谷歌大腦開發(fā)人類翻譯器 打破AI黑盒新方式

如果一個醫(yī)生告訴你需要做手術(shù)，你肯定會想知道為什么，進(jìn)一步地，你會希望他給你一個就算沒學(xué)過醫(yī)也能聽得懂的明確解釋。谷歌大腦（Google Brain）的研究科學(xué)家Been Kim認(rèn)為，我們應(yīng)該對人工智能抱有同樣的期望。作為“可解釋”機器學(xué)習(xí)的專家，她希望構(gòu)建一個能夠向任何人解釋人工智能的軟件。

自從十年前人工智能興起以來，人工智能中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)從電子郵件滲透到了藥物研究等各個方面，它具有越來越強大的能力來學(xué)習(xí)和識別出數(shù)據(jù)中的模式。

但這種能力帶來了一個讓人頭疼的問題：現(xiàn)代深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)自動駕駛和保險欺詐識別這樣的壯舉，主要原因在于網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，其復(fù)雜度之高讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家也不能解釋清楚網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部到底是怎么工作的。

如果一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練來識別有患肝癌和精神分裂癥等疾病風(fēng)險的患者，例如2015年紐約Mount Sinai醫(yī)院的“深度患者”系統(tǒng)，我們無法得知網(wǎng)絡(luò)關(guān)注的是數(shù)據(jù)中的哪些特征，因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)太多了，每層中神經(jīng)元還有成百上千個連接。

越來越多的行業(yè)正在試圖通過人工智能實現(xiàn)自動化決策或增強他們的決策制定依據(jù)，這個所謂的黑盒問題不是技術(shù)上的問題，而是神經(jīng)網(wǎng)路的根本性缺陷。

DARPA的“XAI”項目（針對“可解釋的人工智能”）正在積極鉆研這個問題，可解釋性在機器學(xué)習(xí)中的地位越來越高。Kim認(rèn)為：“人工智能正處于發(fā)展的關(guān)鍵時刻，我們需要判斷這項技術(shù)是否對我們有益。如果我們不能解決可解釋性問題，人工智能的發(fā)展可能會受到阻礙甚至被放棄。”

Kim和她在Google Brain的同事最近開發(fā)了一個名為“概念激活向量測試”（TCAV）的系統(tǒng)，她將該系統(tǒng)描述為“人類翻譯器”，允許用戶查詢黑盒人工智能工作過程，即一個特定的高級概念在其訓(xùn)練中發(fā)揮了多大作用。例如，如果一個機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)被訓(xùn)練來識別圖像中的斑馬，那么人們可以使用TCAV來確定系統(tǒng)在做出決策時“條紋”特征起了多重要的作用。

TCAV最初是在用于識別圖像的機器學(xué)習(xí)模型上進(jìn)行測試的，但它也適用于文本和某些特定類型圖形數(shù)據(jù)（如腦電圖波形）的模型。 Kim表示，TCAV的通用性讓它能夠解釋許多不同的模型。

在Quanta雜志的采訪中Kim討論了可解釋性意味著什么，以及它為什么現(xiàn)在受到了這么多的關(guān)注。下面是一個經(jīng)過編輯和濃縮的采訪版本。

Q：你的職業(yè)生涯專注于機器學(xué)習(xí)的“可解釋性”，但那個詞究竟意味著什么呢？

A：可解釋性有兩個重要意義。對于科學(xué)研究來說：如果你把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為研究對象，那么你就可以進(jìn)行科學(xué)實驗來真正理解模型的訓(xùn)練過程、神經(jīng)元是如何反饋信息等各種細(xì)節(jié)。

而對于實際應(yīng)用來說：用戶不必了解模型的每一個細(xì)節(jié)，只要用戶能夠正確地使用該工具即可。這個方面是我最關(guān)注的，也是我們最終想要達(dá)到的目標(biāo)。

Q：你為什么會對一個你不完全理解運作細(xì)節(jié)的系統(tǒng)有信心？

A：我給你打個比方。假設(shè)我后院有一棵樹，我想砍掉它，我可能會選擇使用電鋸去鋸樹。雖然現(xiàn)在，我不太了解電鋸的工作原理是什么，但電鋸的使用手冊上說明了使用步驟等信息，我可以安全地使用它。所以，有了這本手冊，我更愿意使用省時省力的電鋸，而不是更安全的手鋸。

就好像你知道怎么運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但是你不完全知道這個機制是如何實現(xiàn)的？

對。這就是第二個可解釋性的目標(biāo)是：我們能充分理解一個工具，以便安全地使用它。我們可以通過確認(rèn)工具中反映出的有用的人類知識來形成理解。

Q：“反映人類知識體系”為什么會使黑盒子AI變得更容易理解？

A：再舉個例子解釋一下，如果醫(yī)生使用機器學(xué)習(xí)模型來進(jìn)行癌癥診斷，那么醫(yī)生會想確認(rèn)，該模型沒有關(guān)注不必要的數(shù)據(jù)點。確保這一點的一種方法就是確認(rèn)機器學(xué)習(xí)模型會做一些醫(yī)生想要做的事情，換句話說，就是證明模型學(xué)習(xí)到了醫(yī)生的診斷知識。

因此，如果醫(yī)生正在使用一個細(xì)胞標(biāo)本來診斷癌癥，他們是為了在標(biāo)本中尋找一種叫做“融合腺”的東西。同時，他們還需要考慮患者的年齡，以及患者過去是否接受過化療等情況。這些都是醫(yī)生診斷癌癥時關(guān)心的因素，如果我們能證明機器學(xué)習(xí)模型也注意到了這些因素，那么模型就更容易被理解了，因為它反映了醫(yī)生的知識體系。

Google Brain的Been Kim正在研究如何讓我們理解機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)做出的決定。

Q：那這就是TCAV的作用嗎？是為了揭示機器學(xué)習(xí)模型正在使用哪些高級概念來做出決策嗎？

A：對。在此之前，可解釋性方法只解釋了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在“輸入特征”方面所做的工作。簡單來說，如果你有一張圖像，每個像素都作為一個輸入特征。事實上，Yann Lecun（一位早期的深度學(xué)習(xí)先驅(qū)，目前是Facebook的人工智能研究主管）認(rèn)為，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型已經(jīng)具有可解釋性，因為你可以查看神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點，并查看每個輸入功能的數(shù)值。這對計算機來說沒問題，但人類的思維表示不是這樣的。我不會跟你說圖像的 100到200像素的RGB值是0.2和0.3，我會告訴你照片中狗的毛發(fā)特別蓬松，這就是人類描述的方式，我們是通過概念來溝通的。

Q：TCAV如何把輸入特征轉(zhuǎn)換為概念？

A：讓我們回到醫(yī)生使用機器學(xué)習(xí)模型的例子，例子中已經(jīng)訓(xùn)練過的模型對細(xì)胞標(biāo)本的圖像進(jìn)行分類以確定潛在的癌癥。作為醫(yī)生，你可能想知道“融合腺體”的概念在預(yù)測癌癥時對模型的重要性。首先你要收集一些有融合腺體的圖像示例——假設(shè)你收集了20 幅。然后，你將這些帶標(biāo)簽的示例輸入到模型中。

TCAV在模型內(nèi)部的作用被稱為“靈敏度測試”。當(dāng)我們添加這些標(biāo)記為融合腺體的圖片時，癌癥陽性預(yù)測的概率增加了多少，可以用0到1之間的數(shù)值來表示，那就是你的TCAV分?jǐn)?shù)。如果概率增加，那么這是模型的一個重要概念。如果沒有，則不是一個重要概念。

Q：“概念”是一個模糊的術(shù)語。有沒有TCAV不起作用的時候？

A：如果你無法使用數(shù)據(jù)集的某些子集來描述你的概念，那么它就不起作用。如果你的機器學(xué)習(xí)模型是用圖像訓(xùn)練的，那么這個概念必須得是可視化表達(dá)的。比方說我想在視覺上表達(dá)“愛情”的概念就真的很難。

我們也仔細(xì)驗證了這個概念。我們有一個統(tǒng)計測試程序，如果一個概念向量對模型的影響與隨機向量相同，那么這個概念向量就會被程序拋棄。如果你的概念沒有通過這個測試，那么TCAV會說：“我不知道。這個概念看起來不像對模型很重要的東西?！?/p>

Q：TCAV主要是用于在AI中建立信任，而不是真正理解它嗎？

A：不，不是這樣。接下來我會解釋原因，因為它很好區(qū)分。

我們從認(rèn)知學(xué)和心理學(xué)的反復(fù)研究中得知人類非常容易上當(dāng)受騙。這意味著，騙一個人相信任某些東西實際上很容易。而機器學(xué)習(xí)的可解釋性的目標(biāo)正與此相反，它是要告訴你，使用某系統(tǒng)是否安全，并揭露背后的真相，所以“信任”這個詞的表達(dá)并不準(zhǔn)確。

Q：所以“可解釋性”的意思是揭示AI推理中的潛在缺陷？

A：是的，正是這樣。

Q：它如何揭示這些潛在缺陷？

A：您可以使用TCAV向受過訓(xùn)練的模型詢問不相關(guān)的概念。回到使用AI進(jìn)行癌癥預(yù)測的醫(yī)生的例子，醫(yī)生可能會突然想到，“看起來機器對于許多帶藍(lán)色的圖像給出癌癥陽性預(yù)測。我們認(rèn)為不應(yīng)該考慮這個因素。”因此，如果TCAV對于“藍(lán)色”給出高評分，那么他們就發(fā)現(xiàn)了機器學(xué)習(xí)模型中的一個問題。

TCAV旨在找出現(xiàn)有不可解釋的AI系統(tǒng)。那為什么不從一開始就使用可解釋的系統(tǒng)，而要使用黑盒呢？

可解釋性研究的其中一個方面是構(gòu)建反映人類理解過程的固有可解釋模型。但我認(rèn)為：現(xiàn)在許多用于重要目的AI模型在一開始都沒有考慮可解釋性，這才是事實。比如，我們谷歌就有很多！你可以說，“既然解釋性是如此有用，那我為你建立另一個模型來取代你現(xiàn)有的模型吧?！焙冒桑蔷妥Ｄ愫眠\。

Q：那么你下一步要做什么？

決定這項技術(shù)是否對我們有利對我們來說仍然很關(guān)鍵。這就是我使用“事后可解釋性”方法的原因。如果某人給你一個模型并且你無法改變它，你如何為其行為生成解釋，以便你可以安全地使用它？這就是TCAV的工作。

Q：TCAV可以讓人類詢問AI某概念是否重要。但是如果我們不知道該問什么怎么辦？如果我們想讓AI系統(tǒng)自己給出解釋呢？

A：我們目前正在編寫的系統(tǒng)可以自動發(fā)掘概念。我們稱之為DTCAV——發(fā)掘型TCAV。但實際上，我認(rèn)為增加人為操作，并實現(xiàn)機器與人之間的對話，是實現(xiàn)可解釋性的關(guān)鍵。

很多時候，在高風(fēng)險的應(yīng)用程序中，領(lǐng)域?qū)＜乙呀?jīng)有了他們關(guān)心的概念列表。我們在Google Brain的醫(yī)療應(yīng)用中不止一次看到這一點。他們不希望模型自己找出一系列概念——他們想要告訴模型他們感興趣的概念。我們與治療糖尿病視網(wǎng)膜病變（一種眼疾）的醫(yī)生一起工作，當(dāng)我們告訴她什么是TCAV的時候她非常興奮，因為她已經(jīng)有很多關(guān)于這個模型可能做什么的假設(shè)，現(xiàn)在她正好可以驗證一下這些假設(shè)。TCAV實際上很有優(yōu)勢，因為它是一種以用戶為中心的協(xié)作機器學(xué)習(xí)方式。

Q：AI技術(shù)非常強大，你真的認(rèn)為人們會因為其不具備可解釋性而放棄使用嗎？

A：是的，我認(rèn)為是這樣。在專家系統(tǒng)上已經(jīng)發(fā)生過類似的事情了。20世紀(jì)80年代，使用專家系統(tǒng)執(zhí)行某些任務(wù)比雇傭人類操作員要便宜的多。但是現(xiàn)在誰還在使用專家系統(tǒng)？沒人。因此，很久以后我們也可能會放棄使用AI技術(shù)。

當(dāng)然目前放棄AI不太可能，因為AI現(xiàn)在被炒的很熱，而且已經(jīng)投入了大量的資金。但從長遠(yuǎn)來看，我認(rèn)為人類可能會判定這種技術(shù)不適合我們，或許是出于恐懼，或許是因為其缺乏可解釋性，這都是有可能的。