Explainability has become a central requirement for the development, deployment, and adoption of machine learning (ML) models and we are yet to understand what explanation methods can and cannot do. Several factors such as data, model prediction, hyperparameters used in training the model, and random initialization can all influence downstream explanations. While previous work empirically hinted that explanations (E) may have little relationship with the prediction (Y), there is a lack of conclusive study to quantify this relationship. Our work borrows tools from causal inference to systematically assay this relationship. More specifically, we measure the relationship between E and Y by measuring the treatment effect when intervening on their causal ancestors (hyperparameters) (inputs to generate saliency-based Es or Ys). We discover that Y's relative direct influence on E follows an odd pattern; the influence is higher in the lowest-performing models than in mid-performing models, and it then decreases in the top-performing models. We believe our work is a promising first step towards providing better guidance for practitioners who can make more informed decisions in utilizing these explanations by knowing what factors are at play and how they relate to their end task.

基于AI和机器学习的决策系统已在各种现实世界中都使用，包括医疗保健，执法，教育和金融。不再是牵强的，即设想一个未来，自治系统将推动整个业务决策，并且更广泛地支持大规模决策基础设施以解决社会最具挑战性的问题。当人类做出决定时，不公平和歧视的问题普遍存在，并且当使用几乎没有透明度，问责制和公平性的机器做出决定时（或可能会放大）。在本文中，我们介绍了\ textit {Causal公平分析}的框架，目的是填补此差距，即理解，建模，并可能解决决策设置中的公平性问题。我们方法的主要见解是将观察到数据中存在的差异的量化与基本且通常是未观察到的因果机制收集的因果机制的收集，这些机制首先会产生差异，挑战我们称之为因果公平的基本问题分析（FPCFA）。为了解决FPCFA，我们研究了分解差异和公平性的经验度量的问题，将这种变化归因于结构机制和人群的不同单位。我们的努力最终达到了公平地图，这是组织和解释文献中不同标准之间关系的首次系统尝试。最后，我们研究了进行因果公平分析并提出一本公平食谱的最低因果假设，该假设使数据科学家能够评估不同影响和不同治疗的存在。

会员推理（MI）攻击突出了当前神经网络随机培训方法中的隐私弱点。然而，它为什么出现。它们仅是不完美概括的自然结果吗？在培训期间，我们应该解决哪些根本原因以减轻这些攻击？为了回答此类问题，我们提出了第一种解释MI攻击及其基于原则性因果推理的概括的方法。我们提供因果图，以定量地解释以$ 6 $攻击变体获得的观察到的MI攻击性能。我们驳斥了几种先前的非量化假设，这些假设过于简化或过度估计潜在原因的影响，从而未能捕获几个因素之间的复杂相互作用。我们的因果模型还通过共同的因果因素显示了概括和MI攻击之间的新联系。我们的因果模型具有很高的预测能力（$ 0.90 $），即它们的分析预测与经常看不见的实验中的观察结果相匹配，这使得通过它们的分析成为务实的替代方案。

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。

Explainability has been widely stated as a cornerstone of the responsible and trustworthy use of machine learning models. With the ubiquitous use of Deep Neural Network (DNN) models expanding to risk-sensitive and safety-critical domains, many methods have been proposed to explain the decisions of these models. Recent years have also seen concerted efforts that have shown how such explanations can be distorted (attacked) by minor input perturbations. While there have been many surveys that review explainability methods themselves, there has been no effort hitherto to assimilate the different methods and metrics proposed to study the robustness of explanations of DNN models. In this work, we present a comprehensive survey of methods that study, understand, attack, and defend explanations of DNN models. We also present a detailed review of different metrics used to evaluate explanation methods, as well as describe attributional attack and defense methods. We conclude with lessons and take-aways for the community towards ensuring robust explanations of DNN model predictions.

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。

This review presents empirical researchers with recent advances in causal inference, and stresses the paradigmatic shifts that must be undertaken in moving from traditional statistical analysis to causal analysis of multivariate data. Special emphasis is placed on the assumptions that underly all causal inferences, the languages used in formulating those assumptions, the conditional nature of all causal and counterfactual claims, and the methods that have been developed for the assessment of such claims. These advances are illustrated using a general theory of causation based on the Structural Causal Model (SCM) described in Pearl (2000a), which subsumes and unifies other approaches to causation, and provides a coherent mathematical foundation for the analysis of causes and counterfactuals. In particular, the paper surveys the development of mathematical tools for inferring (from a combination of data and assumptions) answers to three types of causal queries: (1) queries about the effects of potential interventions, (also called "causal effects" or "policy evaluation") (2) queries about probabilities of counterfactuals, (including assessment of "regret," "attribution" or "causes of effects") and (3) queries about direct and indirect effects (also known as "mediation"). Finally, the paper defines the formal and conceptual relationships between the structural and potential-outcome frameworks and presents tools for a symbiotic analysis that uses the strong features of both.

Explainable AI (XAI) is widely viewed as a sine qua non for ever-expanding AI research. A better understanding of the needs of XAI users, as well as human-centered evaluations of explainable models are both a necessity and a challenge. In this paper, we explore how HCI and AI researchers conduct user studies in XAI applications based on a systematic literature review. After identifying and thoroughly analyzing 85 core papers with human-based XAI evaluations over the past five years, we categorize them along the measured characteristics of explanatory methods, namely trust, understanding, fairness, usability, and human-AI team performance. Our research shows that XAI is spreading more rapidly in certain application domains, such as recommender systems than in others, but that user evaluations are still rather sparse and incorporate hardly any insights from cognitive or social sciences. Based on a comprehensive discussion of best practices, i.e., common models, design choices, and measures in user studies, we propose practical guidelines on designing and conducting user studies for XAI researchers and practitioners. Lastly, this survey also highlights several open research directions, particularly linking psychological science and human-centered XAI.

越来越多的研究进行了人类主题评估，以研究为用户提供机器学习模型的解释是否可以帮助他们制定实际现实世界中的用例。但是，运行的用户研究具有挑战性且昂贵，因此每个研究通常只评估有限的不同设置，例如，研究通常只评估一些任意选择的解释方法。为了应对这些挑战和援助用户研究设计，我们介绍了用用例的模拟评估（Simevals）。 SIMEVALS涉及培训算法剂，以输入信息内容（例如模型解释），这些信息内容将在人类学科研究中提交给每个参与者，以预测感兴趣的用例的答案。算法代理的测试集精度提供了衡量下游用例信息内容的预测性。我们对三种现实世界用例（正向模拟，模型调试和反事实推理）进行全面评估，以证明Simevals可以有效地确定哪种解释方法将为每个用例提供帮助。这些结果提供了证据表明，Simevals可用于有效筛选一组重要的用户研究设计决策，例如在进行潜在昂贵的用户研究之前，选择应向用户提供哪些解释。

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。

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.

This work shows how to leverage causal inference to understand the behavior of complex learning systems interacting with their environment and predict the consequences of changes to the system. Such predictions allow both humans and algorithms to select the changes that would have improved the system performance. This work is illustrated by experiments on the ad placement system associated with the Bing search engine.

关于人们的预测，例如他们预期的教育成就或信用风险，可以表现出色，并塑造他们旨在预测的结果。了解这些预测对最终结果的因果影响对于预测未来预测模型的含义并选择要部署哪些模型至关重要。但是，该因果估计任务带来了独特的挑战：模型预测通常是输入特征的确定性功能，并且与结果高度相关，这可能使预测的因果效应不可能从协变量的直接效应中解散。我们通过因果可识别性的角度研究了这个问题，尽管该问题完全普遍，但我们突出了三种自然情况，在这些情况下，可以从观察数据中确定预测对结果的因果影响：基于预测或基于预测的决策中的随机化。 ，在数据收集过程中部署的预测模型和离散预测输出的过度参数化。我们从经验上表明，在适当的可识别性条件下，从预测中预测的监督学习的标准变体可以找到特征，预测和结果之间的可转移功能关系，从而得出有关新部署的预测模型的结论。我们的积极结果从根本上依赖于在数据收集期间记录的模型预测，从而提出了重新思考标准数据收集实践的重要性，以使进步能够更好地理解社会成果和表现性反馈循环。

最近的一些作品关于机器学习与因果关系之间的联系。在一个反向思考过程中，从因果模型中的心理模型的基础开始，我们加强了这些初始作品，结果表明XAI实质上要求机器学习学习与手头任务一致的因果关系。通过认识到人类的心理模型（HMM）如何自然地由Pearlian结构性因果模型（SCM）表示，我们通过构建线性SCM的示例度量空间来做出两个关键观察：首先，“真实”数据的概念 - 在SCM下是合理的，其次是，人类衍生的SCM的聚集可能指向“真实” SCM。在这些见解的含义中，我们以第三种观察结果认为，从HMM中得出的解释必须暗示在SCM框架中的解释性。在此直觉之后，我们使用这些首先建立的第一原则提出了原始推导，以揭示与给定SCM一致的人类可读解释方案，证明命名结构性因果解释（SCI）是合理的。进一步，我们从理论和经验上分析了这些SCI及其数学特性。我们证明，任何现有的图形诱导方法（GIM）实际上在科幻义中都是可以解释的。我们的第一个实验（E1）评估了这种基于GIM的SCI的质量。在（E2）中，我们观察到了我们对基于SCI学习的样本效率提高的猜想的证据。对于（e3），我们进行了一项研究（n = 22），并观察基于人类的SCI比GIM的SCI优势，从而证实了我们的初始假设。

科学研究的基本目标是了解因果关系。然而，尽管因果关系在生活和社会科学中的重要作用，但在自然语言处理（NLP）中并不具有相同的重要性，而自然语言处理（NLP）传统上更加重视预测任务。这种区别开始逐渐消失，随着因果推理和语言处理的融合，跨学科研究的新兴领域。尽管如此，关于NLP因果关系的研究仍然散布在没有统一的定义，基准数据集的情况下，并清楚地表达了将因果推论应用于文本领域的挑战和机遇，并具有其独特的属性。在这项调查中，我们巩固了整个学术领域的研究，并将其置于更广泛的NLP景观中。我们介绍了用文本估算因果效应的统计挑战，其中包含文本用作结果，治疗或解决混杂问题的设置。此外，我们探讨了因果推理的潜在用途，以提高NLP模型的鲁棒性，公平性和解释性。因此，我们提供了NLP社区因果推断的统一概述。

因果关系是理解世界的科学努力的基本组成部分。不幸的是，在心理学和社会科学中，因果关系仍然是禁忌。由于越来越多的建议采用因果方法进行研究的重要性，我们重新制定了心理学研究方法的典型方法，以使不可避免的因果理论与其余的研究渠道协调。我们提出了一个新的过程，该过程始于从因果发现和机器学习的融合中纳入技术的发展，验证和透明的理论形式规范。然后，我们提出将完全指定的理论模型的复杂性降低到与给定目标假设相关的基本子模型中的方法。从这里，我们确定利息量是否可以从数据中估算出来，如果是的，则建议使用半参数机器学习方法来估计因果关系。总体目标是介绍新的研究管道，该管道可以（a）促进与测试因果理论的愿望兼容的科学询问（b）鼓励我们的理论透明代表作为明确的数学对象，（c）将我们的统计模型绑定到我们的统计模型中该理论的特定属性，因此减少了理论到模型间隙通常引起的规范不足问题，以及（d）产生因果关系和可重复性的结果和估计。通过具有现实世界数据的教学示例来证明该过程，我们以摘要和讨论来结论。

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。

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。

The widely used 'Counterfactual' definition of Causal Effects was derived for unbiasedness and accuracy - and not generalizability. We propose a simple definition for the External Validity (EV) of Interventions and Counterfactuals. The definition leads to EV statistics for individual counterfactuals, and to non-parametric effect estimators for sets of counterfactuals (i.e., for samples). We use this new definition to discuss several issues that have baffled the original counterfactual formulation: out-of-sample validity, reliance on independence assumptions or estimation, concurrent estimation of multiple effects and full-models, bias-variance tradeoffs, statistical power, omitted variables, and connections to current predictive and explaining techniques. Methodologically, the definition also allows us to replace the parametric, and generally ill-posed, estimation problems that followed the counterfactual definition by combinatorial enumeration problems in non-experimental samples. We use this framework to generalize popular supervised, explaining, and causal-effect estimators, improving their performance across three dimensions (External Validity, Unconfoundness and Accuracy) and enabling their use in non-i.i.d. samples. We demonstrate gains over the state-of-the-art in out-of-sample prediction, intervention effect prediction and causal effect estimation tasks. The COVID19 pandemic highlighted the need for learning solutions to provide general predictions in small samples - many times with missing variables. We also demonstrate applications in this pressing problem.

因果效应估计对于自然和社会科学中的许多任务很重要。但是，如果没有做出强大的，通常无法测试的假设，就无法从观察数据中识别效果。我们考虑了部分识别问题的算法，当未衡量的混淆使鉴定不可能鉴定时，多变量，连续处理的界限治疗效果。我们考虑一个框架，即可观察的证据与基于规范标准在因果模型中编码的约束的含义相匹配。这纯粹是基于生成模型来概括经典方法。将因果关系施放为在受约束优化问题中的目标函数，我们将灵活的学习算法与蒙特卡洛方法相结合，以随机因果节目的名义实施解决方案家族。特别是，我们提出了可以通过因果或观察到的数据模型而没有可能性功能的参数功能的这种约束优化问题的方式，从而降低了任务的计算和统计复杂性。