最近，值得信赖的AI概念引起了广泛的关注。与值得信赖的AI相关的方面之一是ML模型的鲁棒性。在这项研究中，我们展示了如何计算基于树的分类器的稳健性，以衡量对现实世界的量度的衡量标准。计算现实世界稳定性的原始方法适用于所有黑匣子分类器，但仅是一个近似值。在这里，我们展示了在假设自然变形是由多变量正常分布给出的假设下，可以针对基于树的分类器进行精确计算。
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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。
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时间序列数据在许多现实世界中（例如，移动健康）和深神经网络（DNNS）中产生，在解决它们方面已取得了巨大的成功。尽管他们成功了，但对他们对对抗性攻击的稳健性知之甚少。在本文中，我们提出了一个通过统计特征（TSA-STAT）}称为时间序列攻击的新型对抗框架}。为了解决时间序列域的独特挑战，TSA-STAT对时间序列数据的统计特征采取限制来构建对抗性示例。优化的多项式转换用于创建比基于加性扰动的攻击（就成功欺骗DNN而言）更有效的攻击。我们还提供有关构建对抗性示例的统计功能规范的认证界限。我们对各种现实世界基准数据集的实验表明，TSA-STAT在欺骗DNN的时间序列域和改善其稳健性方面的有效性。 TSA-STAT算法的源代码可在https://github.com/tahabelkhouja/time-series-series-attacks-via-statity-features上获得
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背景信息：在过去几年中，机器学习（ML）一直是许多创新的核心。然而，包括在所谓的“安全关键”系统中，例如汽车或航空的系统已经被证明是非常具有挑战性的，因为ML的范式转变为ML带来完全改变传统认证方法。目的：本文旨在阐明与ML为基础的安全关键系统认证有关的挑战，以及文献中提出的解决方案，以解决它们，回答问题的问题如何证明基于机器学习的安全关键系统？'方法：我们开展2015年至2020年至2020年之间发布的研究论文的系统文献综述（SLR），涵盖了与ML系统认证有关的主题。总共确定了217篇论文涵盖了主题，被认为是ML认证的主要支柱：鲁棒性，不确定性，解释性，验证，安全强化学习和直接认证。我们分析了每个子场的主要趋势和问题，并提取了提取的论文的总结。结果：单反结果突出了社区对该主题的热情，以及在数据集和模型类型方面缺乏多样性。它还强调需要进一步发展学术界和行业之间的联系，以加深域名研究。最后，它还说明了必须在上面提到的主要支柱之间建立连接的必要性，这些主要柱主要主要研究。结论：我们强调了目前部署的努力，以实现ML基于ML的软件系统，并讨论了一些未来的研究方向。
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在这项工作中，我们研究了基于分数的梯度学习在判别和生成分类设置中的应用。分数函数可用于将数据分布描述为密度的替代方案。它可以通过分数匹配有效地学习，并用于灵活地生成可靠的样本以增强判别性分类质量，以恢复密度并构建生成性分类器。我们分析了涉及基于分数表示的决策理论，并对模拟和现实世界数据集进行了实验，证明了其在实现和改善算法分类性能以及对扰动的鲁棒性方面的有效性，尤其是在高维和不平衡状况下。
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决策森林（森林），尤其是随机森林和梯度促进树木，与许多监督学习场景中的其他方法相比，已经证明了最先进的准确性。尤其是，森林在表格数据中占主导地位，即当特征空间非结构化时，因此信号是特征指数置换的不变性。然而，在存在于多种多样（例如图像，文本和语音）深网（网络）（特别是卷积深网（Convnets））上的结构化数据中，倾向于优于森林。我们猜想至少部分原因是网络的输入不仅仅是特征幅度，也是其索引。相反，天真的森林实施未能明确考虑特征指数。最近提出的森林方法表明，对于每个节点，森林从某些特定分布中隐式采样一个随机矩阵。这些森林像某些类别的网络一样，通过将特征空间划分为对应于线性函数的凸多物体来学习。我们以这种方法为基础，并表明人们可以以多种感知方式选择分布来纳入特征区域。我们在数据上活在三个不同的流形上的数据上证明了经验性能：圆环，图像和时间序列。此外，我们证明了其在多元模拟环境中的强度，并且在预测癫痫患者的手术结果方面也表现出了优越性，并从非运动脑区域的原始立体定向EEG数据中预测运动方向。在所有模拟和真实数据中，歧管随机森林（MORF）算法的表现优于忽略特征空间结构并挑战Convnets的性能。此外，MORF运行迅速，并保持解释性和理论上的理由。
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量化监督学习模型的不确定性在制定更可靠的预测方面发挥着重要作用。认知不确定性，通常是由于对模型的知识不足，可以通过收集更多数据或精炼学习模型来减少。在过去的几年里，学者提出了许多认识的不确定性处理技术，这些技术可以大致分为两类，即贝叶斯和集合。本文对过去五年来提供了对监督学习的认识性不确定性学习技术的全面综述。因此，我们首先，将认知不确定性分解为偏见和方差术语。然后，介绍了认知不确定性学习技术以及其代表模型的分层分类。此外，提出了几种应用，例如计算机视觉（CV）和自然语言处理（NLP），然后讨论研究差距和可能的未来研究方向。
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相关特征的识别，即确定系统的过程或属性的驱动变量，是对具有大量变量的数据集分析的重要组成部分。量化这些特征相关性的数学严格方法是相互信息。相互信息确定特征在其联合相互依赖与感兴趣的财产方面的相关性。但是，相互信息需要作为输入概率分布，这不能可靠地从连续分布（例如长度或能量）等连续分布中估计。在这里，我们介绍了总累积共同信息（TCMI），这是对相互依赖关系的相关性的度量，该信息将相互信息扩展到基于累积概率分布的连续分布的随机变量。 TCMI是一种非参数，鲁棒和确定性的度量，可促进具有不同基数的特征集之间的比较和排名。 TCMI诱导的排名允许特征选择，即，考虑到数据示例的数量以及一组变量集的基数，识别与感兴趣属性的非线性统计学相关的变量集的识别。我们通过模拟数据评估测量的性能，将其性能与类似的多元依赖性度量进行比较，并在一组标准数据集中证明了我们的功能选择方法的有效性以及材料科学中的典型情况。
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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.
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机器学习模型通常会遇到与训练分布不同的样本。无法识别分布（OOD）样本，因此将该样本分配给课堂标签会显着损害模型的可靠性。由于其对在开放世界中的安全部署模型的重要性，该问题引起了重大关注。由于对所有可能的未知分布进行建模的棘手性，检测OOD样品是具有挑战性的。迄今为止，一些研究领域解决了检测陌生样本的问题，包括异常检测，新颖性检测，一级学习，开放式识别识别和分布外检测。尽管有相似和共同的概念，但分别分布，开放式检测和异常检测已被独立研究。因此，这些研究途径尚未交叉授粉，创造了研究障碍。尽管某些调查打算概述这些方法，但它们似乎仅关注特定领域，而无需检查不同领域之间的关系。这项调查旨在在确定其共同点的同时，对各个领域的众多著名作品进行跨域和全面的审查。研究人员可以从不同领域的研究进展概述中受益，并协同发展未来的方法。此外，据我们所知，虽然进行异常检测或单级学习进行了调查，但没有关于分布外检测的全面或最新的调查，我们的调查可广泛涵盖。最后，有了统一的跨域视角，我们讨论并阐明了未来的研究线，打算将这些领域更加紧密地融为一体。
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这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。
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基于树的合奏以其出色的性能而闻名，其分类和回归问题以特征向量为特征，这些特征向量由来自各个范围和域的混合型变量表示。但是，考虑回归问题，它们主要旨在提供确定性的响应，或者用高斯分布来建模输出的不确定性。在这项工作中，我们介绍了TreeFlow，这是基于树的方法，结合了使用树形合奏和使用标准化流量的灵活概率分布进行建模的功能的好处。该解决方案的主要思想是将基于树的模型用作特征提取器，并将其与标准化流量的条件变体组合。因此，我们的方法能够为回归输出建模复杂分布。我们评估了针对具有不同体积，特征特征和目标维度的挑战回归基准的提议方法。与基于树的回归基线相比，我们在具有非高斯目标分布的数据集上获得了SOTA结果。
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在本讨论文件中，我们调查了有关机器学习模型鲁棒性的最新研究。随着学习算法在数据驱动的控制系统中越来越流行，必须确保它们对数据不确定性的稳健性，以维持可靠的安全至关重要的操作。我们首先回顾了这种鲁棒性的共同形式主义，然后继续讨论训练健壮的机器学习模型的流行和最新技术，以及可证明这种鲁棒性的方法。从强大的机器学习的这种统一中，我们识别并讨论了该地区未来研究的迫切方向。
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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。
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无法假定数据驱动AI模型的结果总是正确的。为了估算这些结果中的不确定性，已经提出了不确定性包装框架，其考虑了与模型适合，输入质量和范围合规相关的不确定性。不确定性包装器使用决策树方法来群集输入质量相关的不确定性，严格分配输入到不同的不确定性集群。因此，仅一个特征的略有变化可能导致群集分配，具有显着不同的不确定性。我们的目标是用一种方法取代这一点，这种方法可以在保留解释性，运行时复杂度和预测性能的同时减轻这些作业的硬决策界限。选择五种方法作为候选人并集成到不确定性包装框架中。对于基于Brier评分的评估，使用Carla Simulator和Yolov3生成用于行人检测用例的数据集。所有综合方法都达到了不确定估计的软化，即平滑。然而，与决策树相比，它们并不是那么容易解释并具有更高的运行时复杂性。此外，雷恩分数的一些组成部分损害，而其他部分则改善。关于Brier得分的最有前途是随机森林。总之，软化硬决策树边界似乎是一个权衡决定。
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最近，在气象学中使用机器学习大大增加了。尽管许多机器学习方法并不是什么新鲜事物，但有关机器学习的大学课程在很大程度上是气象学专业的学生，不需要成为气象学家。缺乏正式的教学导致人们认为机器学习方法是“黑匣子”，因此最终用户不愿在每天的工作流程中应用机器学习方法。为了减少机器学习方法的不透明性，并降低了对气象学中机器学习的犹豫，本文对一些最常见的机器学习方法进行了调查。一个熟悉的气象示例用于将机器学习方法背景化，同时还使用普通语言讨论机器学习主题。证明了以下机器学习方法：线性回归；逻辑回归；决策树；随机森林；梯度增强了决策树；天真的贝叶斯；并支持向量机。除了讨论不同的方法外，本文还包含有关通用机器学习过程的讨论以及最佳实践，以使读者能够将机器学习应用于自己的数据集。此外，所有代码（以Jupyter笔记本电脑和Google Colaboratory Notebooks的形式）用于在论文中进行示例，以促进气象学中的机器学习使用。
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嵌入在自主系统中的机器学习（ML）组件的增加使用 - 所谓的启用学习的系统（LES） - 导致压力需要确保其功能安全性。至于传统的功能安全，在工业和学术界的新兴共识是为此目的使用保证案例。通常，保证案例支持可靠性的支持权，支持安全性，并且可以被视为组织争论和从安全分析和可靠性建模活动产生的证据的结构化方式。虽然这些保证活动传统上由基于协商一致的标准，但由于ML模型的特点和设计，在安全关键应用中，LES构成了新的挑战。在本文中，我们首先向LES提出了一种强调定量方面的总体保证框架，例如，打破系统级安全目标与可靠性指标中所述的组件级要求和支持索赔。然后，我们向ML分类器介绍一种新的模型 - 不可能可靠性评估模型（RAM），该分类器利用操作简档和鲁棒性验证证据。我们讨论了模型假设以及评估我们RAM揭示的ML可靠性的固有挑战，并提出了实用的解决方案。还基于RAM开发了较低ML组件级的概率安全争论。最后，为了评估和展示我们的方法，我们不仅对合成/基准数据集进行实验，还展示了我们对模拟中自动水下车辆的综合案例研究的方法。
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Precision Medicine根据患者的特征为患者提供定制的治疗方法，是提高治疗效率的一种有希望的方法。大规模的OMICS数据对于患者表征很有用，但是它们的测量经常会随着时间而变化，从而导致纵向数据。随机森林是用于构建预测模型的最先进的机器学习方法之一，并且可以在精密医学中发挥关键作用。在本文中，我们回顾了标准随机森林方法的扩展，以进行纵向数据分析。扩展方法根据其设计的数据结构进行分类。我们考虑单变量和多变量响应，并根据时间效应是否相关，进一步对重复测量进行分类。还提供了审查扩展程序的可用软件实现信息。最后，我们讨论了我们审查的局限性和一些未来的研究指示。
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在过去几十年中，已经提出了各种方法，用于估计回归设置中的预测间隔，包括贝叶斯方法，集合方法，直接间隔估计方法和保形预测方法。重要问题是这些方法的校准：生成的预测间隔应该具有预定义的覆盖水平，而不会过于保守。在这项工作中，我们从概念和实验的角度审查上述四类方法。结果来自各个域的基准数据集突出显示从一个数据集中的性能的大波动。这些观察可能归因于违反某些类别的某些方法所固有的某些假设。我们说明了如何将共形预测用作提供不具有校准步骤的方法的方法的一般校准程序。
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Building models that comply with the invariances inherent to different domains, such as invariance under translation or rotation, is a key aspect of applying machine learning to real world problems like molecular property prediction, medical imaging, protein folding or LiDAR classification. For the first time, we study how the invariances of a model can be leveraged to provably guarantee the robustness of its predictions. We propose a gray-box approach, enhancing the powerful black-box randomized smoothing technique with white-box knowledge about invariances. First, we develop gray-box certificates based on group orbits, which can be applied to arbitrary models with invariance under permutation and Euclidean isometries. Then, we derive provably tight gray-box certificates. We experimentally demonstrate that the provably tight certificates can offer much stronger guarantees, but that in practical scenarios the orbit-based method is a good approximation.
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