Recent developments in the methods of explainable AI (XAI) methods allow researchers to explore the inner workings of deep neural networks (DNNs), revealing crucial information about input-output relationships and realizing how data connects with machine learning models. In this paper we explore interpretability of DNN models designed to identify jets coming from top quark decay in high energy proton-proton collisions at the Large Hadron Collider (LHC). We review a subset of existing top tagger models and explore different quantitative methods to identify which features play the most important roles in identifying the top jets. We also investigate how and why feature importance varies across different XAI metrics, how feature correlations impact their explainability, and how latent space representations encode information as well as correlate with physically meaningful quantities. Our studies uncover some major pitfalls of existing XAI methods and illustrate how they can be overcome to obtain consistent and meaningful interpretation of these models. We additionally illustrate the activity of hidden layers as Neural Activation Pattern (NAP) diagrams and demonstrate how they can be used to understand how DNNs relay information across the layers and how this understanding can help to make such models significantly simpler by allowing effective model reoptimization and hyperparameter tuning. By incorporating observations from the interpretability studies, we obtain state-of-the-art top tagging performance from augmented implementation of existing network

神经网络在高能量物理学研究中无处不在。但是，这些高度非线性的参数化函数被视为\ textit {black box} - 其内部运作以传达信息并构建所需的输入输出关系通常是棘手的。可解释的AI（XAI）方法可用于确定神经模型与数据的关系，以通过在输入与模型输出之间建立定量和可拖动的关系来使其与数据\ TextIt {cundinal {ablesable}。在这封信中，我们探讨了在高能量物理学问题的背景下使用XAI方法的潜力。

The findable, accessible, interoperable, and reusable (FAIR) data principles have provided a framework for examining, evaluating, and improving how we share data with the aim of facilitating scientific discovery. Efforts have been made to generalize these principles to research software and other digital products. Artificial intelligence (AI) models -- algorithms that have been trained on data rather than explicitly programmed -- are an important target for this because of the ever-increasing pace with which AI is transforming scientific and engineering domains. In this paper, we propose a practical definition of FAIR principles for AI models and create a FAIR AI project template that promotes adherence to these principles. We demonstrate how to implement these principles using a concrete example from experimental high energy physics: a graph neural network for identifying Higgs bosons decaying to bottom quarks. We study the robustness of these FAIR AI models and their portability across hardware architectures and software frameworks, and report new insights on the interpretability of AI predictions by studying the interplay between FAIR datasets and AI models. Enabled by publishing FAIR AI models, these studies pave the way toward reliable and automated AI-driven scientific discovery.

如今，人工智能（AI）已成为临床和远程医疗保健应用程序的基本组成部分，但是最佳性能的AI系统通常太复杂了，无法自我解释。可解释的AI（XAI）技术被定义为揭示系统的预测和决策背后的推理，并且在处理敏感和个人健康数据时，它们变得更加至关重要。值得注意的是，XAI并未在不同的研究领域和数据类型中引起相同的关注，尤其是在医疗保健领域。特别是，许多临床和远程健康应用程序分别基于表格和时间序列数据，而XAI并未在这些数据类型上进行分析，而计算机视觉和自然语言处理（NLP）是参考应用程序。为了提供最适合医疗领域表格和时间序列数据的XAI方法的概述，本文提供了过去5年中文献的审查，说明了生成的解释的类型以及为评估其相关性所提供的努力和质量。具体而言，我们确定临床验证，一致性评估，客观和标准化质量评估以及以人为本的质量评估作为确保最终用户有效解释的关键特征。最后，我们强调了该领域的主要研究挑战以及现有XAI方法的局限性。

我们描述了作为黑暗机器倡议和LES Houches 2019年物理学研讨会进行的数据挑战的结果。挑战的目标是使用无监督机器学习算法检测LHC新物理学的信号。首先，我们提出了如何实现异常分数以在LHC搜索中定义独立于模型的信号区域。我们定义并描述了一个大型基准数据集，由> 10亿美元的Muton-Proton碰撞，其中包含> 10亿美元的模拟LHC事件组成。然后，我们在数据挑战的背景下审查了各种异常检测和密度估计算法，我们在一组现实分析环境中测量了它们的性能。我们绘制了一些有用的结论，可以帮助开发无监督的新物理搜索在LHC的第三次运行期间，并为我们的基准数据集提供用于HTTPS://www.phenomldata.org的未来研究。重现分析的代码在https://github.com/bostdiek/darkmachines-unsupervisedChallenge提供。

人工智能（AI）和机器学习（ML）在网络安全挑战中的应用已在行业和学术界的吸引力，部分原因是对关键系统（例如云基础架构和政府机构）的广泛恶意软件攻击。入侵检测系统（IDS）使用某些形式的AI，由于能够以高预测准确性处理大量数据，因此获得了广泛的采用。这些系统托管在组织网络安全操作中心（CSOC）中，作为一种防御工具，可监视和检测恶意网络流，否则会影响机密性，完整性和可用性（CIA）。 CSOC分析师依靠这些系统来决定检测到的威胁。但是，使用深度学习（DL）技术设计的IDS通常被视为黑匣子模型，并且没有为其预测提供理由。这为CSOC分析师造成了障碍，因为他们无法根据模型的预测改善决策。解决此问题的一种解决方案是设计可解释的ID（X-IDS）。这项调查回顾了可解释的AI（XAI）的最先进的ID，目前的挑战，并讨论了这些挑战如何涉及X-ID的设计。特别是，我们全面讨论了黑匣子和白盒方法。我们还在这些方法之间的性能和产生解释的能力方面提出了权衡。此外，我们提出了一种通用体系结构，该建筑认为人类在循环中，该架构可以用作设计X-ID时的指南。研究建议是从三个关键观点提出的：需要定义ID的解释性，需要为各种利益相关者量身定制的解释以及设计指标来评估解释的需求。

可解释的人工智能（XAI）的新兴领域旨在为当今强大但不透明的深度学习模型带来透明度。尽管本地XAI方法以归因图的形式解释了个体预测，从而确定了重要特征的发生位置（但没有提供有关其代表的信息），但全局解释技术可视化模型通常学会的编码的概念。因此，两种方法仅提供部分见解，并留下将模型推理解释的负担。只有少数当代技术旨在将本地和全球XAI背后的原则结合起来，以获取更多信息的解释。但是，这些方法通常仅限于特定的模型体系结构，或对培训制度或数据和标签可用性施加其他要求，这实际上使事后应用程序成为任意预训练的模型。在这项工作中，我们介绍了概念相关性传播方法（CRP）方法，该方法结合了XAI的本地和全球观点，因此允许回答“何处”和“ where”和“什么”问题，而没有其他约束。我们进一步介绍了相关性最大化的原则，以根据模型对模型的有用性找到代表性的示例。因此，我们提高了对激活最大化及其局限性的共同实践的依赖。我们证明了我们方法在各种环境中的能力，展示了概念相关性传播和相关性最大化导致了更加可解释的解释，并通过概念图表，概念组成分析和概念集合和概念子区和概念子区和概念子集和定量研究对模型的表示和推理提供了深刻的见解。它们在细粒度决策中的作用。

在2015年和2019年之间，地平线的成员2020年资助的创新培训网络名为“Amva4newphysics”，研究了高能量物理问题的先进多变量分析方法和统计学习工具的定制和应用，并开发了完全新的。其中许多方法已成功地用于提高Cern大型Hadron撞机的地图集和CMS实验所执行的数据分析的敏感性;其他几个人，仍然在测试阶段，承诺进一步提高基本物理参数测量的精确度以及新现象的搜索范围。在本文中，在研究和开发的那些中，最相关的新工具以及对其性能的评估。

Choosing which properties of the data to use as input to multivariate decision algorithms -- a.k.a. feature selection -- is an important step in solving any problem with machine learning. While there is a clear trend towards training sophisticated deep networks on large numbers of relatively unprocessed inputs (so-called automated feature engineering), for many tasks in physics, sets of theoretically well-motivated and well-understood features already exist. Working with such features can bring many benefits, including greater interpretability, reduced training and run time, and enhanced stability and robustness. We develop a new feature selection method based on Distance Correlation (DisCo), and demonstrate its effectiveness on the tasks of boosted top- and $W$-tagging. Using our method to select features from a set of over 7,000 energy flow polynomials, we show that we can match the performance of much deeper architectures, by using only ten features and two orders-of-magnitude fewer model parameters.

尽管有无数的同伴审查的论文，证明了新颖的人工智能（AI）基于大流行期间的Covid-19挑战的解决方案，但很少有临床影响。人工智能在Covid-19大流行期间的影响因缺乏模型透明度而受到极大的限制。这种系统审查考察了在大流行期间使用可解释的人工智能（Xai）以及如何使用它可以克服现实世界成功的障碍。我们发现，Xai的成功使用可以提高模型性能，灌输信任在最终用户，并提供影响用户决策所需的值。我们将读者介绍给常见的XAI技术，其实用程序以及其应用程序的具体例子。 XAI结果的评估还讨论了最大化AI的临床决策支持系统的价值的重要步骤。我们说明了Xai的古典，现代和潜在的未来趋势，以阐明新颖的XAI技术的演变。最后，我们在最近出版物支持的实验设计过程中提供了建议的清单。潜在解决方案的具体示例也解决了AI解决方案期间的共同挑战。我们希望本次审查可以作为提高未来基于AI的解决方案的临床影响的指导。

除了机器学习（ML）模型的令人印象深刻的预测力外，最近还出现了解释方法，使得能够解释诸如深神经网络的复杂非线性学习模型。获得更好的理解尤其重要。对于安全 - 关键的ML应用或医学诊断等。虽然这种可解释的AI（XAI）技术对分类器达到了重大普及，但到目前为止对XAI的重点进行了很少的关注（Xair）。在这篇综述中，我们澄清了XAI对回归和分类任务的基本概念差异，为Xair建立了新的理论见解和分析，为Xair提供了真正的实际回归问题的示范，最后讨论了该领域仍然存在的挑战。

机器学习（ml）越来越多地用于通知高赌注决策。作为复杂的ML模型（例如，深神经网络）通常被认为是黑匣子，已经开发了丰富的程序，以阐明其内在的工作和他们预测来的方式，定义“可解释的AI”（ xai）。显着性方法根据“重要性”的某种尺寸等级等级。由于特征重要性的正式定义是缺乏的，因此难以验证这些方法。已经证明，一些显着性方法可以突出显示与预测目标（抑制变量）没有统计关联的特征。为了避免由于这种行为而误解，我们提出了这种关联的实际存在作为特征重要性的必要条件和客观初步定义。我们仔细制作了一个地面真实的数据集，其中所有统计依赖性都是明确的和线性的，作为研究抑制变量问题的基准。我们评估了关于我们的客观定义的常见解释方法，包括LRP，DTD，Patternet，图案化，石灰，锚，Shap和基于置换的方法。我们表明，大多数这些方法无法区分此设置中的抑制器的重要功能。

异构表格数据是最常用的数据形式，对于众多关键和计算要求的应用程序至关重要。在同质数据集上，深度神经网络反复显示出卓越的性能，因此被广泛采用。但是，它们适应了推理或数据生成任务的表格数据仍然具有挑战性。为了促进该领域的进一步进展，这项工作概述了表格数据的最新深度学习方法。我们将这些方法分为三组：数据转换，专业体系结构和正则化模型。对于每个小组，我们的工作提供了主要方法的全面概述。此外，我们讨论了生成表格数据的深度学习方法，并且还提供了有关解释对表格数据的深层模型的策略的概述。因此，我们的第一个贡献是解决上述领域中的主要研究流和现有方法，同时强调相关的挑战和开放研究问题。我们的第二个贡献是在传统的机器学习方法中提供经验比较，并在五个流行的现实世界中的十种深度学习方法中，具有不同规模和不同的学习目标的经验比较。我们已将作为竞争性基准公开提供的结果表明，基于梯度增强的树合奏的算法仍然大多在监督学习任务上超过了深度学习模型，这表明对表格数据的竞争性深度学习模型的研究进度停滞不前。据我们所知，这是对表格数据深度学习方法的第一个深入概述。因此，这项工作可以成为有价值的起点，以指导对使用表格数据深入学习感兴趣的研究人员和从业人员。

Artificial intelligence(AI) systems based on deep neural networks (DNNs) and machine learning (ML) algorithms are increasingly used to solve critical problems in bioinformatics, biomedical informatics, and precision medicine. However, complex DNN or ML models that are unavoidably opaque and perceived as black-box methods, may not be able to explain why and how they make certain decisions. Such black-box models are difficult to comprehend not only for targeted users and decision-makers but also for AI developers. Besides, in sensitive areas like healthcare, explainability and accountability are not only desirable properties of AI but also legal requirements -- especially when AI may have significant impacts on human lives. Explainable artificial intelligence (XAI) is an emerging field that aims to mitigate the opaqueness of black-box models and make it possible to interpret how AI systems make their decisions with transparency. An interpretable ML model can explain how it makes predictions and which factors affect the model's outcomes. The majority of state-of-the-art interpretable ML methods have been developed in a domain-agnostic way and originate from computer vision, automated reasoning, or even statistics. Many of these methods cannot be directly applied to bioinformatics problems, without prior customization, extension, and domain adoption. In this paper, we discuss the importance of explainability with a focus on bioinformatics. We analyse and comprehensively overview of model-specific and model-agnostic interpretable ML methods and tools. Via several case studies covering bioimaging, cancer genomics, and biomedical text mining, we show how bioinformatics research could benefit from XAI methods and how they could help improve decision fairness.

与此同时，在可解释的人工智能（XAI）的研究领域中，已经开发了各种术语，动机，方法和评估标准。随着XAI方法的数量大大增长，研究人员以及从业者以及从业者需要一种方法：掌握主题的广度，比较方法，并根据特定用例所需的特征选择正确的XAI方法语境。在文献中，可以找到许多不同细节水平和深度水平的XAI方法分类。虽然他们经常具有不同的焦点，但它们也表现出许多重叠点。本文统一了这些努力，并提供了XAI方法的分类，这是关于目前研究中存在的概念的概念。在结构化文献分析和元研究中，我们识别并审查了XAI方法，指标和方法特征的50多个最引用和最新的调查。总结在调查调查中，我们将文章的术语和概念合并为统一的结构化分类。其中的单一概念总计超过50个不同的选择示例方法，我们相应地分类。分类学可以为初学者，研究人员和从业者提供服务作为XAI方法特征和方面的参考和广泛概述。因此，它提供了针对有针对性的，用例导向的基础和上下文敏感的未来研究。

虽然数据驱动的材料科学和化学方法采用了令人兴奋的，早期的阶段，实现了机器学习模型的真正潜力，以实现科学发现，它们必须具有超出纯粹预测力的品质。模型的预测和内在工作应由人类专家提供一定程度的解释性，允许识别潜在的模型问题或限制，建立对模型预测的信任和揭示可能导致科学洞察力的意外相关性。在这项工作中，我们总结了对材料科学和化学的可解释性和解释性技术的应用，并讨论了这些技术如何改善科学研究的结果。我们讨论了材料科学中可解释机器学习的各种挑战，更广泛地在科学环境中。特别是，我们强调通过纯粹解释机器学习模型和模型解释的不确定性估计的不确定估计来强调推断因果关系或达到泛化的风险。最后，我们在其他领域展示了一些可能会使物质科学和化学问题的可解释性的令人兴奋的发展。

最近，在以结果为导向的预测过程监测（OOPPM）的领域进行了转变，以使用可解释的人工智能范式中的模型，但是评估仍然主要是通过基于绩效的指标来进行的，而不是考虑到启示性和缺乏可行性。解释。在本文中，我们通过解释的解释性（通过广泛使用的XAI属性和功能复杂性）和解释性模型的忠诚（通过单调性和分歧的水平）来定义解释性。沿事件，情况和控制流透视图分析了引入的属性，这些视角是基于过程的分析的典型代表。这允许定量比较，除其他外，固有地创建了用事后解释（例如Shapley值）（例如Shapley值）的固有创建的解释（例如逻辑回归系数）。此外，本文通过洞悉如何在OOPPM中典型的OOPPM中典型的变化预处理，模型的复杂性和事后解释性技术来撰写基于事件日志和手头的任务的准则，以根据事件日志规范和手头的任务选择适当的模型，以根据事件日志规范和手头任务选择适当的模型。影响模型的解释性。为此，我们在13个现实生活事件日志上基准了七个分类器。

在人类循环机器学习应用程序的背景下，如决策支持系统，可解释性方法应在不使用户等待的情况下提供可操作的见解。在本文中，我们提出了加速的模型 - 不可知论解释（ACME），一种可解释的方法，即在全球和本地层面迅速提供特征重要性分数。可以将acme应用于每个回归或分类模型的后验。 ACME计算功能排名不仅提供了一个什么，但它还提供了一个用于评估功能值的变化如何影响模型预测的原因 - 如果分析工具。我们评估了综合性和现实世界数据集的建议方法，同时也与福芙添加剂解释（Shap）相比，我们制作了灵感的方法，目前是最先进的模型无关的解释性方法。我们在生产解释的质量方面取得了可比的结果，同时急剧减少计算时间并为全局和局部解释提供一致的可视化。为了促进该领域的研究，为重复性，我们还提供了一种存储库，其中代码用于实验。

去年的特征是不透明的自动决策支持系统（例如深神经网络（DNNS））激增。尽管它们具有出色的概括和预测技能，但其功能不允许对其行为获得详细的解释。由于不透明的机器学习模型越来越多地用于在关键环境中做出重要的预测，因此危险是创建和使用不合理或合法的决策。因此，关于赋予机器学习模型具有解释性的重要性有一个普遍的共识。可解释的人工智能（XAI）技术可以用来验证和认证模型输出，并以可信赖，问责制，透明度和公平等理想的概念来增强它们。本指南旨在成为任何具有计算机科学背景的受众的首选手册，旨在获得对机器学习模型的直观见解，并伴随着笔直，快速和直观的解释。本文旨在通过在其特定的日常型号，数据集和用例中应用XAI技术来填补缺乏引人注目的XAI指南。图1充当读者的流程图/地图，应帮助他根据自己的数据类型找到理想的使用方法。在每章中，读者将找到所提出的方法的描述，以及在生物医学应用程序和Python笔记本上使用的示例。它可以轻松修改以应用于特定应用程序。

由于它们在建模复杂的问题和处理高维数据集的有效性，因此已显示深神网络（DNN）在广泛的应用领域中的传统机器学习算法优于传统的机器学习算法。但是，许多现实生活数据集具有越来越高的维度，其中大量功能可能与手头的任务无关。包含此类功能不仅会引入不必要的噪声，还会提高计算复杂性。此外，由于许多特征之间的非线性和依赖性高，DNN模型往往不可避免地是不透明的，并且被视为黑盒方法，因为它们的内部功能不佳。解释良好的模型可以识别具有统计学意义的特征，并解释其影响模型结果的方式。在本文中，我们提出了一种有效的方法，可以在高维数据集的情况下提高黑框模型的分类任务。为此，我们首先在高维数据集上训练黑框模型，以了解执行分类的嵌入。为了分解黑框模型的内部工作原理并确定TOP-K重要特征，我们采用了不同的探测和扰动技术。然后，我们通过在TOP-K特征空间上通过可解释的替代模型来近似黑框模型的行为。最后，我们从替代模型中得出决策规则和本地解释，以解释个人决策。当在不同数据集上测试，尺寸在50到20,000之间的不同数据集上进行测试时，我们的方法优于最先进的方法，例如TABNET，XGBOOST和基于Shap的可解释性技术。