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目前，深度神經網絡廣泛應用于醫療、自動駕駛汽車、軍事等直接影響人類生活的關鍵任務系統。然而，深度神經網絡的黑箱特性對其在關鍵任務應用中的應用提出了挑戰，引發了道德和司法方面的擔憂，導致信任缺失。可解釋人工智能(XAI)是人工智能(AI)的一個領域，它促進了一套工具、技術和算法，可以生成高質量的可解釋的、直觀的、人類可以理解的人工智能決策解釋。除了在深度學習中提供當前XAI景觀的整體視圖外，本文還提供了開創性工作的數學總結。首先，我們根據XAI技術的解釋范圍、算法背后的方法論以及有助于構建可信、可解釋和自解釋的深度學習模型的解釋級別或用法，提出了一種分類和分類方法。然后，我們描述了在XAI研究中使用的主要原則，并給出了2007年至2020年XAI里程碑式研究的歷史時間表。在詳細解釋了每一類算法和方法之后，我們對8種XAI算法在圖像數據上生成的解釋圖進行了評估，討論了該方法的局限性，并為進一步改進XAI評估提供了潛在的方向。

基于人工智能(AI)的算法，尤其是使用深度神經網絡的算法，正在改變人類完成現實任務的方式。近年來，機器學習(ML)算法在科學、商業和社會工作流的各個方面的自動化應用出現了激增。這種激增的部分原因是ML領域(被稱為深度學習(DL))研究的增加，在深度學習中，數千(甚至數十億)個神經元參數被訓練用于泛化執行特定任務。成功使用DL算法在醫療(Torres2018, Lee2019, Chen2020)、眼科(Sayres2019、Das2019 Son2020],發育障礙(MohammadianRad2018、Heinsfeld2018 Silva2020Temporal],在自主機器人和車輛(You2019、Grigorescu2019 Feng2020],在圖像處理的分類和檢測[Sahba2018 Bendre2020Human], 在語音和音頻處理(Boles2017, Panwar2017),網絡安全(Parra2020Detecting, Chacon2019Deep), 還有更多DL算法在我們日常生活中被成功應用。

深度神經網絡中大量的參數使其理解復雜，不可否認地更難解釋。不管交叉驗證的準確性或其他可能表明良好學習性能的評估參數如何，深度學習(DL)模型可能天生就能從人們認為重要的數據中學習表示，也可能無法從這些數據中學習表示。解釋DNNs所做的決策需要了解DNNs的內部運作，而非人工智能專家和更專注于獲得準確解決方案的最終用戶則缺乏這些知識。因此，解釋人工智能決策的能力往往被認為是次要的，以達到最先進的結果或超越人類水平的準確性。

對XAI的興趣，甚至來自各國政府，特別是歐洲通用數據保護條例(GDPR) [AIHLEG2019]的規定，顯示出AI的倫理[Cath2017, Keskinbora2019, Etzioni2017, Bostrom2014, stahl2018ethics]， trust [Weld2019, Lui2018, Hengstler2016]， bias [Chen2019Hidden, Challen2019, Sinz2019, Osoba2017]的重要實現，以及對抗性例子[Kurakin2016, Goodfellow2015, Su2019, Huang2017]在欺騙分類器決策方面的影響。在[Miller2019]， Miller等人描述了好奇心是人們要求解釋具體決策的主要原因之一。另一個原因可能是為了促進更好的學習——重塑模型設計并產生更好的結果。每種解釋都應該在相似的數據點上保持一致，并且隨著時間的推移對同一數據點產生穩定或相似的解釋[Sokol2020]。解釋應該使人工智能算法表達，以提高人類的理解能力，提高決策的信心，并促進公正和公正的決策。因此，為了在ML決策過程中保持透明度、信任和公平性，ML系統需要一個解釋或可解釋的解決方案。

解釋是一種驗證人工智能代理或算法的輸出決策的方法。對于一個使用顯微圖像的癌癥檢測模型，解釋可能意味著一個輸入像素的地圖，這有助于模型輸出。對于語音識別模型，解釋可能是特定時間內的功率譜信息對當前輸出決策的貢獻較大。解釋也可以基于參數或激活的訓練模型解釋或使用代理，如決策樹或使用梯度或其他方法。在強化學習算法的背景下，一個解釋可能會給出為什么一個代理做了一個特定的決定。然而，可解釋和可解釋的人工智能的定義通常是通用的，可能會引起誤解[Rudin2019]，應該整合某種形式的推理[Doran2018]。

AI模型的集合，比如決策樹和基于規則的模型，本質上是可解釋的。但是，與深度學習模型相比，存在可解釋性與準確性權衡的缺點。本文討論了研究人員解決深度學習算法可解釋性問題的不同方法和觀點。如果模型參數和體系結構是已知的，方法可以被有效地使用。然而，現代基于api的人工智能服務帶來了更多的挑戰，因為該問題的相對“黑箱”(Castelvecchi2016)性質，即終端用戶只掌握提供給深度學習模型的輸入信息，而不是模型本身。

在這個綜述中，我們提供了一個可解釋算法的全面概述，并將重要事件的時間軸和研究出版物劃分為三個定義完好的分類，如圖1所示。不像許多其他的綜述，只分類和總結在一個高水平上發表的研究，我們提供額外的數學概述和算法的重大工作在XAI領域。調查中提出的算法被分成三個定義明確的類別，下面將詳細描述。文獻中提出的各種評價XAI的技術也進行了討論，并討論了這些方法的局限性和未來的發展方向。

我們的貢獻可以概括如下:

• 為了系統地分析深度學習中可解釋和可解釋的算法，我們將XAI分類為三個定義明確的類別，以提高方法的清晰度和可訪問性。

• 我們審查，總結和分類的核心數學模型和算法，最近XAI研究提出的分類，并討論重要工作的時間。

• 我們生成并比較了八種不同XAI算法的解釋圖，概述了這種方法的局限性，并討論了使用深度神經網絡解釋來提高信任、透明度、偏差和公平的未來可能的方向。

主題： Opportunities and Challenges in Explainable Artificial Intelligence (XAI): A Survey

摘要： 如今，深度神經網絡已廣泛應用于對醫療至關重要的任務關鍵型系統，例如醫療保健，自動駕駛汽車和軍事領域，這些系統對人類生活產生直接影響。然而，深層神經網絡的黑匣子性質挑戰了其在使用中的關鍵任務應用，引發了引起信任不足的道德和司法問題。可解釋的人工智能（XAI）是人工智能（AI）的一個領域，它促進了一系列工具，技術和算法的產生，這些工具，技術和算法可以生成對AI決策的高質量，可解釋，直觀，人類可理解的解釋。除了提供有關深度學習當前XAI格局的整體視圖之外，本文還提供了開創性工作的數學總結。我們首先提出分類法，然后根據它們的解釋范圍，算法背后的方法，解釋級別或用法對XAI技術進行分類，這有助于建立可信賴，可解釋且自解釋的深度學習模型。然后，我們描述了XAI研究中使用的主要原理，并介紹了2007年至2020年XAI界標研究的歷史時間表。在詳細解釋了每種算法和方法之后，我們評估了八種XAI算法對圖像數據生成的解釋圖，討論了其局限性方法，并提供潛在的未來方向來改進XAI評估。

知識圖譜封裝了實體和關系。知識圖譜的簡潔表示格式和圖的特性使得許多新的Web應用程序得以創建，并增強了現有的應用性能。然而，在一個知識圖譜中，描述一個實體的幾十個或幾百個事實可能會超出一個典型用戶界面的能力，并使用戶超載過多的信息。這激發了對實體摘要的富有成果的研究——為實體自動生成緊湊的摘要，以高效和有效地滿足用戶的信息需求。例如，在其搜索結果頁面右側，谷歌通過選擇和顯示用戶可能正在搜索的特定實體的一些事實，為其知識圖中的實體提供“最佳摘要”。

近年來，研究人員通過提出從純粹的排序和挖掘技術到機器和深度學習技術等各種方法，對這個問題做出了貢獻。技術水平不斷提高，同時也使社區和新來者很難跟上該領域最近和過去的貢獻。此外，盡管知識圖譜在學術界和產業界越來越流行，但迄今為止還沒有對該問題領域的最新趨勢和基本構件進行教育和討論。本教程的目的就是填補這一空白。

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【導讀】國際萬維網大會（The Web Conference，簡稱WWW會議）是由國際萬維網會議委員會發起主辦的國際頂級學術會議，創辦于1994年，每年舉辦一屆，是CCF-A類會議。WWW 2020將于2020年4月20日至4月24日在中國臺灣臺北舉行。由于疫情影響，這次會議在線上舉行，本屆會議共收到了1129篇長文投稿，錄用217篇長文，錄用率為19.2%。小編推薦一份圖深度學習-圖神經網絡教程，預覽版可以查看。

從圖數據和關系數據中學習在許多應用中起著重要的作用，包括社交網絡分析、市場營銷、電子商務、信息檢索、知識建模、醫學和生物科學、工程等。在過去的幾年里，圖神經網絡(GNNs)已經成為一種很有前途的新型監督學習框架，能夠將深度表示學習的能力引入到圖和關系數據中。越來越多的研究表明，GNNs在鏈路預測、欺詐檢測、目標配體結合活性預測、知識圖譜補全和產品推薦等方面的性能達到了最新水平。

本教程的目標有兩個。首先，它將概述GNN背后的理論，討論GNN非常適合的問題類型，并介紹一些最廣泛使用的GNN模型體系結構和設計用來解決的問題/應用程序。其次，它將引入深度圖庫(Deep Graph Library, DGL)，這是一種新的軟件框架，簡化了高效的基于GNN的訓練和推理程序的開發。為了使事情更具體，本教程將提供使用DGL的實踐會話。這個實踐部分將涵蓋基本的圖形應用程序(例如，節點分類和鏈接預測)，以及更高級的主題，包括在大型圖和分布式設置中訓練GNN。此外，它還將提供使用GNNs和DGL進行實際應用(如推薦和欺詐檢測)的實踐教程。

• 第1節:圖神經網絡概述。本節描述了圖神經網絡是如何運作的，它們的基本理論，以及它們相對于其他圖學習方法的優勢。此外，它還描述了圖形上的各種學習問題，并展示了如何使用GNNs來解決這些問題。

• 第2節:深度圖庫(DGL)概述。本節描述DGL提供的不同的抽象和api，這些抽象和api旨在簡化GNN模型的實現，并解釋DGL如何與MXNet、Pytorch和TensorFlow進行接口。然后介紹DGL的消息傳遞API，該API可用于開發任意復雜的GNNs和它提供的預定義GNN nn模塊。

• 第3節:基本圖任務的GNN模型。本節演示如何使用GNNs解決四個關鍵的圖數據學習任務:節點分類、鏈接預測、圖數據分類和網絡嵌入前訓練。它將展示如何使用DGL的nn模塊實現一個流行的GNN模型GraphSage，并展示如何在不同類型的下游任務中使用由GraphSage計算出的節點嵌入。此外，本文還將演示使用DGL的消息傳遞接口實現定制的GNN模型。

• 第4節:大型圖的GNN訓練。本節使用第3節中描述的一些模型來演示DGL中的微型批處理訓練、多GPU訓練和分布式訓練。它首先描述了mini-batch訓練的概念如何應用于GNN，以及如何通過使用各種抽樣技術來加速mini-batch計算。接下來將舉例說明一種稱為鄰接抽樣的抽樣技術，如何使用木星筆記本在DGL中實現。然后將該筆記本擴展為多GPU訓練和分布式訓練。

• 第5節:實際應用的GNN模型。本節使用前面幾節中描述的技術，展示如何使用GNNs開發用于推薦和欺詐檢測的可伸縮解決方案。在推薦方面，本文提出了一種基于最近鄰的項目推薦方法，該方法通過采用端到端的學習方法，利用GNN模型學習項目嵌入。對于欺詐檢測，它擴展了上一節中的節點分類模型，以處理異構圖，并解決了標記樣本很少的情況。

【導讀】2020 年 2 月 7 日-2 月 12 日，AAAI 2020 于美國紐約舉辦。AAAI2020關于可解釋人工智能的Tutorial引起了人們極大的關注，這場Tutorial詳細闡述了解釋黑盒機器學習模型的術語概念以及相關方法，涵蓋基礎、工業應用、實際挑戰和經驗教訓，是構建可解釋模型的重要指南.

可解釋AI：基礎、工業應用、實際挑戰和經驗教訓

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地址： //xaitutorial2020.github.io/

Tutorial 目標 本教程的目的是為以下問題提供答案:

• 什么是可解釋的AI (XAI)

  • 什么是可解釋的AI(簡稱XAI) ?，人工智能社區(機器學習、邏輯學、約束編程、診斷)的各種流有什么解釋?解釋的度量標準是什么?

• 我們為什么要關心?

  • 為什么可解釋的AI很重要?甚至在某些應用中至關重要?闡述人工智能系統的動機是什么?

• 哪里是關鍵?

  • 在大規模部署人工智能系統時，真正需要解釋的實際應用是什么?

• 它是如何工作的?

  • 在計算機視覺和自然語言處理中，最先進的解釋技術是什么?對于哪種數據格式、用例、應用程序、行業，什么有效，什么沒有效?

• 我們學到了什么?

  • 部署現有XAI系統的經驗教訓和局限性是什么?在向人類解釋的過程中?

• 下一個是什么?

  • 未來的發展方向是什么?

概述

人工智能的未來在于讓人們能夠與機器合作解決復雜的問題。與任何有效的協作一樣，這需要良好的溝通、信任、清晰和理解。XAI(可解釋的人工智能)旨在通過結合象征性人工智能和傳統機器學習來解決這些挑戰。多年來，所有不同的AI社區都在研究這個主題，它們有不同的定義、評估指標、動機和結果。

本教程簡要介紹了XAI迄今為止的工作，并調查了AI社區在機器學習和符號化AI相關方法方面所取得的成果。我們將激發XAI在現實世界和大規模應用中的需求，同時展示最先進的技術和最佳實踐。在本教程的第一部分，我們將介紹AI中解釋的不同方面。然后，我們將本教程的重點放在兩個特定的方法上: (i) XAI使用機器學習和 (ii) XAI使用基于圖的知識表示和機器學習的組合。對于這兩種方法，我們將詳細介紹其方法、目前的技術狀態以及下一步的限制和研究挑戰。本教程的最后一部分概述了XAI的實際應用。

Freddy Lecue博士是加拿大蒙特利爾泰勒斯人工智能技術研究中心的首席人工智能科學家。他也是法國索菲亞安提波利斯溫姆斯的INRIA研究所的研究員。在加入泰雷茲新成立的人工智能研發實驗室之前，他曾于2016年至2018年在埃森哲愛爾蘭實驗室擔任人工智能研發主管。在加入埃森哲之前，他是一名研究科學家，2011年至2016年在IBM research擔任大規模推理系統的首席研究員，2008年至2011年在曼徹斯特大學(University of Manchester)擔任研究員，2005年至2008年在Orange Labs擔任研究工程師。

目錄與內容

第一部分: 介紹和動機

人工智能解釋的入門介紹。這將包括從理論和應用的角度描述和激發對可解釋的人工智能技術的需求。在這一部分中，我們還總結了先決條件，并介紹了本教程其余部分所采用的不同角度。

第二部分: 人工智能的解釋(不僅僅是機器學習!)

人工智能各個領域(優化、知識表示和推理、機器學習、搜索和約束優化、規劃、自然語言處理、機器人和視覺)的解釋概述，使每個人對解釋的各種定義保持一致。還將討論可解釋性的評估。本教程將涵蓋大多數定義，但只深入以下領域: (i) 可解釋的機器學習，(ii) 可解釋的AI與知識圖和機器學習。

第三部分: 可解釋的機器學習(從機器學習的角度)

在本節中，我們將處理可解釋的機器學習管道的廣泛問題。我們描述了機器學習社區中解釋的概念，接著我們描述了一些流行的技術，主要是事后解釋能力、設計解釋能力、基于實例的解釋、基于原型的解釋和解釋的評估。本節的核心是分析不同類別的黑盒問題，從黑盒模型解釋到黑盒結果解釋。

第四部分: 可解釋的機器學習(從知識圖譜的角度)

在本教程的這一節中，我們將討論將基于圖形的知識庫與機器學習方法相結合的解釋力。

第五部分: XAI工具的應用、經驗教訓和研究挑戰

我們將回顧一些XAI開源和商業工具在實際應用中的例子。我們關注一些用例:i)解釋自動列車的障礙檢測;ii)具有內置解釋功能的可解釋航班延誤預測系統;(三)基于知識圖譜的語義推理，對企業項目的風險層進行預測和解釋的大范圍合同管理系統;iv)識別、解釋和預測500多個城市大型組織員工異常費用報銷的費用系統;v)搜索推薦系統說明;vi)解釋銷售預測;(七)貸款決策說明;viii)解釋欺詐檢測。

【導讀】人工智能領域的國際頂級會議 AAAI 2019 即將于 1 月 27 日至 2 月 1 日在美國夏威夷舉行。AAAI2019第一天的關于可解釋人工智能的Tutorial引起了人們極大的關注，這場Tutorial詳細闡述了解釋黑盒機器學習模型的術語概念以及相關方法，是構建可解釋模型的重要指南.

AI系統--我如何信任它們？

在現實生活中，每一個決策，無論是由機器還是低級員工又或是首席執行官做出的，為了達到提高整體的業務水平的目的，都要通過定期的審查，來解釋他們的決定。這就產生了人工智能的新興分支，稱為“可解釋的人工智能”(XAI)。

什么是可解釋的AI(XAI)?

XAI是人工智能的一個新興分支，用于解釋人工智能所做出的每一個決策背后的邏輯。下圖是對一個完整AI決策流程的簡單描述。

AAAI 2019 tutorial: 可解釋AI –從理論到動機，應用和局限性

一、本教程希望為以下問題提供答案:

1. 什么是可解釋的AI (XAI)?

   什么是可解釋的AI(簡稱XAI)，即人工智能社區的各種流程 (Machine Learning, Logics, Constraint Programming, Diagnostics)的解釋是什么?解釋的度量標準是什么?
   

2. 我們為什么要在意?

   為什么可解釋的人工智能很重要?甚至在某些應用中至關重要?解釋人工智能系統的動機是什么?

3. 它在哪里至關重要？

   在現實世界中，哪些應用程序需要解釋如何大規模部署AI系統?
   

4. 它是如何工作的?

   在計算機視覺和自然語言處理中，最前沿的解釋技術是什么?對于哪種數據格式、用例、應用程序、行業，哪些方法效果好，哪些方法效果不好?

5. 我們學到了什么?

   部署現有可解釋AI系統的經驗教訓和局限性是什么?在向人類解釋的過程中學到了什么?
   

6. 接下來的發展是什么?

   可解釋AI未來的發展方向是什么?

二、概述

人工智能的未來在于使人們能夠與機器協作解決復雜的問題。與任何有效的協作一樣，這需要良好的溝通，信任，清晰和理解。 可解釋AI（XAI，eXplainable AI）旨在通過將符號人工智能與傳統機器學習的最佳結合來應對這些挑戰。多年來，人工智能的各個不同社區都在研究這一主題，它們有著不同的定義、評估指標、動機和結果。本教程簡要介紹了可解釋AI到目前為止的工作，并調研了人工智能社區在機器學習和符號人工智能相關方法方面所完成的工作。

在本教程的第一部分中，我們將介紹AI解釋的不同方面。然后我們將本教程的重點放在兩個具體的方法上：（i）使用機器學習的可解釋AI和（ii）使用基于圖（graph）的知識表示和機器學習結合的可解釋AI。對于這兩者，我們深入探討了該方法的具體細節，現有技術以及后續步驟的研究挑戰。本教程的最后一部分概述了可解釋AI的實際應用。

三、大綱

【介紹】

人工智能解釋的廣泛介紹。這將包括從理論和應用的角度描述和激發對可解釋AI技術的需求。在這一部分中，我們還總結了先決條件，并介紹了本教程其余部分所采用的不同視角。

【可解釋AI】

人工智能的各個領域（優化，知識表示和推理，機器學習，搜索和約束優化，規劃，自然語言處理，機器人和視覺）的解釋概述，使每個人對解釋的不同定義保持一致。本教程將涵蓋大多數定義，但只會深入以下領域:(i)可解釋的機器學習，(ii)具有知識圖和ML的可解釋AI。

【可解釋機器學習】

在本節中，我們將解決可解釋的機器學習pipeline的廣泛問題。我們描述了機器學習社區中可解釋性的概念，并通過描述一些流行的可解釋性模型來繼續。本節的核心是對不同類別的黑箱問題進行分析，從黑箱模型講解到黑箱結果講解，最后是黑箱檢查。

【用知識圖譜和ML解釋AI】

在本教程的這一部分中，我們將從兩個不同的角度闡述基于圖的知識庫的解釋力:

用語義網和邏輯解釋AI

我們展示了支持語義web的模式豐富的、基于圖的知識表示范式是如何實現有效解釋的。本節還將重點介紹從大型異構知識庫中表示和推斷有效解釋的邏輯和推理方法。

基于知識圖譜的機器學習

在本節中，我們將重點討論知識圖嵌入模型，即將知識圖中的概念編碼為連續低維向量的神經架構。這些模型已經被證明對許多機器學習任務有效，特別是知識庫的完成。我們解釋了這些模型的基本原理和架構，并從它們的不可預測性以及如何增強第三方模型的可解釋性的角度對它們進行了考察。

【應用】

我們展示了應用解釋技術的真實示例。我們關注一些使用案例：i)具有內置解釋功能的可解釋的航班延誤預測系統; ii)基于知識圖的語義推理，預測和解釋企業項目風險層次的大范圍合同管理系統;iii) 500多個城市的大型組織員工異常報銷的識別、解釋和預測的費用體系。

Tutorial的講者

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講座題目

工業中可解釋的人工智能：Fake News Research: Theories, Detection Strategies, and Open Problems

講座簡介

人工智能在決定我們的日常經驗方面越來越發揮著不可或缺的作用。此外，隨著基于人工智能的解決方案在招聘、借貸、刑事司法、醫療和教育等領域的普及，人工智能對個人和職業的影響是深遠的。人工智能模型在這些領域發揮的主導作用導致人們越來越關注這些模型中可能存在的偏見，以及對模型透明度和可解釋性的需求。此外，模型可解釋性是在需要可靠性和安全性的高風險領域（如醫療保健和自動化運輸）和具有重大經濟意義的關鍵工業應用（如預測性維護、自然資源勘探和氣候變化模型。 因此，人工智能研究者和實踐者把注意力集中在可解釋的人工智能上，以幫助他們更好地信任和理解大規模的模型。研究界面臨的挑戰包括（i）定義模型可解釋性，（ii）制定可解釋性任務以理解模型行為并為這些任務制定解決方案，最后（iii）設計評估模型在可解釋性任務中的性能的措施。 在本教程中，我們將概述人工智能中模型的可解釋性和可解釋性、關鍵法規/法律以及作為人工智能/建模語言系統一部分提供可解釋性的技術/工具。然后，我們將重點關注可解釋性技術在工業中的應用，其中我們提出了有效使用可解釋性技術的實際挑戰/指導方針，以及為多個web規模的機器學習和數據挖掘應用部署可解釋模型的經驗教訓。我們將介紹跨不同公司的案例研究，涉及招聘、銷售、貸款和欺詐檢測等應用領域。最后，根據我們在行業中的經驗，我們將確定數據挖掘/機器學習社區的開放性問題和研究方向。

講座嘉賓

Krishna Gade是Fiddler Labs的創始人兼首席執行官，Fiddler Labs是一家企業初創企業，它構建了一個可解釋的人工智能引擎，以解決人工智能中有關偏見、公平性和透明度的問題。克里希納是一位企業家和工程領袖，在創建可擴展平臺和令人愉悅的消費品方面有著豐富的技術經驗，他曾在Facebook、Pinterest、Twitter和微軟擔任高級工程領導職務。他曾多次應邀在著名的從業人員論壇上發表演講，包括在2019年的Strata Data Conference上就解決人工智能中的偏見、公平性和透明度問題發表演講.