图神经网络（GNN）在各种与图形相关的任务上非常有效。但是，它们缺乏解释性和透明度。当前的解释性方法通常是局部的，将GNN视为黑盒。他们不在模型内部看，抑制了人类对模型和解释的信任。由神经元在视觉模型中检测高级语义概念的能力的动机，我们对单个GNN神经元的行为回答有关GNN可解释性的问题进行了新的分析，并提出了新的指标来评估GNN神经元的可解释性。我们提出了一种新颖的方法，用于使用神经元级概念为GNN产生全球解释，以使从业者能够对模型具有高级的看法。具体而言，（i）据我们所知，这是第一部作品，表明GNN神经元充当概念探测器，并且与表述为节点学位和邻居属性的逻辑组成的概念具有很强的一致性； （ii）我们定量评估检测概念的重要性，并确定训练持续时间和神经元水平的解释性之间的权衡； （iii）我们证明，我们的全球解释性方法比当前的最新方法具有优势 - 我们可以将解释解释为以逻辑描述为支持的单个可解释概念，从而降低了偏见的潜力并提高用户友好性。

图形神经网络的不透明推理导致缺乏人类的信任。现有的图形网络解释器试图通过提供事后解释来解决此问题，但是，它们无法使模型本身更容易解释。为了填补这一空白，我们介绍了概念编码器模块，这是图形网络的第一个可区分概念 - 发现方法。所提出的方法使图形网络可以通过首先发现图形概念，然后使用这些来解决任务来解释。我们的结果表明，这种方法允许图形网络：（i）达到模型准确性与它们的等效香草版本相当，（ii）发现有意义的概念，以实现高概念完整性和纯度得分，（iii）提供基于高质量的概念逻辑。对其预测的解释，以及（iv）在测试时支持有效的干预措施：这些可以提高人类的信任并显着提高模型绩效。

图神经网络（GNN）是一类流行的机器学习模型。受到学习解释（L2X）范式的启发，我们提出了L2XGNN，这是一个可解释的GNN的框架，该框架通过设计提供了忠实的解释。L2XGNN学习了一种选择解释性子图（主题）的机制，该机制仅在GNNS消息通话操作中使用。L2XGNN能够为每个输入图选择具有特定属性的子图，例如稀疏和连接。对主题施加这种限制通常会导致更容易解释和有效的解释。几个数据集的实验表明，L2XGNN使用整个输入图实现了与基线方法相同的分类精度，同时确保仅使用提供的解释来进行预测。此外，我们表明L2XGNN能够识别负责预测图形属性的主题。

Graph Neural Networks (GNNs) are a powerful tool for machine learning on graphs. GNNs combine node feature information with the graph structure by recursively passing neural messages along edges of the input graph. However, incorporating both graph structure and feature information leads to complex models and explaining predictions made by GNNs remains unsolved. Here we propose GNNEXPLAINER, the first general, model-agnostic approach for providing interpretable explanations for predictions of any GNN-based model on any graph-based machine learning task. Given an instance, GNNEXPLAINER identifies a compact subgraph structure and a small subset of node features that have a crucial role in GNN's prediction. Further, GNNEXPLAINER can generate consistent and concise explanations for an entire class of instances. We formulate GNNEXPLAINER as an optimization task that maximizes the mutual information between a GNN's prediction and distribution of possible subgraph structures. Experiments on synthetic and real-world graphs show that our approach can identify important graph structures as well as node features, and outperforms alternative baseline approaches by up to 43.0% in explanation accuracy. GNNEXPLAINER provides a variety of benefits, from the ability to visualize semantically relevant structures to interpretability, to giving insights into errors of faulty GNNs.

深度学习方法正在实现许多人工智能任务上的不断增长。深层模型的一个主要局限性是它们不适合可解释性。可以通过开发事后技术来解释预测，从而产生解释性领域，从而规避这种限制。最近，关于图像和文本的深层模型的解释性取得了重大进展。在图数据的领域，图形神经网络（GNN）及其解释性正在迅速发展。但是，既没有对GNN解释性方法的统一处理，也没有标准的基准和测试床。在这项调查中，我们提供了当前GNN解释性方法的统一和分类观点。我们对这一主题的统一和分类治疗对现有方法的共同性和差异阐明了灯光，并为进一步的方法论发展奠定了基础。为了促进评估，我们生成了一组专门用于GNN解释性的基准图数据集。我们总结了当前的数据集和指标，以评估GNN的解释性。总的来说，这项工作提供了GNN解释性和评估标准化测试床的统一方法论。

深层神经网络以其对各种机器学习和人工智能任务的精湛处理而闻名。但是，由于其过度参数化的黑盒性质，通常很难理解深层模型的预测结果。近年来，已经提出了许多解释工具来解释或揭示模型如何做出决策。在本文中，我们回顾了这一研究，并尝试进行全面的调查。具体来说，我们首先介绍并阐明了人们通常会感到困惑的两个基本概念 - 解释和解释性。为了解决解释中的研究工作，我们通过提出新的分类法来阐述许多解释算法的设计。然后，为了了解解释结果，我们还调查了评估解释算法的性能指标。此外，我们总结了使用“可信赖”解释算法评估模型的解释性的当前工作。最后，我们审查并讨论了深层模型的解释与其他因素之间的联系，例如对抗性鲁棒性和从解释中学习，并介绍了一些开源库，以解释算法和评估方法。

With the increasing use of Graph Neural Networks (GNNs) in critical real-world applications, several post hoc explanation methods have been proposed to understand their predictions. However, there has been no work in generating explanations on the fly during model training and utilizing them to improve the expressive power of the underlying GNN models. In this work, we introduce a novel explanation-directed neural message passing framework for GNNs, EXPASS (EXplainable message PASSing), which aggregates only embeddings from nodes and edges identified as important by a GNN explanation method. EXPASS can be used with any existing GNN architecture and subgraph-optimizing explainer to learn accurate graph embeddings. We theoretically show that EXPASS alleviates the oversmoothing problem in GNNs by slowing the layer wise loss of Dirichlet energy and that the embedding difference between the vanilla message passing and EXPASS framework can be upper bounded by the difference of their respective model weights. Our empirical results show that graph embeddings learned using EXPASS improve the predictive performance and alleviate the oversmoothing problems of GNNs, opening up new frontiers in graph machine learning to develop explanation-based training frameworks.

尽管近期图形神经网络（GNN）进展，但解释了GNN的预测仍然具有挑战性。现有的解释方法主要专注于后性后解释，其中采用另一种解释模型提供培训的GNN的解释。后HOC方法未能揭示GNN的原始推理过程的事实引发了建立GNN与内置解释性的需求。在这项工作中，我们提出了原型图形神经网络（Protgnn），其将原型学习与GNNS相结合，并提供了对GNN的解释的新视角。在Protgnn中，解释自然地从基于案例的推理过程衍生，并且实际在分类期间使用。通过将输入与潜伏空间中的一些学习原型的输入进行比较来获得ProtGnn的预测。此外，为了更好地解释性和更高的效率，结合了一种新颖的条件子图采样模块，以指示输入图的哪个部分与ProtGnn +中的每个原型最相似。最后，我们在各种数据集中评估我们的方法并进行具体的案例研究。广泛的结果表明，Protgnn和Protgnn +可以提供固有的解释性，同时实现与非可解释对方的准确性有关的准确性。

In this paper, we investigate the degree of explainability of graph neural networks (GNNs). Existing explainers work by finding global/local subgraphs to explain a prediction, but they are applied after a GNN has already been trained. Here, we propose a meta-learning framework for improving the level of explainability of a GNN directly at training time, by steering the optimization procedure towards what we call `interpretable minima'. Our framework (called MATE, MetA-Train to Explain) jointly trains a model to solve the original task, e.g., node classification, and to provide easily processable outputs for downstream algorithms that explain the model's decisions in a human-friendly way. In particular, we meta-train the model's parameters to quickly minimize the error of an instance-level GNNExplainer trained on-the-fly on randomly sampled nodes. The final internal representation relies upon a set of features that can be `better' understood by an explanation algorithm, e.g., another instance of GNNExplainer. Our model-agnostic approach can improve the explanations produced for different GNN architectures and use any instance-based explainer to drive this process. Experiments on synthetic and real-world datasets for node and graph classification show that we can produce models that are consistently easier to explain by different algorithms. Furthermore, this increase in explainability comes at no cost for the accuracy of the model.

解释机器学习决策的问题是经过深入研究和重要的。我们对一种涉及称为图形神经网络的图形数据的特定类型的机器学习模型感兴趣。众所周知，由于缺乏公认的基准，评估图形神经网络（GNN）的可解释性方法是具有挑战性的。鉴于GNN模型，存在几种可解释性方法来解释具有多种（有时相互矛盾的）方法论的GNN模型。在本文中，我们提出了一个基准，用于评估称为Bagel的GNN的解释性方法。在百吉饼中，我们首先提出了四种不同的GNN解释评估制度 - 1）忠诚，2）稀疏性，3）正确性。 4）合理性。我们在现有文献中调和多个评估指标，并涵盖了各种概念以进行整体评估。我们的图数据集范围从引文网络，文档图，到分子和蛋白质的图。我们对四个GNN模型和九个有关节点和图形分类任务的事后解释方法进行了广泛的实证研究。我们打开基准和参考实现，并在https://github.com/mandeep-rathee/bagel-benchmark上提供它们。

深层神经网络在各个领域的增殖已经增加了对这些模型的解释性的需求。沿着这条线进行的初步工作，调查了这种调查的论文集中在高级表示分析上。然而，最近的工作分支集中在这些模型中分析神经元的更详细水平上的可解释性。在本文中，我们调查了神经元分析所做的工作，包括：i）在网络中发现和理解神经元的方法，ii）评估方法，iii）主要发现，包括神经元分析已解散的跨架构比较，iv）神经元的应用。探索：控制模型，域适应等，v）关于开放问题和未来研究方向的讨论。

图形神经网络（GNN）已证明图形数据的预测性能显着提高。同时，这些模型的预测通常很难解释。在这方面，已经做出了许多努力来从gnnexplainer，XGNN和PGEXPlainer等角度解释这些模型的预测机制。尽管这样的作品呈现出系统的框架来解释GNN，但对于可解释的GNN的整体评论是不可用的。在这项调查中，我们介绍了针对GNN开发的解释性技术的全面综述。我们专注于可解释的图形神经网络，并根据可解释方法的使用对它们进行分类。我们进一步为GNNS解释提供了共同的性能指标，并指出了几个未来的研究指标。

在高措施应用中大量部署图神经网络（GNNS）对对噪声的强大解释产生了强烈的需求，这些解释与人类的直觉很好。大多数现有方法通过识别与预测有很强相关性的输入图的子图来生成解释。这些解释对噪声并不强大，因为独立优化单个输入的相关性很容易过分拟合噪声。此外，它们与人类直觉并不十分吻合，因为从输入图中删除已识别的子图并不一定会改变预测结果。在本文中，我们提出了一种新颖的方法，可以通过在类似的输入图上明确建模GNNS的共同决策逻辑来生成对GNN的强大反事实解释。我们的解释自然对噪声是强大的，因为它们是由控制许多类似输入图的GNN的共同决策边界产生的。该解释也与人类的直觉很好地吻合，因为从输入图中的解释中删除了一组边缘，从而显着改变了预测。许多公共数据集上的详尽实验证明了我们方法的出色性能。

我们研究了图神经网络（GNN）的解释性，作为阐明其工作机制的一步。尽管大多数当前方法都集中在解释图节点，边缘或功能上，但我们认为，作为GNNS的固有功能机制，消息流对执行解释性更为自然。为此，我们在这里提出了一种新颖的方法，即FlowX，以通过识别重要的消息流来解释GNN。为了量化流量的重要性，我们建议遵循合作游戏理论中沙普利价值观的哲学。为了解决计算所有联盟边际贡献的复杂性，我们提出了一个近似方案，以计算类似沙普利的值，作为进一步再分配训练的初步评估。然后，我们提出一种学习算法来训练流量评分并提高解释性。关于合成和现实世界数据集的实验研究表明，我们提出的FlowX导致GNN的解释性提高。

Uncovering rationales behind predictions of graph neural networks (GNNs) has received increasing attention over recent years. Instance-level GNN explanation aims to discover critical input elements, like nodes or edges, that the target GNN relies upon for making predictions. Though various algorithms are proposed, most of them formalize this task by searching the minimal subgraph which can preserve original predictions. However, an inductive bias is deep-rooted in this framework: several subgraphs can result in the same or similar outputs as the original graphs. Consequently, they have the danger of providing spurious explanations and fail to provide consistent explanations. Applying them to explain weakly-performed GNNs would further amplify these issues. To address this problem, we theoretically examine the predictions of GNNs from the causality perspective. Two typical reasons of spurious explanations are identified: confounding effect of latent variables like distribution shift, and causal factors distinct from the original input. Observing that both confounding effects and diverse causal rationales are encoded in internal representations, we propose a simple yet effective countermeasure by aligning embeddings. Concretely, concerning potential shifts in the high-dimensional space, we design a distribution-aware alignment algorithm based on anchors. This new objective is easy to compute and can be incorporated into existing techniques with no or little effort. Theoretical analysis shows that it is in effect optimizing a more faithful explanation objective in design, which further justifies the proposed approach.

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。

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。

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。

机器学习的最后十年的规模和能力大幅增加，深层神经网络（DNN）越来越多地在各种领域中部署。但是，DNN的内部运作通常很难理解，这引起了人们对使用这些系统的安全性的担忧，而无需严格了解它们的功能。在这项调查中，我们回顾了有关解释DNN内部组成部分的技术的文献，我们称之为“内部”可解释性方法。具体而言，我们审查了解释权重，神经元，子网和潜在表示的方法，重点是这些技术如何与设计更安全，更值得信赖的AI系统的目标相关联。我们还强调了可解释性与工作之间的联系，对抗性鲁棒性，持续学习，网络压缩以及研究人类视觉系统。最后，我们讨论了关键的挑战，并争辩说未来的工作，以解释性为AI安全性，重点放在诊断，基准测试和鲁棒性上。

对于使用高性能机器学习算法通常不透明的决策，人们越来越担心。用特定于领域的术语对推理过程的解释对于在医疗保健等风险敏感领域中采用至关重要。我们认为，机器学习算法应该可以通过设计来解释，并且表达这些解释的语言应与域和任务有关。因此，我们将模型的预测基于数据的用户定义和特定于任务的二进制函数，每个都对最终用户有明确的解释。然后，我们最大程度地减少了在任何给定输入上准确预测所需的预期查询数。由于解决方案通常是棘手的，因此在事先工作之后，我们根据信息增益顺序选择查询。但是，与以前的工作相反，我们不必假设查询在有条件地独立。取而代之的是，我们利用随机生成模型（VAE）和MCMC算法（未经调整的Langevin）来选择基于先前的查询 - 答案的输入的最有用的查询。这使得在线确定要解决预测歧义所需的任何深度的查询链。最后，关于视觉和NLP任务的实验证明了我们的方法的功效及其优越性比事后解释的优势。