在机器学习和数据科学领域，模型的可解释性一直是研究者和实践者关注的焦点。随着深度学习和集成方法等复杂模型的广泛应用，理解模型的决策过程变得尤为重要。可解释人工智能（Explainable AI ，XAI）通过提高模型的透明度，帮助建立对机器学习模型的信任和信心。
XAI是一套工具和框架，用于理解和解释机器学习模型如何做出决策。其中，Python中的SHAP（SHapley Additive exPlanations）库是一个非常有用的工具。SHAP库能够量化特征对单个预测及整体预测的贡献，并提供美观且易于使用的可视化功能。
接下来，我们将概括介绍下SHAP库的基础知识，以理解在Scikit-learn中构建的回归和分类模型的预测。
SHAP 和SHAP values
SHAP（SHapley Additive Explanations）是一种解释任何机器学习模型输出的博弈论方法。它利用经典的博弈论Shapley值及其相关扩展，将最优的信用分配与局部解释相结合（详细信息和引用请参阅相关论文：https://github.com/shap/shap#citations）。
SHAP values帮助我们量化特征对预测的贡献。SHAP值越接近于零，表示该特征对预测的贡献越小；而SHAP值远离零，表示该特征对预测的贡献越大。
安装shap 包：
pip install shap -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple我们看下面的示例：如何在回归问题中获取特征的SHAP值。我们将从加载库和示例数据开始，然后快速构建一个模型来预测糖尿病的进展情况：
import numpy as np
np.set_printoptions(formatter={'float':lambda x:"{:.4f}".format(x)})
import pandas as pd
pd.options.display.float_format = "{:.3f}".format
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
sns.set(style='darkgrid', context='talk', palette='rainbow')
from sklearn.datasets import load_diabetes
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import (RandomForestRegressor,
RandomForestClassifier)
import shap
shap.initjs()
# Import sample data
diabetes = load_diabetes(as_frame=True)
X = diabetes['data'].iloc[:, :4] # Select first 4 columns
y = diabetes['target']
# Partition data
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y,
test_size=0.2,
random_state=1)
print(f"Training features shape: {X_train.shape}")
print(f"Training target shape: {y_train.shape}\n")
print(f"Test features shape: {X_test.shape}")
print(f"Test target shape: {y_test.shape}")
display(X_train.head())
# Train a simple model
model = RandomForestRegressor(random_state=42)
model.fit(X_train, y_train)
一种常见的获取SHAP值的方法是使用Explainer对象。接下来创建一个Explainer对象，并为测试数据提取shap_test值：
explainer = shap.Explainer(model)
shap_test = explainer(X_test)
print(f"Shap values length: {len(shap_test)}\n")
print(f"Sample shap value:\n{shap_test[0]}")
shap_test的长度为89，因为它包含了每个测试实例的记录。从查看第一个测试记录中，我们可以看到它包含三个属性：
shap_test[0].base_values：目标的基准值
shap_test[0].data：每个特征的值
shap_test[0].values：每个对象的SHAP值
- 基准值：基准值（shap_test.base_values），也称为期望值（explainer.expected_value），是训练数据中目标值的平均值。
print(f"Expected value: {explainer.expected_value[0]:.1f}")
print(f"Average target value (training data): {y_train.mean():.1f}")
print(f"Base value: {np.unique(shap_test.base_values)[0]:.1f}")
- shap_test.data 包含与 X_test 相同的值
(shap_test.data == X_test).describe()
- values：shap_test 最重要的属性是 values 属性，因为我们可以通过它访问 SHAP 值。让我们将 SHAP 值转换为 DataFrame，以便于操作：
shap_df = pd.DataFrame(shap_test.values,
columns=shap_test.feature_names,
index=X_test.index)
shap_df
可以看到每条记录中每个特征的 SHAP 值。如果将这些 SHAP 值加到期望值上，就会得到预测值：
np.isclose(model.predict(X_test),
explainer.expected_value[0] + shap_df.sum(axis=1))
现在我们已经有了 SHAP 值，可以进行自定义可视化，如下图所示，以理解特征的贡献：
columns = shap_df.apply(np.abs).mean()\
.sort_values(ascending=False).index
fig, ax = plt.subplots(1, 2, figsize=(11,4))
sns.barplot(data=shap_df[columns].apply(np.abs), orient='h',
ax=ax[0])
ax[0].set_title("Mean absolute shap value")
sns.boxplot(data=shap_df[columns], orient='h', ax=ax[1])
ax[1].set_title("Distribution of shap values");
plt.show()
左侧子图显示了每个特征的平均绝对 SHAP 值，而右侧子图显示了各特征的 SHAP 值分布。从这些图中可以看出，bmi 在所使用的4个特征中贡献最大。
Shap 内置图表
虽然我们可以使用 SHAP 值构建自己的可视化图表，但 shap 包提供了内置的华丽可视化图表。在本节中，我们将熟悉其中几种选择的可视化图表。我们将查看两种主要类型的图表：
- 全局：可视化特征的整体贡献。这种类型的图表显示了特征在整个数据集上的汇总贡献。
- 局部：显示特定实例中特征贡献的图表。这有助于我们深入了解单个预测。
- 条形图/全局：对于之前显示的左侧子图，有一个等效的内置函数，只需几个按键即可调用：
shap.plots.bar(shap_test)
这个简单但有用的图表显示了特征贡献的强度。该图基于特征的平均绝对 SHAP 值而生成：shap_df.apply(np.abs).mean()。特征按照从上到下的顺序排列，具有最高平均绝对 SHAP 值的特征显示在顶部。
- 总结图/全局：另一个有用的图是总结图：
shap.summary_plot(shap_test)
以下是解释这张图的指南：
- 图的横轴显示了特征的 SHAP 值分布。每个点代表数据集中的一个记录。例如，我们可以看到对于 BMI 特征，点的分布相当散乱，几乎没有点位于 0 附近，而对于年龄特征，点更加集中地分布在 0 附近。
- 点的颜色显示了特征值。这个额外的维度允许我们看到随着特征值的变化，SHAP 值如何变化。换句话说，我们可以看到关系的方向。例如，我们可以看到当 BMI 较高时（由热粉色点表示）SHAP 值倾向于较高，并且当 BMI 较低时（由蓝色点表示）SHAP 值倾向于较低。还有一些紫色点散布在整个光谱中。
- 热力图/全局：热力图是另一种可视化 SHAP 值的方式。与将 SHAP 值聚合到平均值不同，我们看到以颜色编码的个体值。特征绘制在 y 轴上，记录绘制在 x 轴上：
shap.plots.heatmap(shap_test)
这个热力图的顶部还补充了每个记录的预测值（即 f(x)）的线图。
- Force plot/全局：这个交互式图表允许我们通过记录查看 SHAP 值的构成。
shap.initjs()
shap.force_plot(explainer.expected_value, shap_test.values,
X_test)
就像热力图一样，x 轴显示每个记录。正的 SHAP 值显示为红色，负的 SHAP 值显示为蓝色。例如，由于第一个记录的红色贡献比蓝色贡献多，因此该记录的预测值将高于期望值。
交互性允许我们改变两个轴。例如，y 轴显示预测值 f(x)，x 轴根据输出（预测）值排序，如上面的快照所示。
- 条形图/局部:现在我们将看一下用于理解个别案例预测的图表。让我们从一个条形图开始：
shap.plots.bar(shap_test[0])
与“ 条形图/全局 ”中完全相同，只是这次我们将数据切片为单个记录。
- Force plot/局部:Force plot是单个记录的强制图。
shap.initjs()
shap.plots.force(shap_test[0])
分类模型的SHAP values/图表
上面示例是回归模型，下面我们以分类模型展示SHAP values及可视化：
import numpy as np
np.set_printoptions(formatter={'float':lambda x:"{:.4f}".format(x)})
import pandas as pd
pd.options.display.float_format = "{:.3f}".format
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
sns.set(style='darkgrid', context='talk', palette='rainbow')
from sklearn.datasets import load_diabetes
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
import shap
from sklearn.datasets import fetch_openml
# 加载 Titanic 数据集
titanic = fetch_openml('titanic', version=1, as_frame=True)
df = titanic.frame
# 选择特征和目标变量
features = ['pclass', 'age', 'sibsp', 'parch', 'fare']
df = df.dropna(subset=features + ['survived']) # 删除包含缺失值的行
X = df[features]
y = df['survived']
# 分割数据集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)
# 训练随机森林分类器
model = RandomForestClassifier(n_estimators=100, random_state=42)
model.fit(X_train, y_train)
和回归模型一样的，shap values 值也是包括base_values 和values 值：
explainer = shap.Explainer(model)
shap_test = explainer(X_test)
print(f"Length of shap_test: {len(shap_test)}\n")
print(f"Sample shap_test:\n{shap_test[0]}")
print(f"Expected value: {explainer.expected_value[1]:.2f}")
print(f"Average target value (training data): {y_train}")
print(f"Base value: {np.unique(shap_test.base_values)[0]:.2f}")
shap_df = pd.DataFrame(shap_test.values[:,:,1],
columns=shap_test.feature_names,
index=X_test.index)
shap_df我们仔细检查一下将 shap 值之和添加到预期概率是否会给出预测概率：
np.isclose(model.predict_proba(X_test)[:,1],
explainer.expected_value[1] + shap_df.sum(axis=1))
内置图与回归模型是一致的，比如：
shap.plots.bar(shap_test[:,:,1])
或者瀑布图如下：
shap.plots.waterfall(shap_test[:,:,1][0])
示例
看一个具体的用例。我们将找出模型对幸存者预测最不准确的例子，并尝试理解模型为什么会做出错误的预测：
test = pd.concat([X_test, y_test], axis=1)
test['probability'] = model.predict_proba(X_test)[:,1]
test['order'] = np.arange(len(test))
test.query("survived=='1'").nsmallest(5, 'probability')
生存概率为第一个记录的746。让我们看看各个特征是如何对这一预测结果产生贡献的：
ind1 = test.query("survived=='1'")\
.nsmallest(1, 'probability')['order'].values[0]
shap.plots.waterfall(shap_test[:,:,1][ind1])
主要是客舱等级和年龄拉低了预测值。让我们在训练数据中找到类似的例子：
pd.concat([X_train, y_train],
axis=1)[(X_train['pclass']==3) &
(X_train['age']==29) &
(X_train['fare'].between(7,8))]
所有类似的训练实例实际上都没有幸存。现在，这就说得通了！这是一个小的分析示例，展示了 SHAP 如何有助于揭示模型为何会做出错误预测。
在机器学习和数据科学中，模型的可解释性一直备受关注。可解释人工智能（XAI）通过提高模型透明度，增强对模型的信任。SHAP库是一个重要工具，通过量化特征对预测的贡献，提供可视化功能。本文介绍了SHAP库的基础知识，以及如何使用它来理解回归和分类模型的预测。通过具体用例，展示了SHAP如何帮助解释模型错误预测。
