While machine learning models have achieved unprecedented success in real-world applications, they might make biased/unfair decisions for specific demographic groups and hence result in discriminative outcomes. Although research efforts have been devoted to measuring and mitigating bias, they mainly study bias from the result-oriented perspective while neglecting the bias encoded in the decision-making procedure. This results in their inability to capture procedure-oriented bias, which therefore limits the ability to have a fully debiasing method. Fortunately, with the rapid development of explainable machine learning, explanations for predictions are now available to gain insights into the procedure. In this work, we bridge the gap between fairness and explainability by presenting a novel perspective of procedure-oriented fairness based on explanations. We identify the procedure-based bias by measuring the gap of explanation quality between different groups with Ratio-based and Value-based Explanation Fairness. The new metrics further motivate us to design an optimization objective to mitigate the procedure-based bias where we observe that it will also mitigate bias from the prediction. Based on our designed optimization objective, we propose a Comprehensive Fairness Algorithm (CFA), which simultaneously fulfills multiple objectives - improving traditional fairness, satisfying explanation fairness, and maintaining the utility performance. Extensive experiments on real-world datasets demonstrate the effectiveness of our proposed CFA and highlight the importance of considering fairness from the explainability perspective. Our code is publicly available at https://github.com/YuyingZhao/FairExplanations-CFA .

图神经网络（GNN）在图形上学习节点表示方面表现出很大的力量。但是，他们可能会从训练数据中继承历史偏见，从而导致预测的歧视性偏见。尽管某些工作已经开发出公平的GNN，但其中大多数直接从非图形域借用了公平代表性学习技术，而没有考虑GNN中特征传播引起的敏感属性泄漏的潜在问题。但是，我们从经验上观察到，特征传播可能会改变以前无害特征与敏感特征的相关性。这可以看作是敏感信息的泄漏，可以进一步加剧预测中的歧视。因此，我们根据特征相关性设计了两个特征掩盖策略，以突出考虑特征传播和相关性变化在减轻歧视中的重要性。通过我们的分析，我们提出了公平视图图神经网络（FAIRVGNN），以通过自动识别和掩盖敏感的相关特征来生成特征的公平视图，以考虑特征传播后的相关变化。鉴于博学的公平视图，我们适应编码器的夹紧权重，以避免使用敏感相关的功能。现实世界数据集的实验表明，Fairvgnn在模型实用程序和公平性之间取得了更好的权衡。我们的代码可在https://github.com/yuwvandy/fairvgnn上公开获取。

图形神经网络（GNN）表现出令人满意的各种图分析问题的性能。因此，在各种决策方案中，它们已成为\ emph {de exto}解决方案。但是，GNN可以针对某些人口亚组产生偏差的结果。最近的一些作品在经验上表明，输入网络的偏见结构是GNN的重要来源。然而，没有系统仔细检查输入网络结构的哪一部分会导致对任何给定节点的偏见预测。对输入网络的结构如何影响GNN结果的偏见的透明度很大，在很大程度上限制了在各种决策方案中的安全采用GNN。在本文中，我们研究了GNN中偏见的结构解释的新研究问题。具体而言，我们提出了一个新颖的事后解释框架，以识别可以最大程度地解释出偏见的两个边缘集，并最大程度地促进任何给定节点的GNN预测的公平水平。这种解释不仅提供了对GNN预测的偏见/公平性的全面理解，而且在建立有效但公平的GNN模型方面具有实际意义。对现实世界数据集的广泛实验验证了拟议框架在为GNN偏见提供有效的结构解释方面的有效性。可以在https://github.com/yushundong/referee上找到开源代码。

尽管机器学习模式的发展迅速和巨大成功，但广泛的研究暴露了继承潜在歧视和培训数据的社会偏见的缺点。这种现象阻碍了他们在高利益应用上采用。因此，已经采取了许多努力开发公平机器学习模型。其中大多数要求在培训期间提供敏感属性以学习公平的模型。然而，在许多现实世界应用中，由于隐私或法律问题，获得敏感的属性通常是不可行的，这挑战了现有的公平策略。虽然每个数据样本的敏感属性未知，但我们观察到训练数据中通常存在一些与敏感属性高度相关的非敏感功能，这可以用于缓解偏差。因此，在本文中，我们研究了一种探索与学习公平和准确分类器的敏感属性高度相关的特征的新问题。理论上我们通过最小化这些相关特征与模型预测之间的相关性，我们可以学习一个公平的分类器。基于这种动机，我们提出了一种新颖的框架，该框架同时使用这些相关的特征来准确预测和执行公平性。此外，该模型可以动态调整每个相关功能的正则化权重，以平衡其对模型分类和公平性的贡献。现实世界数据集的实验结果证明了拟议模型用于学习公平模型的效力，具有高分类准确性。

机器学习模型在高赌注应用中变得普遍存在。尽管在绩效方面有明显的效益，但该模型可以表现出对少数民族群体的偏见，并导致决策过程中的公平问题，导致对个人和社会的严重负面影响。近年来，已经开发了各种技术来减轻机器学习模型的偏差。其中，加工方法已经增加了社区的关注，在模型设计期间直接考虑公平，以诱导本质上公平的模型，从根本上减轻了产出和陈述中的公平问题。在本调查中，我们审查了加工偏置减缓技术的当前进展。基于在模型中实现公平的地方，我们将它们分类为明确和隐性的方法，前者直接在培训目标中纳入公平度量，后者重点介绍精炼潜在代表学习。最后，我们在讨论该社区中的研究挑战来讨论调查，以激励未来的探索。

As the societal impact of Deep Neural Networks (DNNs) grows, the goals for advancing DNNs become more complex and diverse, ranging from improving a conventional model accuracy metric to infusing advanced human virtues such as fairness, accountability, transparency (FaccT), and unbiasedness. Recently, techniques in Explainable Artificial Intelligence (XAI) are attracting considerable attention, and have tremendously helped Machine Learning (ML) engineers in understanding AI models. However, at the same time, we started to witness the emerging need beyond XAI among AI communities; based on the insights learned from XAI, how can we better empower ML engineers in steering their DNNs so that the model's reasonableness and performance can be improved as intended? This article provides a timely and extensive literature overview of the field Explanation-Guided Learning (EGL), a domain of techniques that steer the DNNs' reasoning process by adding regularization, supervision, or intervention on model explanations. In doing so, we first provide a formal definition of EGL and its general learning paradigm. Secondly, an overview of the key factors for EGL evaluation, as well as summarization and categorization of existing evaluation procedures and metrics for EGL are provided. Finally, the current and potential future application areas and directions of EGL are discussed, and an extensive experimental study is presented aiming at providing comprehensive comparative studies among existing EGL models in various popular application domains, such as Computer Vision (CV) and Natural Language Processing (NLP) domains.

基于机器学习的决策支持系统的利用率增加强调了导致所有利益相关者准确和公平的预测的必要性。在这项工作中，我们提出了一种新的方法，可以在训练期间提高神经网络模型的公平性。我们介绍了一系列公平性，增强了我们与传统的二进制交叉熵基准损耗一起使用的正规化组件。这些损失函数基于偏置奇偶校验分数（BPS），一个分数有助于使用单个数字量化模型中的偏差。在目前的工作中，我们调查这些正则化组件对偏见的行为和效果。我们在累犯预测任务以及基于人口普查的成人收入数据集的上下文中部署它们。结果表明，对于公平损失功能的良好选择，我们可以减少训练有素的模型的偏置，而不会降低精度，即使在不平衡数据集中也是如此。

算法决策的兴起催生了许多关于公平机器学习（ML）的研究。金融机构使用ML来建立支持一系列与信贷有关的决定的风险记分卡。然而，关于信用评分的公平ML的文献很少。该论文做出了三项贡献。首先，我们重新审视统计公平标准，并检查其对信用评分的适当性。其次，我们对将公平目标纳入ML模型开发管道中的算法选项进行了分类。最后，我们从经验上比较了使用现实世界数据以利润为导向的信用评分上下文中的不同公平处理器。经验结果证实了对公平措施的评估，确定了实施公平信用评分的合适选择，并阐明了贷款决策中的利润权衡。我们发现，可以立即达到多个公平标准，并建议分离作为衡量记分卡的公平性的适当标准。我们还发现公平的过程中，可以在利润和公平之间实现良好的平衡，并表明算法歧视可以以相对较低的成本降低到合理的水平。与该论文相对应的代码可在GitHub上获得。

作为一种预测模型的评分系统具有可解释性和透明度的显着优势，并有助于快速决策。因此，评分系统已广泛用于各种行业，如医疗保健和刑事司法。然而，这些模型中的公平问题长期以来一直受到批评，并且使用大数据和机器学习算法在评分系统的构建中提高了这个问题。在本文中，我们提出了一般框架来创建公平知识，数据驱动评分系统。首先，我们开发一个社会福利功能，融入了效率和群体公平。然后，我们将社会福利最大化问题转换为机器学习中的风险最小化任务，并在混合整数编程的帮助下导出了公平感知评分系统。最后，导出了几种理论界限用于提供参数选择建议。我们拟议的框架提供了适当的解决方案，以解决进程中的分组公平问题。它使政策制定者能够设置和定制其所需的公平要求以及其他特定于应用程序的约束。我们用几个经验数据集测试所提出的算法。实验证据支持拟议的评分制度在实现利益攸关方的最佳福利以及平衡可解释性，公平性和效率的需求方面的有效性。

自几十年前以来，已经证明了机器学习评估贷款申请人信誉的实用性。但是，自动决策可能会导致对群体或个人的不同治疗方法，可能导致歧视。本文基准了12种最大的偏见缓解方法，讨论其绩效，该绩效基于5个不同的公平指标，获得的准确性以及为金融机构提供的潜在利润。我们的发现表明，在确保准确性和利润的同时，实现公平性方面的困难。此外，它突出了一些表现最好和最差的人，并有助于弥合实验机学习及其工业应用之间的差距。

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。

It is of critical importance to be aware of the historical discrimination embedded in the data and to consider a fairness measure to reduce bias throughout the predictive modeling pipeline. Given various notions of fairness defined in the literature, investigating the correlation and interaction among metrics is vital for addressing unfairness. Practitioners and data scientists should be able to comprehend each metric and examine their impact on one another given the context, use case, and regulations. Exploring the combinatorial space of different metrics for such examination is burdensome. To alleviate the burden of selecting fairness notions for consideration, we propose a framework that estimates the correlation among fairness notions. Our framework consequently identifies a set of diverse and semantically distinct metrics as representative for a given context. We propose a Monte-Carlo sampling technique for computing the correlations between fairness metrics by indirect and efficient perturbation in the model space. Using the estimated correlations, we then find a subset of representative metrics. The paper proposes a generic method that can be generalized to any arbitrary set of fairness metrics. We showcase the validity of the proposal using comprehensive experiments on real-world benchmark datasets.

软件偏见是软件工程师越来越重要的操作问题。我们提出了17种代表性缓解方法的大规模，全面的经验评估，该方法通过1​​2个机器学习（ML）绩效指标，4项公平度量指标和24种类型的公平性 - 性能权衡评估，应用于8种广泛采用的公平性折衷评估基准软件决策/预测任务。与以前在此重要的操作软件特征上的工作相比，经验覆盖范围是全面的，涵盖了最多的偏见缓解方法，评估指标和公平性的绩效权衡措施。我们发现（1）偏置缓解方法大大降低了所有ML性能指标（包括先前工作中未考虑的指标）所报告的值，在很大一部分的情况下（根据不同的ML性能指标为42％〜75％） ; （2）在所有情况和指标中，偏置缓解方法仅在约50％的情况下获得公平性改善（根据用于评估偏见/公平性的指标，介于29％〜59％之间）； （3）缓解偏见的方法的表现不佳，甚至导致37％的情况下的公平性和ML性能下降； （4）缓解偏差方法的有效性取决于任务，模型，公平性和ML性能指标，并且没有证明对所有研究的情况有效的“银弹”缓解方法。在仅29％的方案中，我们发现优于其他方法的最佳缓解方法。我们已公开提供本研究中使用的脚本和数据，以便将来复制和扩展我们的工作。

我们建议社会福利优化作为在AI系统中正式化公平性的一般范式。我们认为，优化模型允许将广泛的公平标准作为社会福利功能，同时使AI充分利用高级的解决方案技术。与其试图减少选定群体之间的偏见，不如将公平性纳入社会福利职能来实现所有群体。这也允许对所涉个人的福利进行更全面的会计。我们展示了如何使用内部处理或后处理方法将社会福利优化与基于规则的AI和机器学习集成在一起。我们提出了案例研究的经验结果，作为对这些整合策略的有效性和潜力的初步研究。

分类，一种重大研究的数据驱动机器学习任务，驱动越来越多的预测系统，涉及批准的人类决策，如贷款批准和犯罪风险评估。然而，分类器经常展示歧视性行为，特别是当呈现有偏置数据时。因此，分类公平已经成为一个高优先级的研究区。数据管理研究显示与数据和算法公平有关的主题的增加和兴趣，包括公平分类的主题。公平分类的跨学科努力，具有最大存在的机器学习研究，导致大量的公平概念和尚未系统地评估和比较的广泛方法。在本文中，我们对13个公平分类方法和额外变种的广泛分析，超越，公平，公平，效率，可扩展性，对数据误差的鲁棒性，对潜在的ML模型，数据效率和使用各种指标的稳定性的敏感性和稳定性现实世界数据集。我们的分析突出了对不同指标的影响的新颖见解和高级方法特征对不同方面的性能方面。我们还讨论了选择适合不同实际设置的方法的一般原则，并确定以数据管理为中心的解决方案可能产生最大影响的区域。

近年来数据的快速增长导致了经常用于在现实世界中做出决定的复杂学习算法的发展。虽然算法的积极影响是巨大的，但需要减轻由训练样本或关于数据样本的隐含假设产生的任何偏差。当算法用于自动决策系统时，这种需求变得至关重要。已经提出了许多方法来通过检测和减轻优化阶段的偏差来进行学习算法。然而，由于缺乏通用的公平定义，这些算法优化了对公平性的特定解释，这使得它们有限地用于现实世界。此外，对所有算法共同的潜在假设是实现公平性和去除偏差的表观等价。换句话说，没有用户定义的标准，可以结合到用于产生公平算法的优化过程中。通过现有方法的这些缺点，我们提出了通过将用户约束纳入优化过程来产生公平算法的菲尔格氏术。此外，我们通过估计来自数据的最预测性功能来解释该过程。我们展示了我们使用不同公平标准对几个真实世界数据集的方法的功效。

由于事后解释方法越来越多地被利用以在高风险环境中解释复杂的模型，因此确保在包括少数群体在内的各个种群亚组中，所得解释的质量始终高。例如，与与其他性别相关的实例（例如，女性）相关的实例（例如，女性）的说明不应该是与其他性别相关的解释。但是，几乎没有研究能够评估通过最先进的解释方法在输出的解释质量上是否存在这种基于群体的差异。在这项工作中，我们通过启动确定基于群体的解释质量差异的研究来解决上述差距。为此，我们首先概述了构成解释质量以及差异尤其有问题的关键属性。然后，我们利用这些属性提出了一个新的评估框架，该框架可以通过最新方法定量测量解释质量的差异。使用此框架，我们进行了严格的经验分析，以了解是否出现了解释质量的基于小组的差异。我们的结果表明，当所解释的模型复杂且高度非线性时，这种差异更可能发生。此外，我们还观察到某些事后解释方法（例如，综合梯度，外形）更有可能表现出上述差异。据我们所知，这项工作是第一个强调和研究解释质量差异的问题。通过这样做，我们的工作阐明了以前未开发的方式，其中解释方法可能在现实世界决策中引入不公平。

Despite being responsible for state-of-the-art results in several computer vision and natural language processing tasks, neural networks have faced harsh criticism due to some of their current shortcomings. One of them is that neural networks are correlation machines prone to model biases within the data instead of focusing on actual useful causal relationships. This problem is particularly serious in application domains affected by aspects such as race, gender, and age. To prevent models from incurring on unfair decision-making, the AI community has concentrated efforts in correcting algorithmic biases, giving rise to the research area now widely known as fairness in AI. In this survey paper, we provide an in-depth overview of the main debiasing methods for fairness-aware neural networks in the context of vision and language research. We propose a novel taxonomy to better organize the literature on debiasing methods for fairness, and we discuss the current challenges, trends, and important future work directions for the interested researcher and practitioner.

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。

机器学习（ML）在渲染影响社会各个群体的决策中起着越来越重要的作用。 ML模型为刑事司法的决定，银行业中的信贷延长以及公司的招聘做法提供了信息。这提出了模型公平性的要求，这表明自动化的决策对于受保护特征（例如，性别，种族或年龄）通常是公平的，这些特征通常在数据中代表性不足。我们假设这个代表性不足的问题是数据学习不平衡问题的必然性。此类不平衡通常反映在两个类别和受保护的功能中。例如，一个班级（那些获得信用的班级）对于另一个班级（未获得信用的人）可能会过分代表，而特定组（女性）（女性）的代表性可能与另一组（男性）有关。相对于受保护组的算法公平性的关键要素是同时减少了基础培训数据中的类和受保护的群体失衡，这促进了模型准确性和公平性的提高。我们通过展示这些领域中的关键概念如何重叠和相互补充，讨论弥合失衡学习和群体公平的重要性；并提出了一种新颖的过采样算法，即公平的过采样，该算法既解决偏斜的类别分布和受保护的特征。我们的方法：（i）可以用作标准ML算法的有效预处理算法，以共同解决不平衡和群体权益； （ii）可以与公平感知的学习算法结合使用，以提高其对不同水平不平衡水平的稳健性。此外，我们迈出了一步，将公平和不平衡学习之间的差距与新的公平实用程序之间的差距弥合，从而将平衡的准确性与公平性结合在一起。