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導(dǎo)讀：為了解決模型的“黑盒”問(wèn)題，科學(xué)家們提出了可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)。除了預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)性之外，可解釋性也是機(jī)器學(xué)習(xí)模型是否值得信賴(lài)的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。

可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)（IML）的核心思想在于選擇模型時(shí)，需要同時(shí)考慮模型的預(yù)測(cè)精度和可解釋性，并盡量找到二者之間的最佳平衡，它不像傳統(tǒng)黑盒模型僅考慮預(yù)測(cè)精度這一單項(xiàng)指標(biāo)（如低MSE或高AUC）；它不僅能給出模型的預(yù)測(cè)值，還能給出得到該預(yù)測(cè)值的理由，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模型的安全、透明和公平等特性。

作者：索信達(dá)控股邵平楊健穎蘇思達(dá) 何悅蘇鈺

來(lái)源：大數(shù)據(jù)DT（ID：hzdashuju）

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，機(jī)器學(xué)習(xí)在提升產(chǎn)品銷(xiāo)售、輔助人類(lèi)決策的過(guò)程中能夠起到很大的作用，但是計(jì)算機(jī)通常不會(huì)解釋它們的預(yù)測(cè)結(jié)果。

我們?cè)谑褂脵C(jī)器學(xué)習(xí)模型時(shí)，常用的模型性能評(píng)價(jià)指標(biāo)有精度、查準(zhǔn)率、查全率、ROC曲線(xiàn)、代價(jià)曲線(xiàn)等。如果一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型表現(xiàn)得很好，我們是否就能信任這個(gè)模型而忽視決策的理由呢？答案是否定的。

模型的高性能意味著模型足夠智能和“聰明”，但這不足以讓我們了解它的運(yùn)作原理，因此我們需要賦予模型“表達(dá)能力”，這樣我們才能更加理解和信任模型。除了單一的性能評(píng)價(jià)之外，模型的評(píng)價(jià)還應(yīng)該增加一個(gè)維度，以表示模型的“表達(dá)能力”，可解釋性就是其中一個(gè)。

01 可解釋性的定義

解釋指的是用通俗易懂的語(yǔ)言進(jìn)行分析闡明或呈現(xiàn)。對(duì)于模型來(lái)說(shuō)，可解釋性指的是模型能用通俗易懂的語(yǔ)言進(jìn)行表達(dá)，是一種能被人類(lèi)理解的能力，具體地說(shuō)就是，能夠?qū)⒛Ｐ偷念A(yù)測(cè)過(guò)程轉(zhuǎn)化成具備邏輯關(guān)系的規(guī)則的能力。

可解釋性通常比較主觀，對(duì)于不同的人，解釋的程度也不一樣，很難用統(tǒng)一的指標(biāo)進(jìn)行度量。我們的目標(biāo)是希望機(jī)器學(xué)習(xí)模型能“像人類(lèi)一樣表達(dá)，像人類(lèi)一樣思考”，如果模型的解釋符合我們的認(rèn)知和思維方式，能夠清晰地表達(dá)模型從輸入到輸出的預(yù)測(cè)過(guò)程，那么我們就會(huì)認(rèn)為模型的可解釋性是好的。

在《機(jī)器學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)：黑盒模型正面臨這3個(gè)問(wèn)題》例舉的基金營(yíng)銷(xiāo)小場(chǎng)景中，雖然模型能夠判斷一個(gè)客戶(hù)有很大的可能性購(gòu)買(mǎi)低風(fēng)險(xiǎn)、低收益的產(chǎn)品，但是模型不能解釋客戶(hù)傾向于購(gòu)買(mǎi)低風(fēng)險(xiǎn)、低收益產(chǎn)品的更詳細(xì)的原因，因此也就無(wú)法提出對(duì)這個(gè)客戶(hù)來(lái)說(shuō)更有針對(duì)性的營(yíng)銷(xiāo)策略，從而導(dǎo)致?tīng)I(yíng)銷(xiāo)的效果不佳。

具備可解釋性的模型在做預(yù)測(cè)時(shí)，除了給出推薦的產(chǎn)品之外，還要能給出推薦的理由。例如，模型會(huì)推薦一個(gè)低收益產(chǎn)品的原因是，該客戶(hù)剛大學(xué)畢業(yè)，年紀(jì)還比較小，缺乏理財(cái)意識(shí)，金融知識(shí)也比較薄弱，盡管個(gè)人賬戶(hù)中金額不少，但是盲目推薦購(gòu)買(mǎi)高收益產(chǎn)品，可能會(huì)由于其風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)不足而導(dǎo)致更多的損失，因此可以通過(guò)一些簡(jiǎn)單的低風(fēng)險(xiǎn)理財(cái)產(chǎn)品，讓客戶(hù)先體驗(yàn)一下金融市場(chǎng)，培養(yǎng)客戶(hù)的理財(cái)興趣，過(guò)一段時(shí)間再購(gòu)買(mǎi)高收益的產(chǎn)品。

模型的可解釋性和模型的“表達(dá)能力”越強(qiáng)，我們?cè)诶媚Ｐ徒Y(jié)果進(jìn)行決策時(shí)便能達(dá)到更好的營(yíng)銷(xiāo)效果。

02 可解釋性的分類(lèi)

可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)的思想是在選擇模型時(shí)，同時(shí)考慮模型的預(yù)測(cè)精度和可解釋性，并盡量找到二者之間的最佳平衡。根據(jù)不同的使用場(chǎng)景和使用人員，我們大致可以將模型的可解釋性作以下分類(lèi)。

1. 內(nèi)在可解釋VS.事后可解釋

內(nèi)在可解釋（Intrinsic Interpretability）指的是模型自身結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，使用者可以清晰地看到模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，模型的結(jié)果帶有解釋的效果，模型在設(shè)計(jì)的時(shí)候就已經(jīng)具備了可解釋性。

如圖2-1所示，從決策樹(shù)的輸出結(jié)果中我們可以清楚地看到，兩個(gè)特征在不同取值的情況下，預(yù)測(cè)值存在差異。常見(jiàn)的內(nèi)在可解釋模型有邏輯回歸、深度較淺的決策樹(shù)模型（最多不超過(guò)4層）等。

▲圖2-1 決策樹(shù)結(jié)果

事后可解釋（Post-hoc Interpretability）指的是模型訓(xùn)練完之后，使用一定的方法增強(qiáng)模型的可解釋性，挖掘模型學(xué)習(xí)到的信息。

有的模型自身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用者很難從模型內(nèi)部知道結(jié)果的推理過(guò)程，模型的結(jié)果也不帶有解釋的語(yǔ)言，通常只是給出預(yù)測(cè)值，這時(shí)候模型是不具備可解釋性的。事后可解釋是指在模型訓(xùn)練完之后，通過(guò)不同的事后解析方法提升模型的可解釋性。

如圖2-2所示，利用事后解析的方法，可以對(duì)不同的模型識(shí)別結(jié)果給出不同的理由：根據(jù)吉他的琴頸識(shí)別出電吉他，根據(jù)琴箱識(shí)別出木吉他，根據(jù)頭部和腿部識(shí)別出拉布拉多。常用的事后解析方法有可視化、擾動(dòng)測(cè)試、代理模型等。

▲圖2-2 事后解釋?zhuān)篴. 原始圖片，b. 解釋為電吉他的原因，c. 解釋為木吉他的原因，d. 解釋為拉布拉多的原因（來(lái)源：論文“"Why Should I Trust You?"—Explaining the Predictions of Any Classifier”）

2. 局部解釋VS.全局解釋

對(duì)于模型使用者來(lái)說(shuō)，不同場(chǎng)景對(duì)解釋的需求也有所不同。對(duì)于整個(gè)數(shù)據(jù)集而言，我們需要了解整體的預(yù)測(cè)情況；對(duì)于個(gè)體而言，我們需要了解特定個(gè)體中預(yù)測(cè)的差異情況。

局部解釋指的是當(dāng)一個(gè)樣本或一組樣本的輸入值發(fā)生變化時(shí)，解釋其預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)發(fā)生怎樣的變化。

例如，在銀行風(fēng)控系統(tǒng)中，我們需要找到違規(guī)的客戶(hù)具備哪個(gè)或哪些特征，進(jìn)而按圖索驥，找到潛在的違規(guī)客戶(hù)；當(dāng)賬戶(hù)金額發(fā)生變化時(shí)，違規(guī)的概率會(huì)如何變化；在拒絕了客戶(hù)的信用卡申請(qǐng)后，我們也可以根據(jù)模型的局部解釋?zhuān)蜻@些客戶(hù)解釋拒絕的理由。

圖2-2展示的既是事后解釋?zhuān)彩且粋€(gè)局部解釋?zhuān)轻槍?duì)輸入的一張圖片作出的解釋。

全局解釋指的是整個(gè)模型從輸入到輸出之間的解釋?zhuān)瑥娜纸忉屩?，我們可以得到普遍?guī)律或統(tǒng)計(jì)推斷，理解每個(gè)特征對(duì)模型的影響。

例如，吸煙與肺癌相關(guān)，抽煙越多的人得肺癌的概率越高。全局解釋可以幫助我們理解基于特征的目標(biāo)分布，但一般很難獲得。

人類(lèi)能刻畫(huà)的空間不超過(guò)三維，一旦超過(guò)三維空間就會(huì)讓人感覺(jué)難以理解，我們很難用直觀的方式刻畫(huà)三維以上的聯(lián)合分布。因此一般的全局解釋都停留在三維以下，比如，加性模型（Additive Model）需要在保持其他特征不變的情況下，觀察單個(gè)特征與目標(biāo)變量的關(guān)系；樹(shù)模型則是將每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的路徑解釋為產(chǎn)生葉節(jié)點(diǎn)結(jié)果的規(guī)則。

3. 可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)的研究方向

可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)為模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)提供了新的角度，模型設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)模型或優(yōu)化模型時(shí)，應(yīng)該從精度和解釋性兩個(gè)角度進(jìn)行考慮。

圖2-3所示的是可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)中模型精度和模型可解釋性的關(guān)系，由香港大學(xué)張愛(ài)軍教授提出，在學(xué)術(shù)界廣為流傳，圖2-3中的橫軸代表模型的可解釋性，越往正方向，代表模型的可解釋性越高；縱軸代表模型的精度，越往正方向，代表模型的精度越高。

▲圖2-3 可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)：模型精度和模型可解釋性的關(guān)系（圖片來(lái)源：?香港大學(xué)張愛(ài)軍博士）

針對(duì)模型評(píng)價(jià)的兩個(gè)指標(biāo)，可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)有兩大研究方向，具體說(shuō)明如下。

第一，對(duì)于傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型（比如決策樹(shù)、邏輯回歸、線(xiàn)性回歸等），模型的可解釋性較強(qiáng)，我們?cè)谑褂媚Ｐ蜁r(shí)可以清楚地看到模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，結(jié)果具有很高的可解釋性。

然而一般情況下，這些模型的精度較低，在一些信噪比較高（信號(hào)強(qiáng)烈，噪聲較少）的領(lǐng)域，擬合效果沒(méi)有當(dāng)下的機(jī)器學(xué)習(xí)模型高。

在保持模型的可解釋性前提下，我們可以適當(dāng)?shù)馗牧寄Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)，通過(guò)增加模型的靈活表征能力，提高其精度，使得模型往縱軸正方向移動(dòng)，形成內(nèi)在可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)模型。比如，保持模型的加性性質(zhì)，同時(shí)從線(xiàn)性擬合拓展到非線(xiàn)性擬合，GAMI-Net、EBM模型均屬于內(nèi)在可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

第二，當(dāng)下的機(jī)器學(xué)習(xí)模型（比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，我們難以通過(guò)逐層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或逐個(gè)神經(jīng)元觀察數(shù)據(jù)的變化，在一些信噪比較低（信號(hào)較弱，噪聲強(qiáng)）的領(lǐng)域，我們很容易把噪聲也擬合進(jìn)去，不易發(fā)現(xiàn)其中的錯(cuò)誤，模型的可解釋性較低。

為了提高模型的可解釋性，我們可以采用以下兩種方法：

降低模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，如減少樹(shù)模型的深度，以犧牲模型的精度換取可解釋性；
保持模型原有的精度，在模型訓(xùn)練完之后，利用事后輔助的歸因解析方法及可視化工具，來(lái)獲得模型的可解釋性。

無(wú)論采用哪一種方法，其目的都是讓模型往橫軸的正方向移動(dòng)，獲取更多的可解釋性。LIME和SHAP等方法均屬于事后解析方法。

可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)的研究在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都引發(fā)了熱烈的反響，發(fā)表的文章和落地應(yīng)用逐年增長(zhǎng)。無(wú)論是哪一個(gè)研究方向，可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)研究的最終目的都是：

在保證高水平學(xué)習(xí)表現(xiàn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更具可解釋性的模型；
讓我們更理解、信任并有效地使用模型。

關(guān)于作者：邵平，資深數(shù)據(jù)科學(xué)家，索信達(dá)控股金融AI實(shí)驗(yàn)室總監(jiān)。在大數(shù)據(jù)、人工智能領(lǐng)域有十多年技術(shù)研發(fā)和行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。技術(shù)方向涉及可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、時(shí)間序列預(yù)測(cè)、智能推薦、自然語(yǔ)言處理等?，F(xiàn)主要致力于可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)、推薦系統(tǒng)、銀行智能營(yíng)銷(xiāo)和智能風(fēng)控等領(lǐng)域的技術(shù)研究和項(xiàng)目實(shí)踐。

楊健穎，云南財(cái)經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)碩士，高級(jí)數(shù)據(jù)挖掘工程師，一個(gè)對(duì)數(shù)據(jù)科學(xué)有堅(jiān)定信念的追求者，目前重點(diǎn)研究機(jī)器學(xué)習(xí)模型的可解釋性。

蘇思達(dá)，美國(guó)天普大學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)碩士，機(jī)器學(xué)習(xí)算法專(zhuān)家，長(zhǎng)期為銀行提供大數(shù)據(jù)與人工智能解決方案和技術(shù)服務(wù)。主要研究方向?yàn)榭山忉寵C(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能，曾撰寫(xiě)《可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)研究報(bào)告》和多篇可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)文章。

本文摘編自《可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)：模型、方法與實(shí)踐》，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。（ISBN：9787111695714）

延伸閱讀《可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)：模型、方法與實(shí)踐》

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