Malmö University Publications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
A Conceptual Approach to Explainable Neural Networks
Malmö University, Faculty of Technology and Society (TS), Department of Computer Science and Media Technology (DVMT). Malmö University, Internet of Things and People (IOTAP).ORCID iD: 0000-0001-5676-1931
(English)Manuscript (preprint) (Other academic)
Abstract [en]

The success of neural networks largely builds on their ability to create internal knowledge representations from real-world high-dimensional data, such as images, sound, or text. Approaches to extract and present these representations, in order to explain a neural network’s decision, is an active and multifaceted research field. To gain a deeper understanding of a central aspect of this field, we performed a targeted literature review focusing on research that aims to associate internal representations with human understandable concepts. By using deductive nomological explanations combined with causality theories as an analytical lens, we analyse nine carefully selected research papers. We find our analytical lens, the explanation structure and causality, useful to understand what can be expected, and not expected, from explanations inferred from neural networks. The analysis additionally uncovers an ambiguity in the reviewed literature related to the goal: is it (a) understanding the ML model, (b) the training data or (c) actionable explanations that are true-to-the-domain?

Keywords [en]
neural networks, causality, scientific explanations, explainable artificial intelligence
National Category
Human Computer Interaction Computer Engineering
Research subject
Interaktionsdesign
Identifiers
URN: urn:nbn:se:mau:diva-58464OAI: oai:DiVA.org:mau-58464DiVA, id: diva2:1740653
Available from: 2023-03-01 Created: 2023-03-01 Last updated: 2023-03-17Bibliographically approved
In thesis
1. Neural networks in context: challenges and opportunities: a critical inquiry into prerequisites for user trust in decisions promoted by neural networks
Open this publication in new window or tab >>Neural networks in context: challenges and opportunities: a critical inquiry into prerequisites for user trust in decisions promoted by neural networks
2023 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Artificial intelligence and machine learning (ML) in particular increasingly impact human life by creating value from collected data. This assetisation affects all aspectsof human life, from choosing a significant other to recommending a product for us to consume. This type of ML-based system thrives because it predicts human behaviour based on average case performance metrics (like accuracy). However, its usefulnessis more limited when it comes to being transparent about its internal knowledge representations for singular decisions, for example, it is not good at explaining why ithas suggested a particular decision in a specific context.The goal of this work is to let end users be in command of how ML systems are used and thereby combine the strengths of humans and machines – machines which can propose transparent decisions. Artificial neural networks are an interesting candidate for a setting of this type, given that this technology has been successful in building knowledge representations from raw data. A neural network can be trained by exposing it to data from the target domain. It can then internalise knowledge representations from the domain and perform contextual tasks. In these situations, the fragment of the actual world internalised in an ML system has to be contextualised by a human to beuseful and trustworthy in non-static settings.This setting is explored through the overarching research question: What challenges and opportunities can emerge when an end user uses neural networks in context to support singular decision-making? To address this question, Research through Design is used as the central methodology, as this research approach matches the openness of the research question. Through six design experiments, I explore and expand on challenges and opportunities in settings where singular contextual decisions matter. The initial design experiments focus on opportunities in settings that augment human cognitive abilities. Thereafter, the experiments explore challenges related to settings where neural networks can enhance human cognitive abilities. This part concerns approaches intended to explain promoted decisions.This work contributes in three ways: 1) exploring learning related to neural networks in context to put forward a core terminology for contextual decision-making using ML systems, wherein the terminology includes the generative notions of true-to-the-domain, concept, out-of-distribution and generalisation; 2) presenting a number of design guidelines; and 3) showing the need to align internal knowledge representations with concepts if neural networks are to produce explainable decisions. I also argue that training neural networks to generalise basic concepts like shapes and colours, concepts easily understandable by humans, is a path forward. This research direction leads towards neural network-based systems that can produce more complex explanations that build on basic generalisable concepts.

Abstract [sv]

Artificiell intelligens och i synnerhet Maskininlärning (ML) påverkar i hög grad människors liv genom de kan skapa monetärt värde från data. Denna produktifiering av insamlad data påverkar på många sätt våra liv, från val av partner till att rekommendera nästa produkt att konsumera. ML-baserade system fungerar väl i denna roll eftersom de kan förutsäga människors beteende baserat på genomsnittliga prestandamått, men deras användbarhet är mer begränsad i situationer där det är viktigt med transparens visavi de kunskapsrepresentationer ett enskilt beslut baseras på.

 Målet med detta arbete är att kombinera människors och maskiners styrkor via en tydlig maktrelation där en slutanvändare har kommandot. Denna maktrelation bygger på användning av ML-system som är transparenta med bakomliggande orsaker för ett föreslaget beslut. Artificiella neurala nätverk är ett intressant val av ML-teknik för denna uppgift eftersom de kan bygga interna kunskapsrepresentationer från rå data och därför tränas utan specialiserad ML kunskap. Detta innebär att ett neuralt nätverk kan tränas genom att exponeras för data från en måldomän och i denna process internalisera relevanta kunskapsrepresentationer. Därefter kan nätet presentera kontextuella förslag på beslut baserat på dessa representationer. I icke-statiska situationer behöver det fragment av den verkliga världen som internaliseras i ML-systemet kontextualiseras av en människa för att systemet skall vara användbart och tillförlitligt.

 I detta arbete utforskas det ovan beskrivna området via en övergripande forskningsfråga: Vilka utmaningar och möjligheter kan uppstå när en slutanvändare använder neurala nätverk som stöd för enstaka beslut i ett väldefinierat sammanhang?

 För att besvara forskningsfrågan ovan används metodologin forskning genom design, detta på grund av att den valda metodologin matchar öppenheten i forskningsfrågan. Genom sex designexperiment utforskas utmaningar och möjligheter i situationer där enskilda kontextuella beslut är viktiga. De initiala designexperimenten fokuserar främst på möjligheter i situationer där neurala nätverk presterar i paritet med människors kognitiva förmågor och de senare experimenten utforskar utmaningar i situationer där neurala nätverk överträffar människans kognitiva förmågor.  Den andra delen fokuserar främst på metoder som syftar till att förklara beslut föreslagna av det neurala nätverket.

 Detta arbete bidrar till existerande kunskap på tre sätt: (1) utforskande av lärande relaterat till neurala nätverk med målet att presentera en terminologi användbar för kontextuellt beslutsfattande understött av ML-system, den framtagna terminologin inkluderar generativa begrepp som: sann-i-relation-till-domänen, koncept, utanför-distributionen och generalisering, (2) ett antal designriktlinjer, (3) behovet av att justera interna kunskapsrepresentationer i neurala nätverk så att de överensstämmer med koncept vilket skulle kunna medföra att neurala nätverk kan producera förklaringsbara beslut. Jag föreslår även att en framkomlig forskningsstrategi är att träna neurala nätverk med utgångspunkt från grundläggande koncept, som former och färger. Denna strategi innebär att nätverken kan generalisera utifrån dessa generella koncept i olika domäner. Den föreslagna forskningsriktning syftar till att producera mer komplexa förklaringar från neurala nätverk baserat på grundläggande generaliserbara koncept.

Place, publisher, year, edition, pages
Malmö: Malmö University Press, 2023. p. 70
Series
Studies in Computer Science ; 22
Keywords
Explainable AI, Machine Learning, Neural Network, Concept, Generalisation, Out-of-Distribution, Förklaringsbar AI, Maskininlärning, Neurala Nätverk, Koncept, Generalisering, Utanför-distributionen
National Category
Computer Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:mau:diva-58450 (URN)10.24834/isbn.9789178773503 (DOI)978-91-7877-351-0 (ISBN)978-91-7877-350-3 (ISBN)
Public defence
2023-04-13, Orkanen, D138 eller livestream, Nordenskiöldsgatan 10, Malmö, 14:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

Paper IV and VIII in dissertation as manuscript

Available from: 2023-03-17 Created: 2023-03-17 Last updated: 2024-02-29Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Authority records

Holmberg, Lars

Search in DiVA

By author/editor
Holmberg, Lars
By organisation
Department of Computer Science and Media Technology (DVMT)Internet of Things and People (IOTAP)
Human Computer InteractionComputer Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 44 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf