一、前言

关于NLP模型可解释性的方法有很多种，有一些需要深入到模型内部，透视出参数的传递过程，我们可以将其归类为“白盒方法”。
而有一些方法，则不需要模型内部的参数，是通过输入和输出的关系，来“猜测”模型可能的推理过程，我们可以将其归类为“黑盒方法”。
两种类型的方法具有各自的优缺点和不同的目标。“白盒方法”由于其透视模型内部的结构和参数传递过程，其目的是为了解释出模型“真正的”推理过程。
然而，很多白盒方法仅限于特定的模型，且当模型内部参数不可获得时，这些方法就不适用。“黑盒方法”由于不知道模型内部的参数，因此无法解释模型真正的推理过程。
这种方法更多的是“猜测”模型的推理过程，并且可以对模型的能力进行解释。相比之下，“黑盒方法”在业务场景中，能更快的落地并发挥出价值。
本文分别介绍了三种常见的“白盒方法”和三种“黑盒方法”。“白盒方法”包括神经元分析、诊断分类器、Attention。“黑盒方法”包括“对抗数据集”、“Rationales”、“局部代理模型”。

二、神经元分析

2015年，斯坦福大学Karpathy & Johnson对比了不同的循环神经网络，并且将LSTM的不同的memory cells 的值按照charactor可视化出来，有一些有趣的发现。 
他们发现，在LSTM中, 不同的memory cells有着不同的功能。有的cell可以判断句子是否是在引号内，有的cell可以判断句子的长度。如果输入的是代码文本，则有的cell可以判断是否是if语句或注释，有的cell可以判断缩进量。
同时，他们分析了forget gate, in gate和out gate的开关情况，若gate值低于0.1则认为是“左饱和”，若gate值高于0.9则认为是“右饱和”。他们发现，在forget gate中，存在“右饱和”的gate去记录远距离的信息，而在output gate中，则不存在连续饱和的gate。这个发现与LSTM的特性吻合。

2017年，OpenAI的研究者们发现，在循环神经网络中，存在一个对于情感十分敏感的神经元。
他们证明了这个神经元的数值对于情感分类任务十分重要。并且，如果仅仅用这个神经元进行情感分类，也可以取得非常好的效果。下图展示了该神经元在charactor level的数值大小，绿色表示正向情感，红色表示负向情感。

笔者认为，神经元的可视化可以很客观的体现模型推理的过程。然而，这种方法也存在一些问题。
其一，并非所有的神经元可视化出来都能让人发现规律。大多数神经元看起来都是没有规律的。因此，可视化的方法需要人为判断它可能表示哪些信息，这并不具有普遍性。
其二，可视化的方法虽然可以直观看出神经元的功能，但是却无法通过一个量化指标来评判。其三，这种方法具备很多不确定性，在业务场景中很难发挥价值。

三、诊断分类器

通过可视化的方法有时很难看出一个向量包含什么样的信息。因此我们可以换一个思路。即：如果一个向量包含某个信息，那么它就有能力去做需要这个信息的任务。
因此，另一个常用的方法是：对于模型内部的一个向量，我们可以训练一个简单的模型（通常是线性分类器）去预测一些特征（通常是一些语言学特征）。用这种方法，我们就可以知道，在模型内部的每一层究竟学到了什么。
2019年，Google的研究员用这种方法对Bert进行了分析。他们将Bert每一层输出的embedding提取出来，在8个任务上用诊断分类器进行试验。
实验表明，Bert在它的transormer层中，进行了传统NLP的pipeline（pos tagging, 指代消解等）的任务。
同时还表明，这些pipeline中的细分任务可以动态调整自己以获得更好的表现。下图展示了完成这些任务所需要信息在哪一层的期望值，以及这些层的“重心”在哪里。

从结果可以看出，对于一些底层的任务（例如pos tagging，实体识别等），会在较低层就获得了需要的信息，而对于一些复杂任务（例如指代消解）则在较高层才能获得需要的信息。这和我们的预期相符合。
笔者认为，诊断分类器这种方法可以较为简单地对模型的训练过程进行剖析，并且更适合于深层模型。
同时，这对于模型的优化能起到启发作用。2020年Jo & Myaeng的ACL文章指出，在使用Bert时，若选择中间层的一些embedding和最后一层的embedding一起进行任务，比仅仅用最后一层能够取得更好的效果。

四、Attention

由于Attention本身的特点，词与词之间会有一个权重，这个权重也许能够表达出模型的推理过程。
2019年，斯坦福大学和facebook的研究人员对Bert中的attention的head进行分析，发现不同的head会提取到不同的信息，且直接用head进行细分任务也可以取得较为不错的效果。

然而，对于attention是否能够表示模型的推理过程，还存在很多的争议。
同样在2019年，Jain & Wallance的文章《Attention is not explaination》，指出attention和gradient-based分析方法得出的结论不同，且不同的attention weight可以导致相同的预测。
因此主张attention和输出结果没有直接的联系。而Wiegreffe & Pinter 的文章《Attention is not not explaination》反驳了J&W的观点，认为其实验设计不充分，不能证明其结论。
2020年的ACL文章中，关于attention的讨论依旧是热点。Abnar & Zuidema提出一种可以使attention更加具有解释性的方法。
由于在第一层Transformer之后，不同token的信息被混合了起来，因此他们提出一种rollout的方法可以将混合的信息抽离出来。
Sen 等人提出，将模型的attention和人为标注的attention进行比对，并提出计算二者相似程度的方法。而Pruthi等人认为，基于attention的解释不具有可靠性，因为可以通过人为操纵的方法使人人为模型是无偏的，而事实却并非如此。
笔者认为，attention自带可解释的特性，相较于其他模型有着天然的优势。而如何运用attention进行解释，还需要更多的研究。并且，这种方法局限在模型本身，并不适用于其他的模型。此外，有关attention的可解释性如何应用在模型优化上，还需要更多的思考。

五、Rationals

Rationals可以认为是做一项任务的"Supporting evidence"， 可以理解为“关键词”组合。
2019年，DeYoung等人提出一个benchmark，叫做ERASER(Evaluating Rationals and Simple English Reasoning). 
他们认为，人们在进行NLP相关任务时，会重点关注一些“关键词”。将输入文本的部分词语抹去，会导致任务的置信度下降甚至失败。而使得任务置信度下降最大的关键词组合，就可以认为是模型认为的“关键词”。
他们提出了7个任务的数据集，其中包含了人为标注的“关键词”。通过判断模型认为的“关键词”和人工标注的“关键词”之间的关系，就可以判断出模型是否在用人们认为的关键信息进行任务。
如下图所示，第一个图展示了4个任务的人为标注的“关键词”，第二张图展示了判别模型认为的“关键词”的方法。

笔者认为，这种方法虽然不能解释出模型的推理过程，但是可以探究出对模型而言的关键词有哪些。并且，这种方法适用于所有的模型。
此外，这种方法的成本在于人为标注“关键词”，而作为评测的数据集，并不需要大量的数据，且可以重复利用。因此，这种方法在模型质量保证方面，可以较好的落地。

六、对抗数据集

将数据进行一些微小的改变，根据这些扰动是否会对模型结果造成干扰，可以分析出模型的推理过程。
例如，2019年，Niven & Kao在Bert进行推理任务的数据集中，加入了not，导致Bert的推理能力直线下降到盲猜水平。由此可以看出，Bert在进行推理时，是将not作为一个明显的“线索”。若将这个线索改变，模型的能力就会大幅下降。

然而，对抗数据集的构造比较有难度，在某些任务中，需要大量语言学知识。因此，对抗数据集的构造成本很高。
2020年ACL最佳论文《Beyond Accuracy: Behavioral Testing of NLP Models with CheckList》提出了一套NLP模型诊断的方法。
他们提出一个常用语言学特征的capabilities和test types的矩阵，可以帮助较为完善的构造测试数据集。他们根据软件测试的方法，提出了三个capabilities, 即，最小单元（MFT）、不变性（INV）和方向性。并且提出了一个工具能够快速生成大量的测试数据。

笔者认为，这种checklist的方法，具有较低的成本，并且能够较为完善的构造对抗数据集。
虽然其无法解释出模型的推理过程，但是它可以解释出模型是“怎样看数据”的。即，哪些类型的数据扰动会对模型产生较大的影响，模型更关注哪些类型的扰动信息等等。这在实际业务场景中，可以作为模型鲁棒性保证的方法。目前我们也已经尝试用这种方法进行模型评测。

七、局部代理模型 

局部代理模型是一种“事后分析”的方法。它可以适用于所有的模型。它的基本思想是，用一些可解释的模型，去局部拟合不可解释的黑盒模型，使得模型结果具有一定的可解释性。
2016年，Ribeiro等人提出了LIME方法。对于每一条数据，对其进行微小的扰动，生成一个数据子集，并且得到模型对于这个子集中的数据的预测结果。然后，用可解释的模型（例如线性回归），对这个子集中的结果进行拟合，以此就可以局部解释这条数据的结果。

类似的方法还有SHAP。然而，这种方法得到的解释并不具有鲁棒性。
因为我们认为，微小的调整并不会对结果造成很大的影响，而这对于局部代理模型而言并不总是成立。并且，如果训练数据和测试数据的分布不同，局部代理模型的结果就不可信。
Rahnama等人的研究《A study of data and label shift in the LIME framework》就提出了这一点。
他们通过实验发现，通过LIME的扰动过程得到的数据和训练数据的分布有较大的差异。此外，LIME的解释很大程度上依赖于超参数的选择。例如，应该选择多少个扰动数据点？如何设置这些点的权重？正则化的强度需要多少？
笔者认为，局部代理模型虽然能够对所有模型进行解释，但这个解释并不能反映模型的推理过程，而是“人们认为的模型推理过程”。在业务场景中，对于决策支持的模型（例如智能投顾）也许有效，但是这种方法的faithfulness仍然值得讨论和研究。

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