分析和预防机器学习中的无意识偏差

机器学习 Word2Vec GloVe fastText

摘要

本文以Rachel Thomas在QCon.ai 2018大会上的主题演讲“分析和预防机器学习中的无意识偏差”为基础。Rachel介绍了机器学习中的偏差给决策过程带来的陷阱和风险。她探讨了机器学习偏差的三个场景。

正文

本文要点

• 深度学习算法被越来越多地运用到影响生活的决策中，如招聘和解聘员工、刑事司法系统。
• 机器学习实际上会放大偏差。研究人员发现，在人做饭的图片中，67%是女性，而算法把84%的图片标记为女性。
• Pro Publica发现，黑人被告（错误率45%）的假阳性率几乎是白人被告（24%）的两倍。
• Buolamwini和Gebru在研究中发现，ML分类器对男性分类的效果好于对女性分类的效果，对亮肤色人分类的效果好于对暗肤色人分类的效果。
• AI法规，如1967年的年龄歧视和就业法案和平等信用机会法，虽然不完美，但比什么保护都没有强。

本文以Rachel Thomas在QCon.ai 2018大会上的主题演讲“分析和预防机器学习中的无意识偏差”为基础。Thomas在fast.ai工作，这是一个非营利性的研究实验室，和旧金山大学的数据研究所合作，向开发者社区提供深度学习培训。该实验室提供了一项免费课程，名称“面向编码人员的实用机器学习”。

Thomas探讨了机器学习偏差的三个案例、偏差来源以及如何避免。

案例1：用于招聘、解聘和刑事司法系统的软件

深度学习算法在影响生活的决策中运用得越来越多，如招聘、解聘和刑事司法系统。编码偏差会带来决策陷阱和风险。

2016年，Pro Publica研究了COMPAS再犯算法。该算法用于预测犯人或被告人被释放之后再次犯罪的可能性。该算法被用于保释、量刑和假释。Pro Publica发现，黑人被告（错误率45%）的假阳性率（被标记为“高风险”但没有再犯）是白人被告（24%）的将近两倍。

在这个算法中，种族不是一个显式变量，但种族和性别被潜在编码到许多其他的变量中，如我们在哪里生活，我们的社交网络，我们受到的教育。即使有意识地不看种族或性别，也不能保证没有偏差——装瞎子没用。虽然怀疑COMPAS的准确性，但威斯康星州最高法院去年批准了该方法的使用。Thomas指出，那个算法还在使用真是令人震惊。

重要的是要有一个好的基线，让我们可以知道怎么样才算性能好，并且，有助于说明更简单的模型可能更有效。不能因为某个东西复杂，就认为那有用。人工智能（AI）在预测警务中的使用是一个问题。

去年，Taser收购了两家AI公司，它在向警察部门推销预测软件。该公司占据着美国执法记录仪市场80%的份额，因此，他们有大量的视频数据。此外，Verge在二月份透露，在过去的六年中，新奥尔良警察已经在一个绝密项目中使用来自Palantir的预测警务软件，甚至是市政委员都不知道。对于类似这样的应用，需要保持警惕，因为它们的使用不透明。因此有些私人公司，他们不会像警察部门那样遵守国家/公共记录法。经常，他们在法庭上受到保护，不需要透露他们在做什么。

此外，在警方现有的数据中存在大量的种族偏见，因此，这些算法用来学习的数据集从一开始就存在偏差。

最后，计算机视觉在运用于有色人种时一再失败。Thomas表示，这是一个会导致出错的可怕组合。

案例2：计算机视觉

计算机视觉通常不善于识别有色人种。其中一个最声名狼藉的例子来自2015年。可以自动标注照片的谷歌照片在分类毕业照和建筑图片时很有用。但是，它也把黑人标记成了大猩猩。

2016年，Beauty.AI网站使用AI机器人作为选美比赛的裁判。人们发现，与皮肤颜色深的人相比，皮肤颜色浅的人会被判定为更具吸引力。2017年，使用神经网络创建照片滤镜的FaceApp创建了一个火辣滤镜，可以使人的肤色变浅，赋予他们更多欧洲人的特征。Rachel在Twitter上展示了一个用户的真实面貌以及App创建的火辣版本。

Thomas谈到了Joy Buolamwini和Timnit Gebru发表的一篇学术论文，他们评价了来自微软、IBM和Face++（一家中国公司）的几款商用计算机视觉分类器。他们发现，分类器对于男性的效果好于女性，对于肤色浅的人效果好于肤色深的人。差距相当明显，对于浅肤色男性，错误率基本为0%，而对于深肤色女性，错误率在20%到35%之间。Buolamwini和Gebru还按照肤色深浅分析了女性错误率。错误率随着肤色加深而增加。肤色最深的类别，错误率在25%到47%之间。

案例3：词嵌入

Thomas研究的第三个案例是类似谷歌翻译这样的产品中的词嵌入。

比如有两个句子“She is a doctor. He is a nurse.”。使用谷歌翻译把他们翻译成土耳其语，然后再译回英语。性别就反转了，那两个句子现在变成了“He is a doctor. She is a nurse.”。土耳其语中的单数代词不分性别，翻译成英语时会按照固定的模式。其他单数代词不分性别的语言也会出现这种情况。按照记录，有许多单词的翻译定式支持女性懒惰、女性忧伤等许多性格特征。

Thomas解释了为什么会出现这种情况。计算机和机器学习把图片和单词当成数值来看待。同样的方法被用于语音识别和图片标注。这些算法的工作原理是，它们读取提供的图片，输出类似“穿黑衬衫的男性在弹吉他”或者“穿橘色背心的建筑工人正在路上施工”这样的东西。在类似谷歌智能回复这样的产品中，同样的机制可以自动提供邮件回复建议——如果有人询问你的假期计划，那么智能回复会建议，你可能想说“还没有计划”或者“我正准备要发给你”。

Thomas举了fast.ai课程“面向程序员的实用深度学习”中的一个例子。在这个例子中，我们提供单词，获得一副图片。提供单词“tench（丁鲷）”（一种鱼）和“net（网）”，它就会返回一张丁鲷在网中的图片。该方法会仔细搜索一串单词，但对于相似的单词，它不会告诉我们那意味着什么。因此，虽然“cat”和“catastrophe（灾难）”可能是有顺序的，但是它们之间没有任何语义关联。

一个更好的方法是把词表示成向量。词嵌入高维向量。她举了“kitten（小猫）”、“puppy（小狗）”和“duckling（小鸭子）”的例子，这几个词可能彼次之间都很接近，因为它们都是动物宝宝。但是，“avalanche（雪崩）”可能就远，因为其因为它与其他词之间没有真正的联系。

关于词向量的更多信息，请查阅Adrian Colyer的文章“词向量的神奇力量”。

Word2Vec

Word2Vec是谷歌发布的一个词嵌入库。还有其他类似的库，如Facebook的fastText，斯坦福大学自然语言处理团队的GloVe。训练这些库需要大量的数据、时间和计算能力，不过，这些团队已经完成了这项工作，并且发布了自己的库供公众使用，因此还是很方便的。由于是已经训练过的版本，所以用起来就容易多了。GitHub上提供了所有这三个项目的代码，Thomas自己的词嵌入工作坊也是如此。你可以使用Jupyter Notebook运行她的程序，并尝试不同的词。

相似的词，“puppy（小狗）”和“dog（狗）”或“queen（王后）”和“princess（王妃）”，在距离上非常接近。当然，不相关的词，如“celebrity（名人）”和“dusty（满是灰尘的）”或“kitten（小猫）”和“airplane（飞机）”的距离就比较远。该程序使用了余弦相似度，而不是欧氏距离，因为你不会希望在高维空间中使用欧式距离。

你可以使用这种方法获取语言的某些信息。你还可以找到距离特定目标单词最近的10个单词。例如，如果你查找距离“swimming（正在游泳）”最近的单词，那么你会获得类似“swim（游泳）”、“rowing（划船）”、“diving（潜水）”、“volleyball（排球）”和“pool（池塘）”这样的单词。单词类比也有用。它们捕获类似“西班牙之于马德里正如意大利之于罗马”这样的东西。不过，这里有许多地方会产生偏差。例如，“man（男性）”和“genius（天赋）”之间的距离比“woman（女性）”和“genius（天赋）”之间的距离小得多。

研究人员更系统地研究了词篮。比如，他们有一篮或一组花：“clover（三叶草）”、“poppy（罂粟花）”、“marigold（万寿菊）”、“iris（鸢尾花）”等，他们还有一篮昆虫：“locust（蝗虫）”、“spider（蜘蛛）”、“bedbug（臭虫）”、“maggot（蛆）”等。他们有一篮令人愉快的词（health、love、peace、 cheer等）和一篮令人不愉快的词（abuse、filth、murder、death等）。研究人员会查看不同词篮之间的距离，他们发现，花和令人愉快的词距离比较近，而昆虫和令人不愉快的词距离比较近。

到目前为止，所有这些似乎都是合理的，但是，研究人员查看了典型的白人名字和典型的黑人名字。他们发现，黑人名字和令人不愉快的单词距离更近，而白人名字和令人愉快的单词距离更近，这是偏差。在所有的单词组中，他们发现了许多种族和性别偏差，比如，“父亲之于医生正如母亲之于护士”，“男性之于计算机程序员正如女性之于操持家务者”。这些类比是在Word2Vec和GloVe中发现的。

Thomas探讨了另一个偏差的例子。在一个酒店评价系统中，墨西哥的酒店排名较低，因为“Mexican（墨西哥）”的词嵌入有负面属性。这些词嵌入是用一个很大的文本语料库训练的。这些文本包含许多种族和性别偏差，在我们希望词嵌入可以学习语义时，它们同时学习了这种联系。

机器学习会放大偏差

实际上，机器学习会放大偏差。其中一个例子在文章“男性也喜欢购物：使用语料库层约束减少性别偏差放大”中进行了讨论，该文考查了一个数据集中图片的可视化语义角色标签。研究人员发现，在人做饭的图片中，67%的是女性，但是该算法把84%的图片标注为女性。机器学习算法有放大我们在真实世界看到的东西的风险。

Thomas提到了Zeynep Tufekci的研究，他提供了有关技术与社会的交集的见解。Tufekci在推特中写道，“许多人告诉我，不管起始点在哪，YouTube自动播放结束时都是白人至上主义者视频，这真是令人吃惊。”下面是一些例子：

• “我在观看一个叶风机视频，三个视频之后是白人至上论。”
• “我在观看一个关于种植园奴隶制起源的学术讨论，下一个视频来自大屠杀否认者。”
• “我和女儿在看一个关于南非前总统曼德拉的视频，下一个视频是说一些类似‘南非黑人是真正的种族主义者和罪犯’这样的内容。”

非常可怕。

Renée DiResta是一名虚假信息及宣传传播专家，她几年前注意到，如果你在Facebook上加入了一个反接种疫苗小组，那么该网站还会向你推荐有关自然癌症疗法、化学制剂、Flat Earth和各种各样的反科学团体。这些网络做了许多促进此类宣传的工作。

Thomas提到了一篇学术论文，关于失控反馈循环如何用于预测执法。如果软件或分析预测一个地区将会有更多的犯罪活动，警察局可能向那里派出更多警官——但是，由于那里有了更多警官，所以他们可能会逮捕更多人，这可能会让我们认为那里有更多犯罪，这又会让我们向那里派出更多警官。我们很容易陷入这种失控反馈循环。

Thomas建议，我们把某些变量包含在模型中时要进行道德方面的思考。虽然我们可以访问数据，即使那些数据可以提高我们模型的性能，但使用它合乎道德吗？符合我们社会的价值观吗？甚至是工程师都需要就他们从事的工作提出道德问题，并且应该能够回答与之有关的道德问题。我们将会看到，社会对此的容忍度会越来越低。

iRobot数据科学负责人Angela Bassa说，“不是数据可能会有偏差。数据就是有偏差。如果你想使用数据，那么你就需要了解它是如何产生的。”

解决词嵌入中的偏差

即使我们在模型开发早期就消除偏差，但是，可以渗入偏差的地方如此之多，我们需要一直对偏差保持警惕。

使用更具代表性的数据集是一个解决方案。Buolamwini和Gebru发现了上述计算机视觉产品中的偏差缺陷，拼合出一个能更好的表示不同肤色男性和女性的数据集。Gender Shades提供了这份数据集。该网站还提供了他们的学术论文以及一段有关他们工作的短视频。

Gebru和其他人最近还发表了一篇论文“数据集的数据表”。该论文提供了原型数据表，用于记录数据集特征和元数据，可以反映出数据集如何创建、如何构成、做过什么处理、数据集维护需要做哪些工作以及任何法律或道德考虑。了解用于构建模型的数据集很重要。

Thomas强调，提前考虑意外的结果是我们的工作。考虑下流氓、骚扰者或者威权主义政府如何使用我们构建的平台。我们的平台如何用于宣传或虚假信息？当Facebook宣布他们将开始威胁建模时，许多人问他们，为什么在过去的14年不那样做。

还有一种观点，就是不要存储我们不需要的数据，那样就没人可以拿走那些数据。

我们的工作是，在这样的情况出现之前，考虑我们的软件可能如何被滥用。信息安全领域的文化就是以此为基础的。从现在开始，我们需要更多地考虑事情会怎样变坏。

有关AI的问题

Thomas列出了一些有关AI的问题。

• 数据有什么偏差？所有数据都有某种偏差，我们需要知道那是什么以及数据是如何创建的。
• 代码和数据可以审核吗？是开源的吗？使用闭源的专有算法来做有关医疗保健、刑事司法及招聘谁或解聘谁的决定是有风险的。
• 不同子组的错误率是什么？如果我们没有一个有代表性的数据集，那么我们可能注意不到我们的算法在某个子组上性能糟糕。对于数据集中的所有子组，我们的抽样规模是否足够大？对这一点进行检查很重要，就像Pro Publica对于考虑种族的再犯算法所做的那样。
• 一个简单的、基于规则的可选方案的准确率是多少？有一个好的基准真得很重要，不管我们研究的是什么问题，这都应该是第一步，因为如果有人问，95%的准确率是否够好，我们需要能够回答。答案是否正确取决于语境。我想到了再犯算法，他不比一个双变量的线性分类器更高效。知道简单的可选方案是什么是有好处的。准备采用什么程序来处理申诉或错误？对于影响人们生活的东西，我们需要一个人性化申诉程序。在公司内，作为工程师，我们相对而言有更大的能力提出这些问题。
• 构建它的团队多元化情况如何？构建我们的技术的团队应该能够代表将会受到它影响的人，逐渐地会变成我们所有人。

研究表明，多元化团队表现更好，相信我们是精英的确会增加偏差。不断地面谈会花费许多时间和精力。Julia Evans的博文“进行小规模的文化变革”就有很好的借鉴意义。

先进技术代替不了好政策。Thomas谈到，fast.ai世界各地的学生都在把深度学习运用到解决社会问题，如拯救热带雨林或改善对帕金森病患者的护理。

有一些相关的法规，如1967年颁布的年龄歧视与就业法案和平等信用机会法案。这还不完善，但总比没有任何保护好，因为我们真得需要考虑，作为一个社会，我们希望保护什么权力。

Thomas在演讲总结中表示，检查偏差是一项永远也做不完的工作。我们可以按照一些步骤得出解决方案，但是偏差会从许多地方渗入进来。没有一个检查清单可以保证偏差已经消失，我们无须再担心。对于那个东西，我们要一直保持警惕。

关于作者

Srini Penchikala目前是德克萨斯奥斯汀的一名高级软件架构师。Penchikala在软件架构、设计和开发方面有超过22年的经验。他还是InfoQ人工智能、机器学习&数据工程社区的责任编辑，最近他发布了自己的迷你书《使用Apache Spark进行大数据处理》。他已经在InfoQ、TheServerSide、O’Reilly Network（OnJava）、DevX的Java Zone、Java.net和JavaWorld等网站上发表了许多有关软件架构、安全、风险管理、NoSQL和大数据的文章。

查看英文原文：Analyzing and Preventing Unconscious Bias in Machine Learning