比如，加性模型（Additive Model）需要在保持其他特征不变的情况下，观察单个特征与目标变量的关系；树模型则是将每个叶节点对应的路径解释为产生叶节点结果的规则。
3. 可解释机器学习的研究方向
可解释机器学习为模型的评价指标提供了新的角度，模型设计者在设计模型或优化模型时，应该从精度和解释性两个角度进行考虑。
图2-3所示的是可解释机器学习中模型精度和模型可解释性的关系，由香港大学张爱军教授提出，在学术界广为流传，图2-3中的横轴代表模型的可解释性，越往正方向，代表模型的可解释性越高；纵轴代表模型的精度，越往正方向，代表模型的精度越高。
▲图2-3 可解释机器学习：模型精度和模型可解释性的关系（图片来源：©香港大学张爱军博士）
针对模型评价的两个指标，可解释机器学习有两大研究方向，具体说明如下。
第一，对于传统的统计学模型（比如决策树、逻辑回归、线性回归等），模型的可解释性较强，我们在使用模型时可以清楚地看到模型的内部结构，结果具有很高的可解释性。
然而一般情况下，这些模型的精度较低，在一些信噪比较高（信号强烈，噪声较少）的领域，拟合效果没有当下的机器学习模型高。
在保持模型的可解释性前提下，我们可以适当地改良模型的结构，通过增加模型的灵活表征能力，提高其精度，使得模型往纵轴正方向移动，形成内在可解释机器学习模型。比如，保持模型的加性性质，同时从线性拟合拓展到非线性拟合，GAMI-Net、EBM模型均属于内在可解释机器学习模型。
第二，当下的机器学习模型（比如神经网络、深度学习），其内部结构十分复杂，我们难以通过逐层神经网络或逐个神经元观察数据的变化，在一些信噪比较低（信号较弱，噪声强）的领域，我们很容易把噪声也拟合进去，不易发现其中的错误，模型的可解释性较低。
为了提高模型的可解释性，我们可以采用以下两种方法：
降低模型结构的复杂度，如减少树模型的深度，以牺牲模型的精度换取可解释性；
保持模型原有的精度，在模型训练完之后，利用事后辅助的归因解析方法及可视化工具，来获得模型的可解释性。
无论采用哪一种方法，其目的都是让模型往横轴的正方向移动，获取更多的可解释性。LIME和SHAP等方法均属于事后解析方法。
可解释机器学习的研究在学术界和工业界都引发了热烈的反响，发表的文章和落地应用逐年增长。无论是哪一个研究方向，可解释机器学习研究的最终目的都是：
在保证高水平学习表现的同时，实现更具可解释性的模型；
让我们更理解、信任并有效地使用模型。
关于作者：邵平，资深数据科学家，索信达控股金融AI实验室总监。在大数据、人工智能领域有十多年技术研发和行业应用经验。技术方向涉及可解释机器学习、深度学习、时间序列预测、智能推荐、自然语言处理等。现主要致力于可解释机器学习、推荐系统、银行智能营销和智能风控等领域的技术研究和项目实践。
杨健颖，云南财经大学统计学硕士，高级数据挖掘工程师，一个对数据科学有坚定信念的追求者，目前重点研究机器学习模型的可解释性。
苏思达，美国天普大学统计学硕士，机器学习算法专家，长期为银行提供大数据与人工智能解决方案和技术服务。主要研究方向为可解释机器学习与人工智能，曾撰写《可解释机器学习研究报告》和多篇可解释机器学习相关文章。
本文摘编自《可解释机器学习：模型、方法与实践》，经出版方授权发布。（ISBN：9787111695714）
延伸阅读《可解释机器学习：模型、方法与实践》
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推荐语：国内金融人工智能一线团队倾力打造，追踪最前沿的研究进展，全面、系统地介绍了可解释机器学习模型及方法。
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