机器学习方法可以检测变量之间的复杂关系，但通常不利用域知识。这是一个限制，因为在许多科学学科（例如系统生物学）中，域知识以图形或网络的形式获得，并且其使用可以改善模型性能。我们需要在许多研究领域中使用广泛且适用的基于网络的算法。在这项工作中，我们使用具有固有的可解释性的新型贪婪决策森林来证明基于多模式节点特征的子网检测。后者将是保留专家并获得对这种算法的信任的关键因素。为了展示一个具体的应用示例，我们专注于生物信息学，系统生物学，尤其是生物医学，但是提出的方法也适用于许多其他领域。系统生物学是统计数据驱动的机器学习能够分析大量多模式生物医学数据的一个很好的例子。这对于达到精密医学的未来目标很重要，在该目标中，患者的复杂性是在系统层面上建模的，以最佳量身定制医疗决策，健康实践和疗法。我们提出的方法可以帮助揭示从多词数据数据的引起疾病的网络模块，以更好地了解诸如癌症之类的复杂疾病。

在本文中，我们提供了针对深度学习（DL）模型的结构化文献分析，该模型用于支持癌症生物学的推论，并特别强调了多词分析。这项工作着重于现有模型如何通过先验知识，生物学合理性和解释性，生物医学领域的基本特性来解决更好的对话。我们讨论了DL模型的最新进化拱门沿整合先前的生物关系和网络知识的方向，以支持更好的概括（例如途径或蛋白质 - 蛋白质相互作用网络）和解释性。这代表了向模型的基本功能转变，该模型可以整合机械和统计推断方面。我们讨论了在此类模型中整合域先验知识的代表性方法。该论文还为解释性和解释性的当代方法提供了关键的看法。该分析指向编码先验知识和改善解释性之间的融合方向。

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.

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。

可说明的人工智能（XAI）被确定为使用机器学习（ML）模型进行预测时确定功能的重要性的可行方法。在这项研究中，我们创建了将个人健康信息（例如，他们的药物历史和合并症）作为输入的模型，并预测个体将具有急性冠状动脉综合征（ACS）不利结果的可能性。使用Xai，我们量化了特定药物对这些ACS预测的贡献，从而产生了基于XAI的药物检测技术，使用ACS作为检测的不利结果的示例。鉴定了1993年至2009年在1993年至2009年期间提供的65岁以上的人（解剖治疗化学（ATC）级别M）或心血管系统（ATC类C）药物，以及其药物历史，组合和其他关键特征来自联系的西澳大利亚数据集。培训多种ML模型以预测这些个体如果这些个体具有ACS相关的不利结果（即，用于ACS的放电诊断的死亡或住院），并且使用各种ML和XAI技术来计算哪种特征 - 特别是哪种药物 - 导致这些预测。发现ROFecoxib和Celecoxib的药物分配特征对ACS相关的不利结果预测（平均）的贡献大于零效果，并且发现ACS相关的不利结果可以预测72％的准确度。此外，发现Xai库石灰和Shap成功识别重要和不重要的功能，具有略微优于石灰的形状。 ML培训的ML模型与XAI算法串联的连接行政健康数据集可以成功地量化特征重要性，并且随着进一步的开发，可能被用作药物检测技术。

与经典的统计学习方法相比，机器和深度学习生存模型表现出相似甚至改进事件的预测能力，但太复杂了，无法被人类解释。有几种模型不合时宜的解释可以克服这个问题。但是，没有一个直接解释生存函数预测。在本文中，我们介绍了Survhap（t），这是第一个允许解释生存黑盒模型的解释。它基于Shapley添加性解释，其理论基础稳定，并在机器学习从业人员中广泛采用。拟议的方法旨在增强精确诊断和支持领域的专家做出决策。关于合成和医学数据的实验证实，survhap（t）可以检测具有时间依赖性效果的变量，并且其聚集是对变量对预测的重要性的决定因素，而不是存活。 survhap（t）是模型不可屈服的，可以应用于具有功能输出的所有型号。我们在http://github.com/mi2datalab/survshap中提供了python中时间相关解释的可访问实现。

使用福利值的添加特征说明已经成为为每个特征的相对重要性提供给机器学习模型的个人预测的透明度。虽然福利值在合作博弈论中提供了独特的添加剂特征归因，但即使是单机学习模型也可以生成的福利值远非独特，具有影响所产生的血统的理论和实施决策。在这里，我们考虑福利值的应用解释决策树集合，并提出了一种可以应用于随机林和提升决策树的基于福芙值的特征归属的新方法。这种新方法提供了准确地反映各个实例的模型预测算法的细节的属性，同时使用最广泛使用的当前方法之一进行计算竞争。我们解释了标准和新颖方法之间的理论差异，并使用合成和实数据进行比较它们的绩效。

生物医学网络是与疾病网络的蛋白质相互作用的普遍描述符，从蛋白质相互作用，一直到医疗保健系统和科学知识。随着代表学习提供强大的预测和洞察的显着成功，我们目睹了表现形式学习技术的快速扩展，进入了这些网络的建模，分析和学习。在这篇综述中，我们提出了一个观察到生物学和医学中的网络长期原则 - 而在机器学习研究中经常出口 - 可以为代表学习提供概念基础，解释其当前的成功和限制，并告知未来进步。我们综合了一系列算法方法，即在其核心利用图形拓扑到将网络嵌入到紧凑的向量空间中，并捕获表示陈述学习证明有用的方式的广度。深远的影响包括鉴定复杂性状的变异性，单细胞的异心行为及其对健康的影响，协助患者的诊断和治疗以及制定安全有效的药物。

即使有效，模型的使用也必须伴随着转换数据的各个级别的理解（上游和下游）。因此，需求增加以定义单个数据与算法可以根据其分析可以做出的选择（例如，一种产品或一种促销报价的建议，或代表风险的保险费率）。模型用户必须确保模型不会区分，并且也可以解释其结果。本文介绍了模型解释的重要性，并解决了模型透明度的概念。在保险环境中，它专门说明了如何使用某些工具来强制执行当今可以利用机器学习的精算模型的控制。在一个简单的汽车保险中损失频率估计的示例中，我们展示了一些解释性方法的兴趣，以适应目标受众的解释。

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。

人工智能（AI）使机器能够从人类经验中学习，适应新的输入，并执行人类的人类任务。 AI正在迅速发展，从过程自动化到认知增强任务和智能流程/数据分析的方式转换业务方式。然而，人类用户的主要挑战是理解和适当地信任AI算法和方法的结果。在本文中，为了解决这一挑战，我们研究并分析了最近在解释的人工智能（XAI）方法和工具中所做的最新工作。我们介绍了一种新颖的XAI进程，便于生产可解释的模型，同时保持高水平的学习性能。我们提出了一种基于互动的证据方法，以帮助人类用户理解和信任启用AI的算法创建的结果和输出。我们在银行域中采用典型方案进行分析客户交易。我们开发数字仪表板以促进与算法的互动结果，并讨论如何提出的XAI方法如何显着提高数据科学家对理解启用AI的算法结果的置信度。

机器学习渗透到许多行业，这为公司带来了新的利益来源。然而，在人寿保险行业中，机器学习在实践中并未被广泛使用，因为在过去几年中，统计模型表明了它们的风险评估效率。因此，保险公司可能面临评估人工智能价值的困难。随着时间的流逝，专注于人寿保险行业的修改突出了将机器学习用于保险公司的利益以及通过释放数据价值带来的利益。本文回顾了传统的生存建模方法论，并通过机器学习技术扩展了它们。它指出了与常规机器学习模型的差异，并强调了特定实现在与机器学习模型家族中面对审查数据的重要性。在本文的补充中，已经开发了Python库。已经调整了不同的开源机器学习算法，以适应人寿保险数据的特殊性，即检查和截断。此类模型可以轻松地从该SCOR库中应用，以准确地模拟人寿保险风险。

基于树的算法，如随机森林和渐变增强树，继续成为多学科最受欢迎和强大的机器学习模型之一。估计基于树模型中特征的影响的传统智慧是测量\脑缩小{节目减少损失函数}，（i）仅收集全球重要性措施和（ii）遭受严重影响偏见。条件特征贡献（CFC）通过遵循决策路径并将模型的预期输出的更改归因于路径的每个功能，提供对预测的\ yourceit {local}，逐个案例说明。但是，Lundberg等人。指出了CFC的潜在偏见，这取决于与树根的距离。现在是现在非常受欢迎的替代方案，福芙添加剂解释（Shap）值似乎减轻了这种偏差，但计算得多更昂贵。在这里，我们有助于对两种公开可用的分类问题的两种方法计算的解释进行了彻底的比较，以便向当前研究人员提供数据驱动算法的建议。对于随机森林，我们发现本地和全球形状值和CFC分数的极高相似之处和相关性，导致非常相似的排名和解释。类似的结论对于使用全局特征重要性分数的保真度作为与每个特征相关的预测电力的代理。

从大量嘈杂的候选人中选择一小部分信息功能是一个充满挑战的问题，即机器学习和近似贝叶斯计算中的许多应用程序。在实践中，还需要考虑计算信息丰富功能的成本。这对于网络尤为重要，因为单个功能的计算成本可以跨越几个数量级。我们使用两种方法解决了网络模型选择问题的问题。首先，我们调整了九种功能选择方法来说明功能成本。我们为两类网络模型显示，可以通过两个数量级降低成本，而不会极大地影响分类精度（正确识别的模型的比例）。其次，我们使用具有较小网络的Pilot模拟选择了功能。这种方法将计算成本降低了50倍，而不会影响分类精度。为了证明我们的方法的实用性，我们将其应用于三个不同的酵母蛋白相互作用网络，并确定了最合适的重复差异模型。

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。

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。

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。

越来越多的电子健康记录（EHR）数据和深度学习技术进步的越来越多的可用性（DL）已经引发了在开发基于DL的诊断，预后和治疗的DL临床决策支持系统中的研究兴趣激增。尽管承认医疗保健的深度学习的价值，但由于DL的黑匣子性质，实际医疗环境中进一步采用的障碍障碍仍然存在。因此，有一个可解释的DL的新兴需求，它允许最终用户评估模型决策，以便在采用行动之前知道是否接受或拒绝预测和建议。在这篇综述中，我们专注于DL模型在医疗保健中的可解释性。我们首先引入深入解释性的方法，并作为该领域的未来研究人员或临床从业者的方法参考。除了这些方法的细节之外，我们还包括对这些方法的优缺点以及它们中的每个场景都适合的讨论，因此感兴趣的读者可以知道如何比较和选择它们供使用。此外，我们讨论了这些方法，最初用于解决一般域问题，已经适应并应用于医疗保健问题以及如何帮助医生更好地理解这些数据驱动技术。总的来说，我们希望这项调查可以帮助研究人员和从业者在人工智能（AI）和临床领域了解我们为提高其DL模型的可解释性并相应地选择最佳方法。

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。

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。