【可解释性机器学习】可解释机器学习简介与特征选择方法

1. Introduction

什么是可解释机器学习（Explainable ML）？

Explainable ML要求模型不但要给出结果，还要对结果背后的原因做出解释。这种解释可以分为Local Explanation、Global Explanation、用另一种Explainable的模型来Explanation等方法。

• Local Explanation: 为什么觉得这个图片是一只猫？（单一解释某个输入）需要对输入图像进行分析，以了解模型是根据对输入图像的哪个部分判断它是一只猫？输入图像的哪些区域改变会对判断结果产生较大的影响？（解释整个模型）
• Global Explanation：你觉得一只猫应该看起来是什么样子？需要对模型进行反推，来解释学到的知识，比如模型通过生成算法输出一只猫应该具有的样子。
• 用另一种Explainable的模型来explanation：复杂的AI模型，如神经网络，表征能力强，但其是一个black box，难以解释；而简单的线性模型是white box，表征能力强，但易解释。因此这种方法的思想就是利用线性模型来逼近AI模型的局部进行解释。

为什么需要Explainable ML?

比如利用ML模型帮助筛选简历、判断犯人能否获得假释、是否要给某人提供贷款…，在很多领域中，不能直接草率的利用ML模型给出的结果，还需要了解它是出于什么样的动机预测出这样的结果。如果能做到这点，我们才能更信任我们的模型，甚至可以针对同一件事对不同领域的人做出personalized的解释。

直接使用一些可以interpretable的模型不好吗？

• 一些可以被很好解释的模型，如线性模型，决策树等，对于很复杂的任务可能表现并不好；
• 利用一些集成学习的方法，如XGBoost等，可以提升模型的能力，但是又让这些原本很好解释的模型不那么好解释了；
• 神经网络具有更为强大的表现能力，所以我们重点就过渡到如何让神经网络变得可解释。

2. Local Explanation

思想：$$objectx\to components\{x_1,x_2,...,x_n\}$$
将模型输入的object拆分为components，去除或者调整某个component的值，如果这个component的改变能导致模型发生很大的决策改变，这个component就是重要的。

方法案例1：基于滑动窗口

参考论文：

Zeiler, M.D., Fergus, R. (2014). Visualizing and Understanding Convolutional Networks. In: Fleet, D., Pajdla, T., Schiele, B., Tuytelaars, T. (eds) Computer Vision – ECCV 2014. ECCV 2014. Lecture Notes in Computer Science, vol 8689. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-10590-1_53

思想：在输入图像上滑动一个灰色方块进行局部区域的遮挡，观察哪些位置被灰色方块遮挡后能导致模型错误判断。
如下图所示：红色和蓝色分别代表低错误率和高错误率，当灰色方块挡住博美犬脸部、轮胎、狗的身体时，明显可以看到模型的错误率很高，那么我们可以认为这些部分是模型进行判断时的主要依据。

那么问题来了，我们该如何选择方块的大小，以及如何选择方块的颜色？

方法案例2：基于梯度

参考论文：

Simonyan, Karen, Andrea Vedaldi and Andrew Zisserman. “Deep Inside Convolutional Networks: Visualising Image Classification Models and Saliency Maps.” CoRR abs/1312.6034 (2013): n. pag.

思路：$$\{x_1,...,x_n,...,x_N\}\to \{x_1,...,x_n+\Delta x,...,x_N\}$$$$y_k\to y_k+\Delta y$$
对每个输入像素增加一个扰动$\Delta x$，对应输入类型概率$y_k$会产生一个$\Delta y$的改变。可以计算输入扰动$\Delta x$对输出扰动$\Delta y$产生的影响。
$$|\frac{\Delta y}{\Delta x}|\Rightarrow |\frac{\partial y_k}{\partial x_n}|$$
其实就是计算每个像素的偏导数，可以以此画一个saliency map。如下图所示，其中亮度高（白）的值代表偏导数值高的地方，亮度低(黑)的值代表偏导数值低的地方，根据saliency map来观察哪些像素值是模型觉得比较重要的部分。

那么问题来了：

• 该方法存在梯度饱和的情况。比如判断一张图片是不是大象，大象的鼻子长度可能是个关键因素，即如果图片中鼻子长度超过一个阈值后，就会被判为大象了，那么这时求输出对鼻子长度的偏导数，结果就很小。若用这种方法进行判断，得到的结果可能是鼻子长度对于判断图片是否为大象没有很大影响。这显然不是合理的解释。可能的解决办法参考下列论文：

Sundararajan, M., Taly, A., & Yan, Q. (2016). Gradients of Counterfactuals. ArXiv, abs/1611.02639.
Shrikumar, A., Greenside, P., & Kundaje, A. (2017). Learning Important Features Through Propagating Activation Differences. International Conference on Machine Learning.

• 该方法可能被恶意攻击。如下边上图所示，我们得到的saliency map能够解释模型是根据火车的部分来进行判断的，但这下图中加上某些noise之后，模型就完全注意到云彩的部分了。具体可以参考这篇论文：
  

Ghorbani, A., Abid, A., & Zou, J.Y. (2017). Interpretation of Neural Networks is Fragile. AAAI Conference on Artificial Intelligence.

3. Global Explanation

思想：$$x\ast =argma{x}_x{y}_i$$
就是让模型告诉我们，针对某一类别最大可能的概率值，输入应该是什么样子的。

方法案例1：Activation Maximization

思路：利用这个思想我们对于手写数字的任务，画出对于每个数字类别，模型认为最可能的输入是什么样子的。但是从下面左图可以看到，画出的理想输入图像类似于噪声。
于是，对模型增加一个约束，要求生成的图片不仅要使$y_i$最大，还要像一个数字。即
$$x\ast =argma{x}_x{y}_i+R(x)$$
针对手写图像识别的任务，可以设计$R(x)=-{\sum }_{i,j}|x_{ij}|$，得到的结果如下右图所示。

那么问题来了，这里的$R(x)$针对不同的任务需要被精心设计和调参，可以参考下面论文：

Yosinski, J., Clune, J., Nguyen, A.M., Fuchs, T.J., & Lipson, H. (2015). Understanding Neural Networks Through Deep Visualization. ArXiv, abs/1506.06579.

方法案例2：利用Generator

思路如下图所示：

利用一些生成算法，如VAE、GAN等，训练好一个图像生成器。因为对于生成器来说，能够输入一个随机向量$z$生成图片$x=G(z)$，再利用方法1的思想，那么问题就变为：$$x\ast =argma{x}_x{y}_i\to z\ast =argma{x}_z{y}_i$$
整体思想其实就是把方法1的约束$R(x)$用一个生成器进行替代。至于如何调整输入，得到一个比较好的结果，可以参考下面论文：

Nguyen, A.M., Clune, J., Bengio, Y., Dosovitskiy, A., & Yosinski, J. (2016). Plug & Play Generative Networks: Conditional Iterative Generation of Images in Latent Space. 2017 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 3510-3520.

那么问题来了，该方法需要花费大量时间训练和调试GAN模型。

4. 用另一个explainable的模型来explanation

思想如下图所示：

用一些容易解释的模型（如Linear Model, Decision Tree等）去模拟复杂的模型(如神经网络)，从而进行解释。但是简单的模型往往表征能力有限，并不足以完全模拟高度非线性的模型，只能去模拟复杂模型的局部特性。因此这种方法其实也是属于Local Explanation。

方法案例1：Local Interpretable Model agnostic-Explanation (LIME)

Ribeiro, M., Singh, S., & Guestrin, C. (2016). “Why Should I Trust You?”: Explaining the Predictions of Any Classifier. Proceedings of the 22nd ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining.

思路如下图所示：

利用局部线性化的思想，以上图最简单的一维情况为例，假设要对样本$x_0$进行解释，那就在它的附近采样一些样本，再用一个线性的模型去拟合这些样本在待解释模型中的输出。
那么问题是：

• 如何定义“附近”？——比如下图1中，“附近”的定义就比较好，下图2中“附近”的定义就太大了。
  
  
  LIME应用在图像中的例子：

1. 比如，想解释模型为什么会把这张图片判断成青蛙？
2. 利用一些方法把对这个图像进行segmentation——也就是说不关心某个像素点的解释性，而是关心某个区域的解释性。
   
   然后把随机丢掉一些segments的图像输入我们到待测模型，得到相应的输出结果。
   
3. 得到一组输入输出后，用其训练一个线性模型——这里要注意的是：如果直接用线性模型去拟合的话，参数量会太多(可以联想下用一个全连接而不用CNN去做图像分类的例子)。因此，可以先用一些方法从图像中提取出一个低维度的向量，再输入到线性模型中。
   如果我们的segmentation的数量是M，那么这个低维向量的大小就是$x_1,...,x_m,...,x_M$，其中：
   $$x_m=\{\begin{array}{ll}0& \text{ Segment }m\text{ is deleted }\\ 1& \text{ Segment }m\text{ exists }\end{array}$$
4. 根据线性模型的权重做出解释：
   $$y=w_1{x}_1+...+w_m{x}_m+...+w_M{x}_M+b$$
   如果$w_m\approx 0$，对应的segment与青蛙没有关系；
   如果$w_m>0$, 对应的segment表明这是青蛙；
   如果$w_m<0$，对应的segment表明这不是青蛙。

方法案例2：决策树正则化

Wu, M., Hughes, M.C., Parbhoo, S., Zazzi, M., Roth, V., & Doshi-Velez, F. (2017). Beyond Sparsity: Tree Regularization of Deep Models for Interpretability. AAAI Conference on Artificial Intelligence.

思路：LIME的思想是利用一个linear model去解释，那么我们也可以采取non-linear、interpretable的决策树来解释。如下图所示：

先来考虑决策树，如果一个决策树很深、很复杂，它也可以拟合很复杂的关系(可以想想一下单个决策树不加任何限制也是能够过拟合的)，但是这样以来这个决策树就会变得很难解释。因此，需要限制决策树的复杂程度$O(T_{\theta })$，比如树的平均深度。

5. 建模之后的可解释性方法

首先，根据上文所描述的内容可知，模型通常会考虑以下问题：

• 哪些特征在模型看来是最重要的？
• 从大量的记录整体来考虑，每一个特征如何影响模型的预测？
• 关于某一条记录的预测，每一个特征是如何影响到最终的预测结果的？

所以，选择一个可解释的机器学习模型必须能够满足可靠性、易于调试、能够启发特征工程思路、并可以指导后续数据采集的方向，同时指导人为决策，最终建立模型和人之间的新人。
因此，这里介绍三种可解释的特征选择方法，分别是:

1. 特征重要性，也就是模型自带的feature importance评分
2. Permutation Importance
3. SHAP

当然，还有很多其他方法，部分依赖图(PDP)和个体条件期望图(ICE)、局部可解释不可知模型（LIME）、RETAIN、逐层相关性传播（LRP）。这里主要介绍特征选择过程中的可解释方法。

Feature Importance

特征重要性的作用，顾名思义，就是快速的知道哪些因素是比较重要的，但是不能得到这个因素对模型结果的正负向影响，同时传统方法对交互效应的考量会有些欠缺。

如果想要知道哪些变量比较重要的话。可以通过模型的feature_importances_方法来获取特征重要性。例如XGBoost的feature_importances_可以通过特征的分裂次数或利用该特征分裂后的增益来衡量。

计算方法是：Mean Decrease Impurity。思想：一个特征的意义在于降低预测目标的不确定性，能够更多的降低这种不确定性的特征就更重要。即特征重要性计算依据某个特征进行决策树分裂时，分裂前后的信息增益（基尼系数）.
示例如下：使用XGBoost对iris鸢尾花数据集进行分类

Permutation Importance

容易想到，在训练模型的时候可以直接输出特征重要性，但这个特征对整体的预测效果有多大影响？可以用Permutation Importance（排列重要性）进行计算。
Permutation Importance的思想：基于“置换检验”的思想对特征重要性进行检测，一定是在model训练完成后，才可以计算的。简单来说，就是改变数据表格中某一列的数据的排列，保持其余特征不动，看其对预测精度的影响有多大。

计算步骤：
①用上全部的特征，训练一个模型；
②验证集预测得到得分（score）；
③验证集的一个特征列的值进行随机打乱，预测得到得分；
④将上述得分做差即可得到该特征列对预测的影响；
⑤依次将每一列特征按照上述方法执行，得到每一列特征对预测的影响程度。

使用ELI5库可以进行Permutation Importance的计算。ELI5是一个可以对各类机器学习模型进行可视化和调试Python库，并且针对各类模型都有统一的调用接口。ELI5中原生支持了多种机器学习框架，并且也提供了解释黑盒模型的方式。

结果分析：

• 靠近上方的绿色特征，表示对模型预测较为重要的特征；
• 为了排除随机性，每一次 shuffle 都会进行多次，然后取结果的均值和标准差；
• ±后面的数字表示多次随机重排之间的差异值。

可以根据自定义的阈值选择Weight较大的特征。

SHAP(SHapley Additive exPlanation)

以上都是全局可解释性方法，那局部可解释性，即单个样本来看，模型给出的预测值和某些特征可能的关系，这就可以用到SHAP。当然shap也有全局可解释性。

SHAP 属于模型事后解释的方法，它的核心思想是计算特征对模型输出的边际贡献，再从全局和局部两个层面对“黑盒模型”进行解释。SHAP构建一个加性的解释模型，所有的特征都视为“贡献者”。对于每个预测样本，模型都产生一个预测值，SHAP value就是该样本中每个特征所分配到的数值。基本思想：计算一个特征加入到模型时的边际贡献，然后考虑到该特征在所有的特征序列的情况下不同的边际贡献，取均值，即某该特征的SHAPbaseline value

SHAP(SHapley Additive exPlanation)是Python开发的一个"模型解释"包，可以解释任何机器学习模型的输出。

注意：在SHAP中进行模型解释需要先创建一个explainer。其中SHAP支持很多类型的explainer，例如deep、gradient、kernel、linear、tree、sampling等，上述代码中以tree为例，因为它支持常用的XGB、LGB、CatBoost等树集成算法。

（1）可视化一个prediction解释，如果不想用JS，则传入matplotlib=True:

shap.initjs()
shap.force_plot(explainer.expected_value[1], shap_values[1][j], df.iloc[j,:])

结果分析：
①base value：全体样本Shap平均值，模型在数据集上的输出均值0.5671；
②f(x)：当前样本的Shap输出值，模型在单个样本的输出值1.76；
③正向作用的特征：petal length (cm)取值为3.5，petal length(cm)取值为1，具有正向影响;长度表示特征影响的程度。
④反向作用的特征：sepal length (cm)取值为5，sepal width (cm) 取值为2，具有有负向影响。
⑤引起预测降低的特征值是蓝色的，最大的影响源自 sepal length (cm)=5 的时候，但 petal length (cm)= 3.5 的值则对提高预测的值具有比较有意义的影响；所有特征共同作用下预测结果为1.76，计算公式为：$0.5670767+\mathrm{3.51.423280}+0.790364-50.906990-2.0\ast 0.116189$。

（2）可视化全局解释，即多个预测的解释：

shap.initjs()
shap.force_plot(explainer.expected_value[1], shap_values[1], df) #鼠标可以放图上面显示具体数值

解释Output value（单个样本）和Base value（全体样本Shap平均值)的差异，以及差异是由哪些特征造成的。红色是起正向作用的特征，蓝色是起负向作用的特征。

（3）为每个样本绘制其每个特征的SHAP值。这可以更好地理解整体模式，并允许发现预测异常值。下图中描述的就是整体特征重要性。

下图描述shap_values取值为1的情况，每一行代表一个特征，横坐标为SHAP值，一个点代表一个样本，颜色表示特征值（红色为高，蓝色为低）。

• 每个点是一个样本（人），图片中包含所有样本
• X轴：样本按Shap值排序
• Y轴：特征按Shap值排序
• 颜色：特征的数值越大，越红

(4)排除所有特征的影响，描述age和capital_gain的关系

至于后续更详细的用法，请详见接下来的博客！

参考资料

[1] 可解释机器学习(Explainable ML)总结
[2] Visualizing and Understanding Convolutional Networks
[3] Deep Inside Convolutional Networks: Visualising Image Classification Models and Saliency Maps
[4] 可解释性机器学习_Feature Importance、Permutation Importance、SHAP