讓機器解釋自己：避免讓偏見影響機器學習系統(tǒng)

2018年5月25日，“通用數據保護條例”（GDPR）在整個歐盟范圍內生效，要求對組織如何處理個人數據進行徹底改變。若違反GDPR條例的限制，相關組織必須支付高達2000萬歐元或其全球收入4％的罰款（以較高者為準），對威懾大多數違規(guī)行為具有很重要的意義。

由于不久前的劍橋分析丑聞鬧得人心惶惶，許多人希望GDPR將成為全球數據隱私新標準的典范。目前一些行業(yè)領導者正在呼吁Facebook將GDPR標準應用于其在非歐盟國家的業(yè)務。

但隱私只是圍關于數據驅動系統(tǒng)之爭的一個方面，實際上機器學習支持系統(tǒng)的日益普及引發(fā)了一系列相關問題，包括一個對社會產生很大影響且無法量化的問題：偏見。

在我們的生活中，許多重要決策都是由某種系統(tǒng)做出的，很多系統(tǒng)都存在明顯的偏見，無論這系統(tǒng)是人、機器還是二者的組合。機器學習在決策制度中的作用越來越大，這為我們提供了一個建立更少偏見的系統(tǒng)的機會，當然也面臨著加劇這一問題的風險。

我們通常認為計算機比人類更客觀、更公正。然而過去的幾年里，許多機器學習系統(tǒng)產生了帶有偏見或歧視的結果，人們對此也有著很多爭議。2016年時ProPublica曾報道，美國法院用來衡量被告再次犯罪可能性的機器學習算法，在對比背景相似的黑人與白人被告時會認為黑人的“風險更高”，即使系統(tǒng)沒有提供有關被告種族的任何數據也依然如此。

不久前一篇名為《關于模型可解釋性的深入思考：從哪里來，到哪里去？》的文章中，曾詳細介紹了學習出一個通用智能行動者的潛力和局限性，算法公平方面細微的以及可以被真正規(guī)范化的挑戰(zhàn)。人們使用機器學習系統(tǒng)的目的是希望世界更公平、更有效率，而不是進一步放大人類的偏見。

這就是為什么GDPR允許用戶可以要求解釋機器任何“合法或類似重要”的決策，希望解釋的權利能夠使“算法歧視”的受害者訴諸人權，從而減輕這種偏見的影響。

但是生成這些類型的解釋——即創(chuàng)造可解釋的人工智能——是非常復雜的，而且即便系統(tǒng)對決策做出了解釋，也有一些評論家認為“無法分辨它們是真的反對偏見，還是僅僅是掩飾偏見。”

可解釋的人工智能以及GDPR是否會使技術更公平？如果不是，隨著機器學習的使用變得更加普遍，我們還有什么替代方法可以防范偏見？

關于偏見的討論常常被過分簡化為諸如“種族主義算法”這樣的詞語，但其實問題不在于算法本身，而是數據研究團隊提供給機器的數據。

例如，收集以往的數據是數據科學項目的一個共同起點，但“歷史數據往往偏向于我們不希望轉移到未來的方式，”加州大學伯克利分校電子工程與計算機科學學院助理教授、加州大學伯克利分校崛起實驗室的創(chuàng)始人之一Joey Gonzalez說。

假設某公司建立了一個篩選求職者的機器學習模型，并基于公司過去篩選類似職位求職者的數據集對模型進行培訓。如果該公司的HR曾多次拒絕過那些試圖重返職場的前全職父母，則培訓的結果很有可能會讓模型也將這些存在長期就業(yè)缺口的人排除在外。

如果更進一步，這將導致模型過多的拒絕女性求職者（全職父母多為女性）從而造成性別比例失調，即使性別并不是模型培訓數據集中的特征。因此在這一領域中，使用機器學習將進一步放大人類的偏見。

而這就是可解釋的人工智能的用武之地。如果操作人員能夠檢查“推理”算法，就有可能在算法產生嚴重偏差之前進行糾正。

由于機器學習系統(tǒng)的行為由它學到的數據所驅動，所以它的工作方式與人們編寫的標準計算機程序有很大不同。人們可以測量一個機器學習系統(tǒng)的準確性，但是對于這種系統(tǒng)實際做出決策的可見性是有限的。

（和人腦類似，人腦的思考是由特定區(qū)域內神經元的復雜放電而產生，但人們并不確切知道具體怎樣的神經元活動會得出怎樣的思考。所以當人們想驗證決策正確性時并不會去掃描大腦，而是通過相關數據以及過往的經驗判斷。）

可解釋的人工智能要求機器學習算法可以自己證明決策的正確性。華盛頓大學的研究人員在2016年構建了一種稱為LIME的解釋技術，并在由Google構建的圖像分類神經網絡IncepTIon Network上進行了測試。

LIME在做出圖像分類決策時，不會考慮觸發(fā)神經網絡中的哪個神經元，而是在圖像本身中搜索解釋。它會將原始圖像的不同部分變黑，并通過IncepTIon將產生的“擾動”圖像反饋回來，以檢查哪些擾動將算法拋離最遠。

通過這種方法，LIME可以將初始網絡分類決策歸因于原始圖片的特定特征。例如對于青蛙的圖像，LIME發(fā)現抹除部分臉部會讓初始網絡很難識別圖像，這表明最初的分類決策大多是基于青蛙的臉。

雖然像LIME這樣的特征歸屬方法并不能完全解釋算法的決策，并且在各種類型的機器學習模型上都不能工作的很好，但至少在圖像分類方面，它朝著正確方向邁出了一步。

據了解，美國的人臉識別系統(tǒng)對黑人的面部識別遠不如對白人那般精確（訓練算法時用的圖像多為白人），這增加了黑人被監(jiān)控攝像誤認導致被逮捕的可能性，嚴重者甚至會產生誤判。更好的解釋這些算法決策并加以監(jiān)督，顯然將有助于避免此類不良結果。

雖然可解釋的人工智能和神經網絡的特征歸因很有發(fā)展前景，但消除人工智能的偏見最終會歸結為一件事：數據。

如果算法的訓練數據不能公平的覆蓋開發(fā)者想要服務的人群，系統(tǒng)就很有可能出現偏差。如果訓練數據隱含了歷史上的不公平現象，該算法就會學習進而延續(xù)甚至放大這些問題。

雖然GDPR和類似的法規(guī)對組織如何使用數據進行了一些控制，但它們也無法阻止這些組織使用已經存在偏見的數據集。

算法的發(fā)展當然對克服偏見有所幫助，但歸根結底責任并不在數學結構、軟件或硬件，而是在于這些決策系統(tǒng)的設計者和操作者，人們有責任明智而公平地收集，存儲和使用這些數據。

從某種意義上說，減少機器學習算法中的偏見不僅需要人工智能的進步，還需要我們對人類多樣性理解的進步。

為了開發(fā)公平和負責任的人工智能，技術人員需要社會學家，心理學家，人類學家和其他專家的幫助，他們能夠洞察偏見對人類生活的影響，并告訴人們如何避免讓偏見影響機器學習系統(tǒng)。

技術本身并不能解決社會問題，但是通過不同學科間的合作，研究者和開發(fā)者可以創(chuàng)建有利于更公平社會的機器學習技術。