Deep neural networks (DNNs) have demonstrated superior performance over classical machine learning to support many features in safety-critical systems. Although DNNs are now widely used in such systems (e.g., self driving cars), there is limited progress regarding automated support for functional safety analysis in DNN-based systems. For example, the identification of root causes of errors, to enable both risk analysis and DNN retraining, remains an open problem. In this paper, we propose SAFE, a black-box approach to automatically characterize the root causes of DNN errors. SAFE relies on a transfer learning model pre-trained on ImageNet to extract the features from error-inducing images. It then applies a density-based clustering algorithm to detect arbitrary shaped clusters of images modeling plausible causes of error. Last, clusters are used to effectively retrain and improve the DNN. The black-box nature of SAFE is motivated by our objective not to require changes or even access to the DNN internals to facilitate adoption.Experimental results show the superior ability of SAFE in identifying different root causes of DNN errors based on case studies in the automotive domain. It also yields significant improvements in DNN accuracy after retraining, while saving significant execution time and memory when compared to alternatives. CCS Concepts: • Software and its engineering → Software defect analysis; • Computing methodologies → Machine learning.

当在安全 - 关键系统中使用深层神经网络（DNN）时，工程师应确定在测试过程中观察到的与故障（即错误输出）相关的安全风险。对于DNN处理图像，工程师在视觉上检查所有引起故障的图像以确定它们之间的共同特征。这种特征对应于危害触发事件（例如，低照明），这是安全分析的重要输入。尽管内容丰富，但这种活动却昂贵且容易出错。为了支持此类安全分析实践，我们提出了SEDE，该技术可为失败，现实世界图像中的共同点生成可读的描述，并通过有效的再培训改善DNN。 SEDE利用了通常用于网络物理系统的模拟器的可用性。它依靠遗传算法来驱动模拟器来生成与测试集中诱导失败的现实世界图像相似的图像。然后，它采用规则学习算法来得出以模拟器参数值捕获共同点的表达式。然后，派生表达式用于生成其他图像以重新训练和改进DNN。随着DNN执行车载传感任务，SEDE成功地表征了导致DNN精度下降的危险触发事件。此外，SEDE启用了重新培训，从而导致DNN准确性的显着提高，最高18个百分点。

深度神经网络（DNN）已广泛用于许多领域，包括图像处理，医疗诊断和自主驾驶。然而，DNN可以表现出可能导致严重错误的错误行为，特别是在安全关键系统中使用时。灵感来自传统软件系统的测试技术，研究人员提出了神经元覆盖标准，作为比喻源代码覆盖率，以指导DNN模型的测试。尽管对DNN覆盖范围非常积极的研究，但最近的几项研究质疑此类标准在指导DNN测试中的有用性。此外，从实际的角度来看，这些标准是白盒，因为它们需要访问DNN模型的内部或培训数据，这在许多情况下不可行或方便。在本文中，我们将黑盒输入分集度量调查为白盒覆盖标准的替代品。为此，我们首先以受控方式选择和适应三个分集指标和学习它们在输入集中测量实际分集的能力。然后，我们使用两个数据集和三个DNN模型分析其与故障检测的统计关联。我们进一步比较了与最先进的白盒覆盖标准的多样性。我们的实验表明，依赖于测试输入集中嵌入的图像特征的多样性是比覆盖标准更可靠的指示，以有效地指导DNN的测试。事实上，我们发现我们选定的黑盒子分集度量的一个远远超出了现有的覆盖范围，以便在发生故障泄露能力和计算时间方面。结果还确认了疑似，最先进的覆盖度量指标不足以指导测试输入集的构建，以检测尽可能多的自然输入的故障。

Current learning machines have successfully solved hard application problems, reaching high accuracy and displaying seemingly "intelligent" behavior. Here we apply recent techniques for explaining decisions of state-of-the-art learning machines and analyze various tasks from computer vision and arcade games. This showcases a spectrum of problem-solving behaviors ranging from naive and short-sighted, to wellinformed and strategic. We observe that standard performance evaluation metrics can be oblivious to distinguishing these diverse problem solving behaviors. Furthermore, we propose our semi-automated Spectral Relevance Analysis that provides a practically effective way of characterizing and validating the behavior of nonlinear learning machines. This helps to assess whether a learned model indeed delivers reliably for the problem that it was conceived for. Furthermore, our work intends to add a voice of caution to the ongoing excitement about machine intelligence and pledges to evaluate and judge some of these recent successes in a more nuanced manner.

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。

背景信息：在过去几年中，机器学习（ML）一直是许多创新的核心。然而，包括在所谓的“安全关键”系统中，例如汽车或航空的系统已经被证明是非常具有挑战性的，因为ML的范式转变为ML带来完全改变传统认证方法。目的：本文旨在阐明与ML为基础的安全关键系统认证有关的挑战，以及文献中提出的解决方案，以解决它们，回答问题的问题如何证明基于机器学习的安全关键系统？'方法：我们开展2015年至2020年至2020年之间发布的研究论文的系统文献综述（SLR），涵盖了与ML系统认证有关的主题。总共确定了217篇论文涵盖了主题，被认为是ML认证的主要支柱：鲁棒性，不确定性，解释性，验证，安全强化学习和直接认证。我们分析了每个子场的主要趋势和问题，并提取了提取的论文的总结。结果：单反结果突出了社区对该主题的热情，以及在数据集和模型类型方面缺乏多样性。它还强调需要进一步发展学术界和行业之间的联系，以加深域名研究。最后，它还说明了必须在上面提到的主要支柱之间建立连接的必要性，这些主要柱主要主要研究。结论：我们强调了目前部署的努力，以实现ML基于ML的软件系统，并讨论了一些未来的研究方向。

The International Workshop on Reading Music Systems (WoRMS) is a workshop that tries to connect researchers who develop systems for reading music, such as in the field of Optical Music Recognition, with other researchers and practitioners that could benefit from such systems, like librarians or musicologists. The relevant topics of interest for the workshop include, but are not limited to: Music reading systems; Optical music recognition; Datasets and performance evaluation; Image processing on music scores; Writer identification; Authoring, editing, storing and presentation systems for music scores; Multi-modal systems; Novel input-methods for music to produce written music; Web-based Music Information Retrieval services; Applications and projects; Use-cases related to written music. These are the proceedings of the 3rd International Workshop on Reading Music Systems, held in Alicante on the 23rd of July 2021.

关键应用程序中机器学习（ML）组件的集成引入了软件认证和验证的新挑战。正在开发新的安全标准和技术准则，以支持基于ML的系统的安全性，例如ISO 21448 SOTIF用于汽车域名，并保证机器学习用于自主系统（AMLAS）框架。 SOTIF和AMLA提供了高级指导，但对于每个特定情况，必须将细节凿出来。我们启动了一个研究项目，目的是证明开放汽车系统中ML组件的完整安全案例。本文报告说，Smikk的安全保证合作是由行业级别的行业合作的，这是一个基于ML的行人自动紧急制动示威者，在行业级模拟器中运行。我们演示了AMLA在伪装上的应用，以在简约的操作设计域中，即，我们为其基于ML的集成组件共享一个完整的安全案例。最后，我们报告了经验教训，并在开源许可下为研究界重新使用的开源许可提供了傻笑和安全案例。

量化是在嵌入式系统或手机上部署训练有素的DNN模型时，是最应用的深神经网络（DNN）压缩策略之一。这是由于其对广泛的应用和情况的简单性和适应性，而不是特定的人工智能（AI）加速器和编译器，这些加速器和编译器通常仅用于某些特定的硬件（例如Google Coral Edge TPU）。随着对量化的需求不断增长，确保该策略的可靠性成为一个关键挑战。传统的测试方法收集越来越多的真实数据以进行更好的评估，通常是不切实际的，因为输入空间的尺寸很大，并且原始DNN及其量化的对应物之间的相似性很高。结果，高级评估策略已变得至关重要。在本文中，我们提出了Diverget，这是一个基于搜索的测试框架，用于量化评估。 Diverget定义了变质关系的空间，该空间模拟了输入上的自然扭曲。然后，它最佳地探索了这些关系，以揭示不同算术精度的DNN之间的分歧。我们评估了应用于高光谱遥感图像的最先进的DNN上的Diverget的性能。我们选择了遥感DNN，因为它们越来越多地部署在诸如气候变化研究和天文学之类的关键领域中的边缘（例如，高级无人机）。我们的结果表明，Diverget成功地挑战了已建立的量化技术的鲁棒性，以防止自然变化的数据，并胜过其最新的并发，Diffchaser，其成功率（平均）是四倍。

如今，由于最近在人工智能（AI）和机器学习（ML）中的近期突破，因此，智能系统和服务越来越受欢迎。然而，机器学习不仅满足软件工程，不仅具有有希望的潜力，而且还具有一些固有的挑战。尽管最近的一些研究努力，但我们仍然没有明确了解开发基于ML的申请和当前行业实践的挑战。此外，目前尚不清楚软件工程研究人员应将其努力集中起来，以更好地支持ML应用程序开发人员。在本文中，我们报告了一个旨在了解ML应用程序开发的挑战和最佳实践的调查。我们合成从80名从业者（以不同的技能，经验和应用领域）获得的结果为17个调查结果;概述ML应用程序开发的挑战和最佳实践。参与基于ML的软件系统发展的从业者可以利用总结最佳实践来提高其系统的质量。我们希望报告的挑战将通知研究界有关需要调查的主题，以改善工程过程和基于ML的申请的质量。

In the last years many accurate decision support systems have been constructed as black boxes, that is as systems that hide their internal logic to the user. This lack of explanation constitutes both a practical and an ethical issue. The literature reports many approaches aimed at overcoming this crucial weakness sometimes at the cost of scarifying accuracy for interpretability. The applications in which black box decision systems can be used are various, and each approach is typically developed to provide a solution for a specific problem and, as a consequence, delineating explicitly or implicitly its own definition of interpretability and explanation. The aim of this paper is to provide a classification of the main problems addressed in the literature with respect to the notion of explanation and the type of black box system. Given a problem definition, a black box type, and a desired explanation this survey should help the researcher to find the proposals more useful for his own work. The proposed classification of approaches to open black box models should also be useful for putting the many research open questions in perspective.

背景：机器学习（ML）可以实现有效的自动测试生成。目的：我们表征了新兴研究，检查测试实践，研究人员目标，应用的ML技术，评估和挑战。方法：我们对97个出版物的样本进行系统文献综述。结果：ML生成系统，GUI，单位，性能和组合测试的输入或改善现有生成方法的性能。 ML还用于生成测试判决，基于属性的和预期的输出序列。经常基于神经网络和强化学习的监督学习通常是基于Q学习的 - 很普遍，并且某些出版物还采用了无监督或半监督的学习。使用传统的测试指标和与ML相关的指标（例如准确性）评估（半/非 - ）监督方法，而经常使用与奖励功能相关的测试指标来评估强化学习。结论：工作到尽头表现出巨大的希望，但是在培训数据，再探术，可伸缩性，评估复杂性，所采用的ML算法以及如何应用 - 基准和可复制性方面存在公开挑战。我们的发现可以作为该领域研究人员的路线图和灵感。

海洋生态系统及其鱼类栖息地越来越重要，因为它们在提供有价值的食物来源和保护效果方面的重要作用。由于它们的偏僻且难以接近自然，因此通常使用水下摄像头对海洋环境和鱼类栖息地进行监测。这些相机产生了大量数字数据，这些数据无法通过当前的手动处理方法有效地分析，这些方法涉及人类观察者。 DL是一种尖端的AI技术，在分析视觉数据时表现出了前所未有的性能。尽管它应用于无数领域，但仍在探索其在水下鱼类栖息地监测中的使用。在本文中，我们提供了一个涵盖DL的关键概念的教程，该教程可帮助读者了解对DL的工作原理的高级理解。该教程还解释了一个逐步的程序，讲述了如何为诸如水下鱼类监测等挑战性应用开发DL算法。此外，我们还提供了针对鱼类栖息地监测的关键深度学习技术的全面调查，包括分类，计数，定位和细分。此外，我们对水下鱼类数据集进行了公开调查，并比较水下鱼类监测域中的各种DL技术。我们还讨论了鱼类栖息地加工深度学习的新兴领域的一些挑战和机遇。本文是为了作为希望掌握对DL的高级了解，通过遵循我们的分步教程而为其应用开发的海洋科学家的教程，并了解如何发展其研究，以促进他们的研究。努力。同时，它适用于希望调查基于DL的最先进方法的计算机科学家，以进行鱼类栖息地监测。

Deep learning (DL) systems are increasingly deployed in safety-and security-critical domains including self-driving cars and malware detection, where the correctness and predictability of a system's behavior for corner case inputs are of great importance. Existing DL testing depends heavily on manually labeled data and therefore often fails to expose erroneous behaviors for rare inputs.We design, implement, and evaluate DeepXplore, the first whitebox framework for systematically testing real-world DL systems. First, we introduce neuron coverage for systematically measuring the parts of a DL system exercised by test inputs. Next, we leverage multiple DL systems with similar functionality as cross-referencing oracles to avoid manual checking. Finally, we demonstrate how finding inputs for DL systems that both trigger many differential behaviors and achieve high neuron coverage can be represented as a joint optimization problem and solved efficiently using gradientbased search techniques.DeepXplore efficiently finds thousands of incorrect corner case behaviors (e.g., self-driving cars crashing into guard rails and malware masquerading as benign software) in stateof-the-art DL models with thousands of neurons trained on five popular datasets including ImageNet and Udacity selfdriving challenge data. For all tested DL models, on average, DeepXplore generated one test input demonstrating incorrect behavior within one second while running only on a commodity laptop. We further show that the test inputs generated by DeepXplore can also be used to retrain the corresponding DL model to improve the model's accuracy by up to 3%.

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。

Explainable AI transforms opaque decision strategies of ML models into explanations that are interpretable by the user, for example, identifying the contribution of each input feature to the prediction at hand. Such explanations, however, entangle the potentially multiple factors that enter into the overall complex decision strategy. We propose to disentangle explanations by finding relevant subspaces in activation space that can be mapped to more abstract human-understandable concepts and enable a joint attribution on concepts and input features. To automatically extract the desired representation, we propose new subspace analysis formulations that extend the principle of PCA and subspace analysis to explanations. These novel analyses, which we call principal relevant component analysis (PRCA) and disentangled relevant subspace analysis (DRSA), optimize relevance of projected activations rather than the more traditional variance or kurtosis. This enables a much stronger focus on subspaces that are truly relevant for the prediction and the explanation, in particular, ignoring activations or concepts to which the prediction model is invariant. Our approach is general enough to work alongside common attribution techniques such as Shapley Value, Integrated Gradients, or LRP. Our proposed methods show to be practically useful and compare favorably to the state of the art as demonstrated on benchmarks and three use cases.

与令人印象深刻的进步触动了我们社会的各个方面，基于深度神经网络（DNN）的AI技术正在带来越来越多的安全问题。虽然在考试时间运行的攻击垄断了研究人员的初始关注，但是通过干扰培训过程来利用破坏DNN模型的可能性，代表了破坏训练过程的可能性，这是破坏AI技术的可靠性的进一步严重威胁。在后门攻击中，攻击者损坏了培训数据，以便在测试时间诱导错误的行为。然而，测试时间误差仅在存在与正确制作的输入样本对应的触发事件的情况下被激活。通过这种方式，损坏的网络继续正常输入的预期工作，并且只有当攻击者决定激活网络内隐藏的后门时，才会发生恶意行为。在过去几年中，后门攻击一直是强烈的研究活动的主题，重点是新的攻击阶段的发展，以及可能对策的提议。此概述文件的目标是审查发表的作品，直到现在，分类到目前为止提出的不同类型的攻击和防御。指导分析的分类基于攻击者对培训过程的控制量，以及防御者验证用于培训的数据的完整性，并监控DNN在培训和测试中的操作时间。因此，拟议的分析特别适合于参考他们在运营的应用方案的攻击和防御的强度和弱点。

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。

这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。

尽管机器学习取得了巨大进步（ML），但数据不平衡的培训仍然在许多现实世界中构成挑战。在解决此问题的一系列不同技术中，采样算法被视为有效的解决方案。但是，问题更为根本，许多作品强调了实例硬度的重要性。这个问题是指管理不安全或可能嘈杂的实例的重要性，这些实例更可能被错误分类并作为分类绩效不佳的根本原因。本文介绍了Hardvis，这是一种视觉分析系统，旨在处理实例硬度，主要在分类场景中。我们提出的系统协助用户在视觉上比较数据类型的不同分布，根据局部特征选择实例类型，这些实例后来将受主动采样方法的影响，并验证来自底漆或过采样技术的建议对ML模型有益。此外，我们允许用户找到和采样轻松且难以对所有课程的培训实例进行分类，而不是统一地采样/过采样。用户可以从不同角度探索数据子集以决定所有这些参数，而HardVis则跟踪其步骤并评估模型在测试集中分别评估模型的预测性能。最终结果是一个均衡的数据集，可增强ML模型的预测能力。通过假设使用情况和用例证明了Hardvis的功效和有效性。最后，我们还研究了系统的有用，基于我们从ML专家那里收到的反馈。