Current learning machines have successfully solved hard application problems, reaching high accuracy and displaying seemingly "intelligent" behavior. Here we apply recent techniques for explaining decisions of state-of-the-art learning machines and analyze various tasks from computer vision and arcade games. This showcases a spectrum of problem-solving behaviors ranging from naive and short-sighted, to wellinformed and strategic. We observe that standard performance evaluation metrics can be oblivious to distinguishing these diverse problem solving behaviors. Furthermore, we propose our semi-automated Spectral Relevance Analysis that provides a practically effective way of characterizing and validating the behavior of nonlinear learning machines. This helps to assess whether a learned model indeed delivers reliably for the problem that it was conceived for. Furthermore, our work intends to add a voice of caution to the ongoing excitement about machine intelligence and pledges to evaluate and judge some of these recent successes in a more nuanced manner.
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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。
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我们提出了一种新的四管齐下的方法,在文献中首次建立消防员的情境意识。我们构建了一系列深度学习框架,彼此之叠,以提高消防员在紧急首次响应设置中进行的救援任务的安全性,效率和成功完成。首先,我们使用深度卷积神经网络(CNN)系统,以实时地分类和识别来自热图像的感兴趣对象。接下来,我们将此CNN框架扩展了对象检测,跟踪,分割与掩码RCNN框架,以及具有多模级自然语言处理(NLP)框架的场景描述。第三,我们建立了一个深入的Q学习的代理,免受压力引起的迷失方向和焦虑,能够根据现场消防环境中观察和存储的事实来制定明确的导航决策。最后,我们使用了一种低计算无监督的学习技术,称为张量分解,在实时对异常检测进行有意义的特征提取。通过这些临时深度学习结构,我们建立了人工智能系统的骨干,用于消防员的情境意识。要将设计的系统带入消防员的使用,我们设计了一种物理结构,其中处理后的结果被用作创建增强现实的投入,这是一个能够建议他们所在地的消防员和周围的关键特征,这对救援操作至关重要在手头,以及路径规划功能,充当虚拟指南,以帮助迷彩的第一个响应者恢复安全。当组合时,这四种方法呈现了一种新颖的信息理解,转移和综合方法,这可能会大大提高消防员响应和功效,并降低寿命损失。
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尽管深度强化学习(RL)最近取得了许多成功,但其方法仍然效率低下,这使得在数据方面解决了昂贵的许多问题。我们的目标是通过利用未标记的数据中的丰富监督信号来进行学习状态表示,以解决这一问题。本文介绍了三种不同的表示算法,可以访问传统RL算法使用的数据源的不同子集使用:(i)GRICA受到独立组件分析(ICA)的启发,并训练深层神经网络以输出统计独立的独立特征。输入。 Grica通过最大程度地减少每个功能与其他功能之间的相互信息来做到这一点。此外,格里卡仅需要未分类的环境状态。 (ii)潜在表示预测(LARP)还需要更多的上下文:除了要求状态作为输入外,它还需要先前的状态和连接它们的动作。该方法通过预测当前状态和行动的环境的下一个状态来学习状态表示。预测器与图形搜索算法一起使用。 (iii)重新培训通过训练深层神经网络来学习国家表示,以学习奖励功能的平滑版本。该表示形式用于预处理输入到深度RL,而奖励预测指标用于奖励成型。此方法仅需要环境中的状态奖励对学习表示表示。我们发现,每种方法都有其优势和缺点,并从我们的实验中得出结论,包括无监督的代表性学习在RL解决问题的管道中可以加快学习的速度。
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Recent progress in artificial intelligence (AI) has renewed interest in building systems that learn and think like people. Many advances have come from using deep neural networks trained end-to-end in tasks such as object recognition, video games, and board games, achieving performance that equals or even beats humans in some respects. Despite their biological inspiration and performance achievements, these systems differ from human intelligence in crucial ways. We review progress in cognitive science suggesting that truly human-like learning and thinking machines will have to reach beyond current engineering trends in both what they learn, and how they learn it. Specifically, we argue that these machines should (a) build causal models of the world that support explanation and understanding, rather than merely solving pattern recognition problems; (b) ground learning in intuitive theories of physics and psychology, to support and enrich the knowledge that is learned; and (c) harness compositionality and learning-to-learn to rapidly acquire and generalize knowledge to new tasks and situations. We suggest concrete challenges and promising routes towards these goals that can combine the strengths of recent neural network advances with more structured cognitive models.
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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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The International Workshop on Reading Music Systems (WoRMS) is a workshop that tries to connect researchers who develop systems for reading music, such as in the field of Optical Music Recognition, with other researchers and practitioners that could benefit from such systems, like librarians or musicologists. The relevant topics of interest for the workshop include, but are not limited to: Music reading systems; Optical music recognition; Datasets and performance evaluation; Image processing on music scores; Writer identification; Authoring, editing, storing and presentation systems for music scores; Multi-modal systems; Novel input-methods for music to produce written music; Web-based Music Information Retrieval services; Applications and projects; Use-cases related to written music. These are the proceedings of the 3rd International Workshop on Reading Music Systems, held in Alicante on the 23rd of July 2021.
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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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即使机器学习算法已经在数据科学中发挥了重要作用,但许多当前方法对输入数据提出了不现实的假设。由于不兼容的数据格式,或数据集中的异质,分层或完全缺少的数据片段,因此很难应用此类方法。作为解决方案,我们提出了一个用于样本表示,模型定义和培训的多功能,统一的框架,称为“ Hmill”。我们深入审查框架构建和扩展的机器学习的多个范围范式。从理论上讲,为HMILL的关键组件的设计合理,我们将通用近似定理的扩展显示到框架中实现的模型所实现的所有功能的集合。本文还包含有关我们实施中技术和绩效改进的详细讨论,该讨论将在MIT许可下发布供下载。该框架的主要资产是其灵活性,它可以通过相同的工具对不同的现实世界数据源进行建模。除了单独观察到每个对象的一组属性的标准设置外,我们解释了如何在框架中实现表示整个对象系统的图表中的消息推断。为了支持我们的主张,我们使用框架解决了网络安全域的三个不同问题。第一种用例涉及来自原始网络观察结果的IoT设备识别。在第二个问题中,我们研究了如何使用以有向图表示的操作系统的快照可以对恶意二进制文件进行分类。最后提供的示例是通过网络中实体之间建模域黑名单扩展的任务。在所有三个问题中,基于建议的框架的解决方案可实现与专业方法相当的性能。
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Nonlinear methods such as Deep Neural Networks (DNNs) are the gold standard for various challenging machine learning problems, e.g., image classification, natural language processing or human action recognition. Although these methods perform impressively well, they have a significant disadvantage, the lack of transparency, limiting the interpretability of the solution and thus the scope of application in practice. Especially DNNs act as black boxes due to their multilayer nonlinear structure. In this paper we introduce a novel methodology for interpreting generic multilayer neural networks by decomposing the network classification decision into contributions of its input elements. Although our focus is on image classification, the method is applicable to a broad set of input data, learning tasks and network architectures. Our method is based on deep Taylor decomposition and efficiently utilizes the structure of the network by backpropagating the explanations from the output to the input layer. We evaluate the proposed method empirically on the MNIST and ILSVRC data sets.
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Alphazero,Leela Chess Zero和Stockfish Nnue革新了计算机国际象棋。本书对此类引擎的技术内部工作进行了完整的介绍。该书分为四个主要章节 - 不包括第1章(简介)和第6章(结论):第2章引入神经网络,涵盖了所有用于构建深层网络的基本构建块,例如Alphazero使用的网络。内容包括感知器,后传播和梯度下降,分类,回归,多层感知器,矢量化技术,卷积网络,挤压网络,挤压和激发网络,完全连接的网络,批处理归一化和横向归一化和跨性线性单位,残留层,剩余层,过度效果和底漆。第3章介绍了用于国际象棋发动机以及Alphazero使用的经典搜索技术。内容包括minimax,alpha-beta搜索和蒙特卡洛树搜索。第4章展示了现代国际象棋发动机的设计。除了开创性的Alphago,Alphago Zero和Alphazero我们涵盖Leela Chess Zero,Fat Fritz,Fat Fritz 2以及有效更新的神经网络(NNUE)以及MAIA。第5章是关于实施微型α。 Shexapawn是国际象棋的简约版本,被用作为此的示例。 Minimax搜索可以解决六ap峰,并产生了监督学习的培训位置。然后,作为比较,实施了类似Alphazero的训练回路,其中通过自我游戏进行训练与强化学习结合在一起。最后,比较了类似α的培训和监督培训。
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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。
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本次调查绘制了用于分析社交媒体数据的生成方法的研究状态的广泛的全景照片(Sota)。它填补了空白,因为现有的调查文章在其范围内或被约会。我们包括两个重要方面,目前正在挖掘和建模社交媒体的重要性:动态和网络。社会动态对于了解影响影响或疾病的传播,友谊的形成,友谊的形成等,另一方面,可以捕获各种复杂关系,提供额外的洞察力和识别否则将不会被注意的重要模式。
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Deep neural networks (DNNs) have demonstrated superior performance over classical machine learning to support many features in safety-critical systems. Although DNNs are now widely used in such systems (e.g., self driving cars), there is limited progress regarding automated support for functional safety analysis in DNN-based systems. For example, the identification of root causes of errors, to enable both risk analysis and DNN retraining, remains an open problem. In this paper, we propose SAFE, a black-box approach to automatically characterize the root causes of DNN errors. SAFE relies on a transfer learning model pre-trained on ImageNet to extract the features from error-inducing images. It then applies a density-based clustering algorithm to detect arbitrary shaped clusters of images modeling plausible causes of error. Last, clusters are used to effectively retrain and improve the DNN. The black-box nature of SAFE is motivated by our objective not to require changes or even access to the DNN internals to facilitate adoption.Experimental results show the superior ability of SAFE in identifying different root causes of DNN errors based on case studies in the automotive domain. It also yields significant improvements in DNN accuracy after retraining, while saving significant execution time and memory when compared to alternatives. CCS Concepts: • Software and its engineering → Software defect analysis; • Computing methodologies → Machine learning.
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Superhuman神经网络代理如alphazero是什么?这个问题是科学和实际的兴趣。如果强神经网络的陈述与人类概念没有相似之处,我们理解他们的决定的忠实解释的能力将受到限制,最终限制了我们可以通过神经网络解释来实现的。在这项工作中,我们提供了证据表明,人类知识是由alphapero神经网络获得的,因为它在国际象棋游戏中列车。通过探究广泛的人类象棋概念,我们在alphazero网络中显示了这些概念的时间和地点。我们还提供了一种关注开放游戏的行为分析,包括来自国际象棋Grandmaster Vladimir Kramnik的定性分析。最后,我们开展了初步调查,观察alphazero的表现的低级细节,并在线提供由此产生的行为和代表性分析。
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人们容易概括到新型域和刺激的知识。我们提出了一种在计算模型中实例化的理论,基于跨域人类中的跨域泛化是对结构化(即,象征性)关系表示的模拟推断的情况。该模型是LISA和关系推论和学习的DORA模型的延伸。生成的模型在没有监控的情况下,从非关系输入中的关系和格式(即结构)(即,结构)既与强化学习的容量增强,利用这些表示来学习单个域,然后向新域推广首先通过模拟推理(即零拍摄学习)。我们展示了模型从各种简单的视觉刺激学习结构化关系表示的能力,并在视频游戏(突破和乒乓球)和几个心理任务之间进行跨域泛化。我们展示了模型的轨迹在学到关系时,旨在让孩子的轨迹镜头紧密地镜子,从文学中占据了儿童推理和类比制作的文献中的现象。该模型在域之间的概括能力展示了在其基础关系结构方面代表域的灵活性,而不是简单地就其投入和产出之间的统计关系而言。
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Explainable AI transforms opaque decision strategies of ML models into explanations that are interpretable by the user, for example, identifying the contribution of each input feature to the prediction at hand. Such explanations, however, entangle the potentially multiple factors that enter into the overall complex decision strategy. We propose to disentangle explanations by finding relevant subspaces in activation space that can be mapped to more abstract human-understandable concepts and enable a joint attribution on concepts and input features. To automatically extract the desired representation, we propose new subspace analysis formulations that extend the principle of PCA and subspace analysis to explanations. These novel analyses, which we call principal relevant component analysis (PRCA) and disentangled relevant subspace analysis (DRSA), optimize relevance of projected activations rather than the more traditional variance or kurtosis. This enables a much stronger focus on subspaces that are truly relevant for the prediction and the explanation, in particular, ignoring activations or concepts to which the prediction model is invariant. Our approach is general enough to work alongside common attribution techniques such as Shapley Value, Integrated Gradients, or LRP. Our proposed methods show to be practically useful and compare favorably to the state of the art as demonstrated on benchmarks and three use cases.
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培训和测试监督对象检测模型需要大量带有地面真相标签的图像。标签定义图像中的对象类及其位置,形状以及可能的其他信息,例如姿势。即使存在人力,标签过程也非常耗时。我们引入了一个新的标签工具,用于2D图像以及3D三角网格:3D标记工具(3DLT)。这是一个独立的,功能丰富和跨平台软件,不需要安装,并且可以在Windows,MacOS和基于Linux的发行版上运行。我们不再像当前工具那样在每个图像上分别标记相同的对象,而是使用深度信息从上述图像重建三角形网格,并仅在上述网格上标记一次对象。我们使用注册来简化3D标记,离群值检测来改进2D边界框的计算和表面重建,以将标记可能性扩展到大点云。我们的工具经过最先进的方法测试,并且在保持准确性和易用性的同时,它极大地超过了它们。
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这项调查回顾了对基于视觉的自动驾驶系统进行行为克隆训练的解释性方法。解释性的概念具有多个方面,并且需要解释性的驾驶强度是一种安全至关重要的应用。从几个研究领域收集贡献,即计算机视觉,深度学习,自动驾驶,可解释的AI(X-AI),这项调查可以解决几点。首先,它讨论了从自动驾驶系统中获得更多可解释性和解释性的定义,上下文和动机,以及该应用程序特定的挑战。其次,以事后方式为黑盒自动驾驶系统提供解释的方法是全面组织和详细的。第三,详细介绍和讨论了旨在通过设计构建更容易解释的自动驾驶系统的方法。最后,确定并检查了剩余的开放挑战和潜在的未来研究方向。
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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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