Interpretación de Modelos de Machine Learning

Descifrar las decisiones tomadas por la máquina

La interpretación de las decisiones tomadas por nuestros algoritmos de Machine Learning pasa a un plano muy importante: para comprender el modelo y mejorarlo, evitar “biases” (ó descubrirlos), para justificar nuestra confianza en el modelo y hasta legalmente pues es requerido por leyes como la GDPR -para decisiones delicadas como puede ser dar ó no un crédito a una persona-.

Si nuestro algoritmo tuviera que detectar enfermedades y suponiendo que logramos una tasa de aciertos del 90% ¿no te parecería lógico comprender cómo lo ha hecho? ¿es puro azar? ¿está teniendo en cuenta combinaciones de características que nosotros no contemplamos?

Si de pequeño eras curioso y querías sabes cómo funcionaban las cosas: relojes, autos, ó hasta el mismísimo ordenador… serás un poco como yo… y… no siempre nos convence el concepto de “caja negra”.

Abriendo la Caja negra

El concepto de caja negra a veces es muy beneficioso, en sistemas decimos “yo al método le tiro estos parámetros y me devuelve true ó false”. Genial, con eso nos basta. Podemos trabajar en equipos distribuidos, intercambiar interfaces y listo. Podemos confiar en otras librerías ó paquetes “sin saber cómo lo hacen” pero que nos resuelven problemas. Y las encajamos como piezas de un puzzle.

Los algoritmos de Machine Learning, hasta ahora funcionaban muy de ese modo. Es decir, podemos hacer una red neuronal de 10 capas con 80 neuronas cada una, dropout, recurrencia y que nos dé unas buenas clasificaciones. Pero ¿qué pasa por dentro? ¿cómo hizo? ¿es magia?… esas oscuras épocas de incertidumbre deben acabar y deberemos tomar control de porqué se hacen las cosas como se hacen.

Explainable Machine Learning

Interpretar el Modelos en Machine Learning es la habilidad de explicar su funcionamiento ó presentarlo de manera comprensible al humano.

¿Por qué es importante interpretar los modelos?

Imaginemos que nuestro algoritmo decidirá a qué empleado le daremos un ascenso, dadas sus características e historia en la empresa. Y luego de entrenar el modelo vemos que “aparentemente da buenos resultados” pero… todas las elecciones para puestos gerenciales son siempre para hombres y ninguna mujer…. mmmm.. sospechoso, ¿no?

Ese modelo “aprendió” que durante los últimos 10 años, los cargos gerenciales de esa empresa siempre fueron para hombres. Si ese algoritmo pasa a producción, estará discriminando a las mujeres e impidiendo su ascenso.

Entonces ¿Cómo hacemos para interpretar el modelo?

Respuesta corta: con otro modelo que ayude a los humanos a interpretar los procesos.

Hay que decir que modelos como “1 árbol de decisión pequeño” ó clasificación lineal, pueden llegar a interpretarse por su gráfica y/o fórmula (repito: si son sencillos). Sin embargo un Random Forest ó las Redes Neuronales son complejas y prácticamente imposibles de comprender <<de un vistazo>>.

Los beneficios de la “interpretabilidad de los modelos “son:

• Dar confiabilidad en los resultados.
• Ayudar en el Debugging.
• Informar a la Ingeniería de Características (Feature Engineer).
• Detectar necesidad de colectar nuevas muestras.
• Ayudar a una persona en la toma de decisiones.
• Mayor seguridad/robustez en el modelo obtenido.

Técnicas de Interpretación de modelos

Del análisis de los modelos podemos obtener:

• Características más importantes (features)
• Para una predicción en particular del modelo, el efecto que tuvo en ella cada característica
• Efecto de cada característica en el global de las predicciones del modelo

Veamos algunas de esas técnicas y qué librerías de Python nos brindan estas funcionalidades:

1- Permutation Importance

¿Cuales de las features piensa el modelo que son más importantes? ¿Qué Características tienen mayor impacto en las predicciones? Estos conceptos son conocidos como “Feature Importante” y “Permutation Importance” y nos sirven para calcular nuestras características de entrada al modelo. Nos sirve para poder ver cuando nuestro modelo está funcionando de manera contra-intuitiva y también para demostrar a terceros cuando el funcionamiento es correcto.

Para hacer Permutation Importante debemos primero entrenar un modelo y “encajarlo” (fit). Luego tomamos el set de validación y tomamos las features una por vez: por ejemplo, tomamos la primer columna de entrada y mezclamos todos sus valores entre sus filas (pero el resto de features se mantienen igual). Entonces hacemos predicción usando el mismo modelo entrenado y deberían empeorar los resultados. Si “desmejoran mucho” es que esa feature era muy importante. En cambio, si no afecta demasiado, tampoco variarán mucho las predicciones obtenidas y quiere decir que esa característica no es relevante. Y así lo hacemos con todas las características, desordenando de a una a la vez.

Podemos utilizar la librería ELI5 para Python para visualizar la Permutation Importance

2- Partial Dependence Plots (PDP)

Los PDPs muestran el efecto marginal de una o dos características que tienen sobre la predicción dictada por un modelo. Los PDPs muestran cómo afectan las distintas características a las predicciones. El PDP puede mostrar la relación entre nuestra variable de salida y una ó dos características de entrada.

Lo que hacemos en tomar de a una sola fila, e ir variando los valores de una sola de las features (que queremos investigar) contra un modelo YA entrenado. Entonces veremos en que intervalos esa característica afecta a los resultados del modelo.

Lo podemos hacer hasta con 2 variables a la vez usando “2D Partial Plots” y visualizarlo.

Para esto podemos utilizar la librería PDPBox

3-SHAP Values (en predicciones individuales)

SHAP viene de “Shapley Additive exPlanation” y está basado en la teoría de Juegos para explicar cómo cada uno de los jugadores que intervienen en un “juego colaborativo” contribuyen en el éxito de la partida. Con esto podemos comprender una predicción y como impacta cada feature. Podemos decir que la interpretabilidad que nos ofrecen los valores SHAP es de las mejores.

De manera muy sencilla -e incompleta- de cómo se calculan estos valores podemos imaginar a una grupo de desarrolladores, testers, arquitectos y managers (features) que trabajan en conjunto (“juegan”/colaboran) para crear un Sistema de Software y queremos saber cuánto contribuyó cada uno de ellos en su producción. Lo que haremos es ir intercalando a los participantes en diversos “orden de aparación” ABCD, ABDC, ADBC, etc. e ir midiendo la <<contribución marginal>> de cada participante cada vez. Con ello sacar el promedio de cada uno y tendremos los valores Shapley que nos indican cuánto contribuyo cada jugador a conseguir el resultado obtenido.

Supongamos que tenemos que explicar a una persona por qué se ha rechazado su solicitud de un crédito -esto es, una única predicción, y no “el accuracy global” del modelo- los valores SHAP nos muestran cuales características que alimentan al modelo <<empujan>> a la denegación (ó aceptación) esa petición en concreto.

Utilizamos la librería SHAP para python para obtener estos valores.

4- Usos avanzados de Shap (comprensión global)

Si recopilamos muchos valores Shap podremos tener una mejor comprensión del modelo en su conjunto. De allí aparecen las gráficas “Shap Summary Plot” y “Shap Dependence Contribution Plot”.

Shap Summary Plot

Calculando los Shap Values de cada muestra, podemos obtener esta Visualización que nos muestra cuales características son las más importantes y el rango de valores donde afecta al set de datos.

Shap Dependence Contribution Plot

Esta gráfica es similar a la de los PDPs (vistos en el punto 2) pero nos dan mucho mayor detalle.

No puedo dejar de mencionar a una gran librería para ML Interpretability llamada LIME (Local Interpretable Model Explanation) y que nos ofrece comprensión a humanos para modelos de NLP (destacando visualmente palabras en el texto) y para imágenes clasificadas por una CNN (mostrando las áreas en donde “mira” la red).
También mencionar otra Librería Python llamada Skater -es de Oracle- y aunque aún está en desarrollo, provee de buenas herramientas.

Conclusión

La importancia de la interpretabilidad de los modelos de Machine Learning es crucial para poder justificar y comprender las predicciones y/o resultados obtenidos y hasta legalmente. Es curioso que necesitemos “modelos que expliquen como funcionan los modelos” para poder “bajar” a entendimiento humano la complejidad de lo que ocurre en nuestras máquinas de aprendizaje. Finalmente, aplicando diversos métodos, Permutation Importance, los PDP y los Shap Values logramos obtener transparencia en nuestro desarrollo y un panorama claro sobre cómo funciona nuestro engranaje para obtener los resultados.

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Recursos Adicionales

Te recomiendo sobre todo y para pasar al Código este curso completo en Kaggle: Machine Learning Explainability

Algunos artículos y videos sobre Interpretación de Modelos (en inglés)

• Libro muy bueno! Interpretable Machine Learning 
• artículo Hands-on Machine Learning Model Interpretation
• (artículo) Interpretable Machine Learning
• Video (1:30hs) Open the black box: an intro to model interpretability
• Video (1:30hs) Interpretable ML for Computer Vision
• One Method to Rule Them All: Shap Values
• Derisking ML and Artifitial Intelligence
• The Mythos of Model Interpretability