可解释图神经网络：5个GNN解释方法

可解释人工智能又向前迈进了一步，以及为什么现有的解释方法难以适用于gnn

可解释性是深度学习中的一个大课题，因为它可以实现更可靠和可信的预测。

由于图结构的不规则性，现有的解释方法难以适用于图神经网络。

Explainability增加可靠性

最近，人工智能中的可解释性引起了人们的广泛关注，其主要动机在于通过深度神经网络等“黑盒子”模型产生更可靠和可信的预测。LIME论文[2]中给出的一个很好的例子是，您会信任您的医生，因为他/她能够根据您的症状解释诊断。类似地，如果能够以人类可理解的方式解释或证明预测，由深度模型生成的预测就更可靠和可信。

相关的帖子

在过去的一个月里，TDS上出现了一些关于可解释AI的帖子。他们中的一些人提供了一些实际的例子来帮助你开始解释AI。如果你想了解更多关于可解释性人工智能的知识，这里列出了几篇文章。

Gianluca Malato的《How to explain neural networks using SHAPE[3]》提供了一个使用SHAPE来解释神经网络的例子，该神经网络被训练来预测给定33个特征的糖尿病概率。然后将解释可视化，以理解每个特性如何对预测结果作出贡献。

可解释的AI (XAI) - Prateek Bhatnagar的《用Python中的7个包来解释你的模型[4]指南》提供了一个概述和一些用于解释深度模型的优秀工具包的实际示例，以帮助你入门。

Javier Marin的可解释深度神经网络[5]提出了一种新的方法来可视化深度神经网络中的隐藏层，从而通过拓扑数据分析了解整个网络中的数据是如何转换的。

为什么很难用现有的方法来解释GNN?

传统的解释方法在卷积神经网络(CNN)上很有效。下面的示例显示了对输入图像(a)的三个顶级预测类标签的LIME解释。我们可以清楚地看到导致相应预测的部分与类标签匹配。例如，吉他颈对预测“电吉他”(b)贡献最大。

然而，当涉及到图神经网络(GNN)时，事情就变得有点棘手了。与cnn所操作的高度规则网格不同，图结构的不规则性带来了许多挑战。例如，我们可以很容易地解释上述CNN模型的解释，但是对于一个图来说，类似的节点级解释就不容易形象化和解释。

在下一节中，我们将通过最近关于gnn[1]可解释性的综述来了解每一组方法的主要思想。

GNN解释方法概述

基于梯度/特征的方法:使用梯度或隐藏特征作为输入重要性的近似值，通过反向传播来解释预测。

基于扰动（Perturbation ）的方法:输出对输入扰动的变化反映了输入区域的重要性。或者换句话说，需要保留哪些节点/边/特征，以便最终的预测不会与最初的GNN模型偏离太多。

代理（Surrogate ）方法:训练一个使用输入节点的邻近区域更易于解释的代理模型。

分解方法:将预测分解为几个项，每个项作为相应输入特征的重要度得分。

生成方法:学习根据待解释的GNN模型生成获得最佳预测分数的图。

什么是GNN最好的解释方法?

当谈到方法评估时，有很多事情需要考虑。[1]中的作者建议了两个指标来确保以下属性。

· 保真度:可解释的模型应该与被解释的原始GNN有一致的预测。

· 稀疏性:只有一小部分节点/边缘/特征被用作解释。

· 稳定性:输入的微小变化不应过多影响解释。

· 准确性:解释应该准确地恢复地面真相解释(这只适用于地面真相已知的合成数据集)

总结

可解释性是人工智能的一个关键部分，因为它可以实现可靠和可信的预测。然而，将现有的解释方法应用于GNN并非易事。我们快速浏览了一些现有GNN解释方法中的一般方法，以及定义一个好的GNN解释方法所需的一些属性。

引用

[1] H. Yuan, H. Yu, S. Gui, S. Ji, Explainability in Graph Neural Networks: A Taxonomic Survey (2020), arXiv

[2] M. T. Ribeiro, S. Singh, C. Guestrin, “Why Should I Trust You?”: Explaining the Predictions of Any Classifier (2016), ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining (KDD)

[3] How to explain neural networks using SHAPE

[4] Explainable AI (XAI) — A guide to 7 Packages in Python to Explain Your Models

[5] Explainable Deep Neural Networks

作者：Remy Lau

deephub翻译组