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Interpretabilidad: explicador SHAP tabular

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En este ejemplo, usamos el SHAP de kernel para explicar un modelo de clasificación tabular creado a partir del conjunto de datos del censo de adultos.

En primer lugar, importamos los paquetes y definimos algunas UDF que necesitamos más adelante.

import pyspark
from synapse.ml.explainers import *
from pyspark.ml import Pipeline
from pyspark.ml.classification import LogisticRegression
from pyspark.ml.feature import StringIndexer, OneHotEncoder, VectorAssembler
from pyspark.sql.types import *
from pyspark.sql.functions import *
import pandas as pd
from pyspark.sql import SparkSession

# Bootstrap Spark Session
spark = SparkSession.builder.getOrCreate()

from synapse.ml.core.platform import *




vec_access = udf(lambda v, i: float(v[i]), FloatType())
vec2array = udf(lambda vec: vec.toArray().tolist(), ArrayType(FloatType()))

Ahora vamos a leer los datos y entrenar un modelo de clasificación binaria.

df = spark.read.parquet(
    "wasbs://publicwasb@mmlspark.blob.core.windows.net/AdultCensusIncome.parquet"
)

labelIndexer = StringIndexer(
    inputCol="income", outputCol="label", stringOrderType="alphabetAsc"
).fit(df)
print("Label index assigment: " + str(set(zip(labelIndexer.labels, [0, 1]))))

training = labelIndexer.transform(df).cache()
display(training)
categorical_features = [
    "workclass",
    "education",
    "marital-status",
    "occupation",
    "relationship",
    "race",
    "sex",
    "native-country",
]
categorical_features_idx = [col + "_idx" for col in categorical_features]
categorical_features_enc = [col + "_enc" for col in categorical_features]
numeric_features = [
    "age",
    "education-num",
    "capital-gain",
    "capital-loss",
    "hours-per-week",
]

strIndexer = StringIndexer(
    inputCols=categorical_features, outputCols=categorical_features_idx
)
onehotEnc = OneHotEncoder(
    inputCols=categorical_features_idx, outputCols=categorical_features_enc
)
vectAssem = VectorAssembler(
    inputCols=categorical_features_enc + numeric_features, outputCol="features"
)
lr = LogisticRegression(featuresCol="features", labelCol="label", weightCol="fnlwgt")
pipeline = Pipeline(stages=[strIndexer, onehotEnc, vectAssem, lr])
model = pipeline.fit(training)

Una vez entrenado el modelo, se seleccionan aleatoriamente algunas observaciones que se van a explicar.

explain_instances = (
    model.transform(training).orderBy(rand()).limit(5).repartition(200).cache()
)
display(explain_instances)

Creamos un explicador TabularSHAP, establecemos las columnas de entrada en todas las características que toma el modelo, especificamos el modelo y la columna de salida de destino que intentamos explicar. En este caso, estamos intentando explicar la salida de "probabilidad", que es un vector de longitud 2 y solo estamos examinando la probabilidad de clase 1. Especifique targetClasses a [0, 1] si desea explicar la probabilidad de clase 0 y 1 al mismo tiempo. Por último, muestreamos 100 filas de los datos de entrenamiento para los datos en segundo plano, que se usan para integrar las características de SHAP del kernel.

shap = TabularSHAP(
    inputCols=categorical_features + numeric_features,
    outputCol="shapValues",
    numSamples=5000,
    model=model,
    targetCol="probability",
    targetClasses=[1],
    backgroundData=broadcast(training.orderBy(rand()).limit(100).cache()),
)

shap_df = shap.transform(explain_instances)

Una vez que tengamos la trama de datos resultante, extraemos la probabilidad de la clase 1 de la salida del modelo, los valores SHAP de la clase de destino, las características originales y la etiqueta verdadera. A continuación, lo convertimos en una trama de datos de pandas para su visualización. Para cada observación, el primer elemento del vector de valores SHAP es el valor base (la salida media del conjunto de datos en segundo plano) y cada uno de los siguientes elementos es los valores SHAP de cada característica.

shaps = (
    shap_df.withColumn("probability", vec_access(col("probability"), lit(1)))
    .withColumn("shapValues", vec2array(col("shapValues").getItem(0)))
    .select(
        ["shapValues", "probability", "label"] + categorical_features + numeric_features
    )
)

shaps_local = shaps.toPandas()
shaps_local.sort_values("probability", ascending=False, inplace=True, ignore_index=True)
pd.set_option("display.max_colwidth", None)
shaps_local

Usamos sub lotes de trazado para visualizar los valores SHAP.

from plotly.subplots import make_subplots
import plotly.graph_objects as go
import pandas as pd

features = categorical_features + numeric_features
features_with_base = ["Base"] + features

rows = shaps_local.shape[0]

fig = make_subplots(
    rows=rows,
    cols=1,
    subplot_titles="Probability: "
    + shaps_local["probability"].apply("{:.2%}".format)
    + "; Label: "
    + shaps_local["label"].astype(str),
)

for index, row in shaps_local.iterrows():
    feature_values = [0] + [row[feature] for feature in features]
    shap_values = row["shapValues"]
    list_of_tuples = list(zip(features_with_base, feature_values, shap_values))
    shap_pdf = pd.DataFrame(list_of_tuples, columns=["name", "value", "shap"])
    fig.add_trace(
        go.Bar(
            x=shap_pdf["name"],
            y=shap_pdf["shap"],
            hovertext="value: " + shap_pdf["value"].astype(str),
        ),
        row=index + 1,
        col=1,
    )

fig.update_yaxes(range=[-1, 1], fixedrange=True, zerolinecolor="black")
fig.update_xaxes(type="category", tickangle=45, fixedrange=True)
fig.update_layout(height=400 * rows, title_text="SHAP explanations")
fig.show()

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