Enhancing Performance and Explainability of Multivariate Time Series Machine Learning Methods : Applications for Social Impact in Dairy Resource Monitoring and Earthquake Early Warning
Amélioration de la Performance et de l’Explicabilité des Méthodes d'Apprentissage Automatique de Séries Temporelles Multivariées
Résumé
The prevalent deployment and usage of sensors in a wide range of sectors generate an abundance of multivariate data which has proven to be instrumental for researches, businesses and policies. More specifically, multivariate data which integrates temporal evolution, i.e. Multivariate Time Series (MTS), has received significant interests in recent years, driven by high resolution monitoring applications (e.g. healthcare, mobility) and machine learning. However, for many applications, the adoption of machine learning methods cannot rely solely on their prediction performance. For example, the European Union’s General Data Protection Regulation, which became enforceable on 25 May 2018, introduces a right to explanation for all individuals so that they can obtain “meaningful explanations of the logic involved” when automated decision-making has “legal effects” on individuals or similarly “significantly affecting” them. The current best performing state-of-the-art MTS machine learning methods are “black-box” models, i.e. complicated-to-understand models, which rely on explainability methods providing explanations from any machine learning model to support their predictions (post-hoc model-agnostic). The main line of work in post-hoc model-agnostic explainability methods approximates the decision surface of a model using an explainable surrogate model. However, the explanations from the surrogate models cannot be perfectly faithful with respect to the original model, which is a prerequisite for numerous applications. Faithfulness is critical as it corresponds to the level of trust an end-user can have in the explanations of model predictions, i.e. the level of relatedness of the explanations to what the model actually computes. This thesis introduces new approaches to enhance both performance and explainability of MTS machine learning methods, and derive insights from the new methods about two real-world applications.
Le déploiement massif de capteurs couplé à leur exploitation dans de nombreux secteurs génère une masse considérable de données multivariées qui se sont révélées clés pour la recherche scientifique, les activités des entreprises et la définition de politiques publiques. Plus spécifiquement, les données multivariées qui intègrent une évolution temporelle, c’est-à-dire des séries temporelles, ont reçu une attention toute particulière ces dernières années, notamment grâce à des applications critiques de monitoring (e.g. mobilité, santé) et l’apprentissage automatique. Cependant, pour de nombreuses applications, l’adoption d’algorithmes d’apprentissage automatique ne peut se reposer uniquement sur la performance. Par exemple, le règlement général sur la protection des données de l’Union européenne, entré en application le 25 Mai 2018, introduit un droit à l’explication pour tous les individus afin qu’ils obtiennent des « meaningful explanations of the logic involved » lorsque la prise de décision automatisée a des « legal effects » sur les individus ou les affecte significativement. Les modèles d’apprentissage automatique de séries temporelles multivariées de l’état de l’art les plus performants sont des modèles difficiles à comprendre (« black-box »), qui se reposent sur des méthodes d’explicabilité applicables à n’importe quel modèle d’apprentissage automatique (post-hoc modèle-agnostique). L’axe de travail principal au sein des méthodes d’explicabilité post-hoc modèle-agnostique consiste à approximer la surface de décision d’un modèle en utilisant un modèle de remplacement explicable. Cependant, les explications du modèle de remplacement ne peuvent pas être parfaitement exactes au regard du modèle original, ce qui constitue un prérequis pour de nombreuses applications. L’exactitude est cruciale car elle correspond au niveau de confiance que l’utilisateur peut porter aux explications relatives aux prédictions du modèle, c’est-à-dire à quel point les explications reflètent ce que le modèle calcule.Cette thèse propose de nouvelles approches pour améliorer la performance et l’explicabilité des méthodes d’apprentissage automatique de séries temporelles multivariées, et établit de nouvelles connaissances concernant deux applications réelles.
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