我们考虑在无法访问网络培训数据（例如由于隐私或安全问题）的情况下为神经网络产生解释。最近，已经提出了$ \ Mathcal {i} $ - 网络是一种无样品后全球模型可解释性的方法，不需要访问培训数据。他们将解释作为机器学习任务，将网络表示（参数）映射到可解释功能的表示。在本文中，我们将$ \ Mathcal {i} $ - 网络框架扩展到标准和软决策树作为替代模型的情况。我们提出了相应的$ \ Mathcal {i} $ - 净输出层的合适决策树表示和设计。此外，我们通过在生成$ \ Mathcal {i} $ - NET的培训数据时考虑更现实的分布来制作适用于现实世界任务的NETS $ \ MATHCAL {I} $ - NETS。我们对传统的全球，事后解释性方法进行经验评估我们的方法，并表明当无法访问培训数据时，它可以取得优势。

一方面，人工神经网络（ANNS）通常被标记为黑匣子，缺乏可解释性;阻碍了人类对ANNS行为的理解的问题。存在需要生成ANN的有意义的顺序逻辑，用于解释特定输出的生产过程。另一方面，决策树由于它们的代表语言和有效算法的存在而导致更好的可解释性和表现力，以将树木转化为规则。然而，基于可用数据生长决策树可能会产生大于不概括的必要树木或树木。在本文中，我们介绍了来自ANN的规则提取的两种新的多变量决策树（MDT）算法：精确可转换决策树（EC-DT）和扩展的C-NET算法。它们都将纠正的线性单元激活函数转换为代表树的神经网络，这可以进一步用于提取多元规则以进行推理。虽然EC-DT以层式方式转换ANN以表示由网络的隐藏层内隐式学习的决策边界，但扩展的C-Net将来自EC-DT的分解方法与C5树学习算法相结合形成决策规则。结果表明，虽然EC-DT在保持结构和ANN的保真度方面优越，但扩展的C-Net产生了来自ANN的最紧凑且高效的树木。两者都建议的MDT算法生成规则，包括多个属性的组合，以便决策的精确解释。

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。

神经网络（NNS）和决策树（DTS）都是机器学习的流行模型，但具有相互排斥的优势和局限性。为了带来两个世界中的最好，提出了各种方法来明确或隐式地集成NN和DTS。在这项调查中，这些方法是在我们称为神经树（NTS）的学校中组织的。这项调查旨在对NTS进行全面审查，并尝试确定它们如何增强模型的解释性。我们首先提出了NTS的彻底分类学，该分类法表达了NNS和DTS的逐步整合和共同进化。之后，我们根据NTS的解释性和绩效分析，并建议解决其余挑战的可能解决方案。最后，这项调查以讨论有条件计算和向该领域的有希望的方向进行讨论结束。该调查中审查的论文列表及其相应的代码可在以下网址获得：https：//github.com/zju-vipa/awesome-neural-trees

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。

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.

我们查看模型可解释性的特定方面：模型通常需要限制在大小上才能被认为是可解释的，例如，深度5的决策树比深度50中的一个更容易解释。但是，较小的模型也倾向于高偏见。这表明可解释性和准确性之间的权衡。我们提出了一种模型不可知论技术，以最大程度地减少这种权衡。我们的策略是首先学习甲骨文，这是培训数据上高度准确的概率模型。 Oracle预测的不确定性用于学习培训数据的抽样分布。然后，对使用此分布获得的数据样本进行了可解释的模型，通常会导致精确度明显更高。我们将抽样策略作为优化问题。我们的解决方案1具有以下关键的有利属性：（1）它使用固定数量的七个优化变量，而与数据的维度（2）无关，它是模型不可知的 - 因为可解释的模型和甲骨文都可能属于任意性模型家族（3）它具有模型大小的灵活概念，并且可以容纳向量大小（4）它是一个框架，使其能够从优化领域的进度中受益。我们还提出了以下有趣的观察结果：（a）通常，小型模型大小的最佳训练分布与测试分布不同； （b）即使可解释的模型和甲骨文来自高度截然不同的模型家族，也存在这种效果：我们通过使用封闭的复发单位网络作为甲骨文来提高决策树的序列分类精度，从而在文本分类任务上显示此效果。使用字符n-grams； （c）对于模型，我们的技术可用于确定给定样本量的最佳训练样本。

大多数机器学习算法由一个或多个超参数配置，必须仔细选择并且通常会影响性能。为避免耗时和不可递销的手动试验和错误过程来查找性能良好的超参数配置，可以采用各种自动超参数优化（HPO）方法，例如，基于监督机器学习的重新采样误差估计。本文介绍了HPO后，本文审查了重要的HPO方法，如网格或随机搜索，进化算法，贝叶斯优化，超带和赛车。它给出了关于进行HPO的重要选择的实用建议，包括HPO算法本身，性能评估，如何将HPO与ML管道，运行时改进和并行化结合起来。这项工作伴随着附录，其中包含关于R和Python的特定软件包的信息，以及用于特定学习算法的信息和推荐的超参数搜索空间。我们还提供笔记本电脑，这些笔记本展示了这项工作的概念作为补充文件。

Counterfactual Explanations are becoming a de-facto standard in post-hoc interpretable machine learning. For a given classifier and an instance classified in an undesired class, its counterfactual explanation corresponds to small perturbations of that instance that allows changing the classification outcome. This work aims to leverage Counterfactual Explanations to detect the important decision boundaries of a pre-trained black-box model. This information is used to build a supervised discretization of the features in the dataset with a tunable granularity. Using the discretized dataset, a smaller, therefore more interpretable Decision Tree can be trained, which, in addition, enhances the stability and robustness of the baseline Decision Tree. Numerical results on real-world datasets show the effectiveness of the approach in terms of accuracy and sparsity compared to the baseline Decision Tree.

机器学习与服务（MLAAS）已成为广泛的范式，即使是通过例如，也是客户可用的最复杂的机器学习模型。一个按要求的原则。这使用户避免了数据收集，超参数调整和模型培训的耗时过程。但是，通过让客户访问（预测）模型，MLAAS提供商危害其知识产权，例如敏感培训数据，优化的超参数或学到的模型参数。对手可以仅使用预测标签创建模型的副本，并以（几乎）相同的行为。尽管已经描述了这种攻击的许多变体，但仅提出了零星的防御策略，以解决孤立的威胁。这增加了对模型窃取领域进行彻底系统化的必要性，以全面了解这些攻击是成功的原因，以及如何全面地捍卫它们。我们通过对模型窃取攻击，评估其性能以及探索不同设置中相应的防御技术来解决这一问题。我们为攻击和防御方法提出了分类法，并提供有关如何根据目标和可用资源选择正确的攻击或防御策略的准则。最后，我们分析了当前攻击策略使哪些防御能力降低。

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。

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。

我们如何识别培训示例，这些培训示例为最多贡献的树集合的预测？在本文中，我们介绍了TREX，这是一个解释系统，它为树合奏提供了实例归因解释，例如随机林和渐变增强树。 TREX在以前为解释深神经网络开发的代表点框架构建。由于树合奏是非可差的，我们定义了一个捕获特定树集合的结构的内核。通过在内核逻辑回归或支持向量机中使用此内核，TREX构建一个近似于原始树集合的代理模型。代理模型的内核扩展中的权重用于定义每个训练示例的全局或本地重要性。我们的实验表明，TREX的代理模型准确地逼近树合奏;其全球重要性在数据集调试方面比以前的最先进的方式更有效;其解释识别比删除和培训评估框架下的替代方法更具影响力的样品;它比替代方法运行数量幅度;其本地解释可以识别和解释由于域不匹配导致的错误。

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。

超参数优化构成了典型的现代机器学习工作流程的很大一部分。这是由于这样一个事实，即机器学习方法和相应的预处理步骤通常只有在正确调整超参数时就会产生最佳性能。但是在许多应用中，我们不仅有兴趣仅仅为了预测精度而优化ML管道；确定最佳配置时，必须考虑其他指标或约束，从而导致多目标优化问题。由于缺乏知识和用于多目标超参数优化的知识和容易获得的软件实现，因此通常在实践中被忽略。在这项工作中，我们向读者介绍了多个客观超参数优化的基础知识，并激励其在应用ML中的实用性。此外，我们从进化算法和贝叶斯优化的领域提供了现有优化策略的广泛调查。我们说明了MOO在几个特定ML应用中的实用性，考虑了诸如操作条件，预测时间，稀疏，公平，可解释性和鲁棒性之类的目标。

众所周知，端到端的神经NLP体系结构很难理解，这引起了近年来为解释性建模的许多努力。模型解释的基本原则是忠诚，即，解释应准确地代表模型预测背后的推理过程。这项调查首先讨论了忠诚的定义和评估及其对解释性的意义。然后，我们通过将方法分为五类来介绍忠实解释的最新进展：相似性方法，模型内部结构的分析，基于反向传播的方法，反事实干预和自我解释模型。每个类别将通过其代表性研究，优势和缺点来说明。最后，我们从它们的共同美德和局限性方面讨论了上述所有方法，并反思未来的工作方向忠实的解释性。对于有兴趣研究可解释性的研究人员，这项调查将为该领域提供可访问且全面的概述，为进一步探索提供基础。对于希望更好地了解自己的模型的用户，该调查将是一项介绍性手册，帮助选择最合适的解释方法。

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.

由于算法预测对人类的影响增加，模型解释性已成为机器学习（ML）的重要问题。解释不仅可以帮助用户了解为什么ML模型做出某些预测，还可以帮助用户了解这些预测如何更改。在本论文中，我们研究了从三个有利位置的ML模型的解释性：算法，用户和教学法，并为解释性问题贡献了一些新颖的解决方案。

即使机器学习算法已经在数据科学中发挥了重要作用，但许多当前方法对输入数据提出了不现实的假设。由于不兼容的数据格式，或数据集中的异质，分层或完全缺少的数据片段，因此很难应用此类方法。作为解决方案，我们提出了一个用于样本表示，模型定义和培训的多功能，统一的框架，称为“ Hmill”。我们深入审查框架构建和扩展的机器学习的多个范围范式。从理论上讲，为HMILL的关键组件的设计合理，我们将通用近似定理的扩展显示到框架中实现的模型所实现的所有功能的集合。本文还包含有关我们实施中技术和绩效改进的详细讨论，该讨论将在MIT许可下发布供下载。该框架的主要资产是其灵活性，它可以通过相同的工具对不同的现实世界数据源进行建模。除了单独观察到每个对象的一组属性的标准设置外，我们解释了如何在框架中实现表示整个对象系统的图表中的消息推断。为了支持我们的主张，我们使用框架解决了网络安全域的三个不同问题。第一种用例涉及来自原始网络观察结果的IoT设备识别。在第二个问题中，我们研究了如何使用以有向图表示的操作系统的快照可以对恶意二进制文件进行分类。最后提供的示例是通过网络中实体之间建模域黑名单扩展的任务。在所有三个问题中，基于建议的框架的解决方案可实现与专业方法相当的性能。

基于Shapley值的功能归因在解释机器学习模型中很受欢迎。但是，从理论和计算的角度来看，它们的估计是复杂的。我们将这种复杂性分解为两个因素：（1）〜删除特征信息的方法，以及（2）〜可拖动估计策略。这两个因素提供了一种天然镜头，我们可以更好地理解和比较24种不同的算法。基于各种特征删除方法，我们描述了多种类型的Shapley值特征属性和计算每个类型的方法。然后，基于可进行的估计策略，我们表征了两个不同的方法家族：模型 - 不合时宜的和模型特定的近似值。对于模型 - 不合稳定的近似值，我们基准了广泛的估计方法，并将其与Shapley值的替代性但等效的特征联系起来。对于特定于模型的近似值，我们阐明了对每种方法的线性，树和深模型的障碍至关重要的假设。最后，我们确定了文献中的差距以及有希望的未来研究方向。