引言

近期，各种问答任务都应用了 深度学习 。例如，关于图像的问答任务（如 Kazemi 和 Elqursh 等人 2017 年的工作）；关于图表的问答任务（如 Neelakantan 等人 2017 年的工作）；以及关于文本段落的问答任务（如 Yu 等人 2018 年的工作）。开发人员、用户以及审稿人（学术界）都希望了解这些模型的能力。

衡量系统表现的标准方式是在测试集上评估其误差率。只有当测试集可以代表潜在的真实世界任务时，高 准确率 才是一个好模型的指标。大多数任务的测试集和训练集都很大，因而很难检验这些数据集是否能代表真实世界。

本文提出的技术可以分析 深度学习 模型对问句中单词的敏感度。研究者通过归因分析以及生成对抗性问题来实现这种技术。举一个说明性的例子：视觉问答（Agrawal et al., 2015）中的任务是要回答关于图像的问题。思考一下「建筑物两边的白色砖块有多对称？」这样的问题（如图 1 所示）。本文研究的系统得到了正确的答案（「非常」）。但是，研究者（通过归因方式）发现这个系统只依赖于类似「how」和「bricks」等少数几个单词。事实上，我们可以在图像相同的情况下，提出一个可以使系统得到错误答案的对抗性问题。例如，对于「建筑两边的白色砖块有多圆？」这个问题来说，系统得到的答案是一样的（「非常」）。本项研究的一个重要前提是在问答方面大多数人都有基本常识。即使他们无法手动检验数据集是否能代表真实世界，但是他们可以识别问句中重要的词，并预测出这些关键词在回答问题中所起的作用。

本文的研究贡献

研究者分析了三个问答模型。有两个步骤：首先，应用了集成梯度（Integrated Gradients,IG）（Sundararajan et al., 2017），将系统的预测结果归因于问题中的单词上。研究者对归因结果进行了可视化，以便后续分析。其次，通过归因分析识别出网络 逻辑 中的弱点（例如，依赖不重要的单词），并利用这些弱点构建对抗性问题。

本研究的一个重要贡献在于可以对问答网络进行过稳定性（overstability）的测试。Jia 和 Liang 的研究（2017）表明，阅读理解网络对语义更改编辑来说有些过稳定。在研究过程中，作者发现这样的过稳定性也适用于问答任务。此外，这种行为在视觉问答网络和表格问答网络中也有所体现。作者使用归因定义一种通用的测试方法，以度量过稳定性的程度（4.3 节和 5.3 节）。该过程涉及到当系统地从问题中去除单词的过程中，度量网络的 准确率 的变化。

需要强调的是，与 Jia 和 Liang 相似的模型独立的对抗技术相比，本文的方法利用了现有模型的优缺点，这使得的攻击成功率更高。此外，利用归因分析，可以提高 Jia 和 Liang 工作的 准确率 （6.2 节）。就目前所知，这种广泛使用归因分析构建 对抗样本 的做法是很新颖的。

接下来提供本文结果的概述，在每种情况下都会对新输入上的预训练模型进行评估，并保持网络 参数 不变。

图像问答（第 4 节）：该任务是要回答有关图像的问题。作者分析了 Kazemi 和 Elqursh 的研究（2017）中的深度网络。他们发现网络忽略了问题中的很多单词，这些单词很大程度上是依赖图像回答问题的。例如，在 验证集 中，即使删掉除了被强调外的每一个单词，模型准确性还是达到原始准确性的 50% 以上。他们还发现，该模型潜在地依赖于重要的疑问词（如名词），在问题中添加无内容前缀（如「简单来说…」）的话，模型 准确率 从 61.1% 降低到 19%。

图表问答（第 5 节）：作者分析了 Neelakantan 等人在 2017 年做出的神经编程器（Neural Programmer，NP）系统的工作，该系统针对表格数据回答问题。NP 选择适用于附表的一系列操作回答问题（类似于 SQL 的 query 方法；在第 5 节中有细节描述）。他们发现与名词或形容词等重要词相比，无内容单词（如「in」、「at」和「the」等）更容易影响这些操作选择。删除所有的无内容单词后，模型的 准确率 从 33.5% 下降到 28.5%。他们还发现，NP 通常是以错误的原因得到正确答案的。例如，对于问题「哪个国家赢得了最多的金牌？」，NP 选择的操作之一是「第一」（选取图表的第一行）。只有当图表恰好是以排名组织时，它的答案才是正确的。研究者通过在 Pasupat 和 Liang 2016 年提出的生成扰动图表集上进行测试，来量化该弱点，并发现其 准确率 从 33.5% 下降到了 23%。最后，研究者展示了过稳定性的极端形式，其中图表自身就能在网络中诱导很大的偏差，而不管问题的具体内容。例如，在关于奥林匹克金牌数的图表中，NP 预先倾向于选择「前一个」的操作。

阅读理解（第 6 节）：该任务是要回答文本段落的相关问题。分析了 Yu 等人的网络（2018）后又一次发现，网络常常忽略一些本应该重视的单词。Jia 和 Liang 等人 2017 年提出在句子中添加一些短语一般不会改变网络所给答案，但有时候能实现攻击。研究者的主要发现是，当被添加短语的句子中包含所有模型认为重要（对原始段落而言）的疑问词时，攻击成功的可能性更高。例如，他们发现，当添加的句子包含最高归因（top-attributed）的名词时，攻击成功的可能性会超过 50%。这种洞察可指导我们构建更成功的攻击和更好地训练数据集。

总之，研究者发现所有的网络都忽视了问题的重要部分。可以通过改善训练集或者引入归纳偏置解决这一问题。他们的分析工作对这两个方案都有帮助。对将最终用户展示归因可视化也是有意义的。了解哪些单词会被忽略，或者哪些操作会 映射 到单词，都可以帮助用户决定是否相信系统给出的回应。

图 1：图像问答（Kazemi and Elqursh, 2017）：对能正确回答问题的网络的归因（词重要性）可视化。红色表示高归因，蓝色表示负归因，灰色表示近零归因。颜色由标准化的归因决定，也就是问题中归因程度最高的词语。

图 2：VQA 网络（Kazemi and Elqursh, 2017）：相对于原始准确率 ，准确率 更像是词汇量的函数。将词汇按出现频率降序排列，选择出现最多的词汇。X 轴取对数刻度，除了接近 0 的地方是线性的。

表 1：VQA 网络（Kazemi and Elqursh, 2017）：前缀攻击的准确率 ；原始准确率 为 61.1%。

图 3：归因分析的可视化。Y 轴上是疑问词、预处理标记和列选择先验。X 轴上是操作符和列选择，括号内是其基准线。操作符和列本身不影响最终答案，与对应的基准线一样，定为零归因。

表 2：表格特定默认程序（NP 在空输入问题上返回的程序）的列名归因。完整列表见补充材料中的表 6。这些结果表明，网络预先倾向于只根据表格选择运算符。

图 4：准确率 作为词汇量的函数。按照出现频率，降序排列这些词，选择这些词作为问题中词语的最高归因。X 轴取对数坐标，除了接近 0 的地方是线性的。注意，只需要 5 个词网络的最终准确率 即可超过 50%。

表 3：神经编程器（Neelakantan et al., 2017）：左边：将攻击短语加入问题后得到的验证准确率 （原始准确率 为 33.5%）。

表 4：ADDSENT 攻击没能骗过这个模型。经过修改保留了归因程度高的名词后成功骗过了模型。归因程度高的词是红色的（归因程度越高颜色越深）

论文：Did the Model Understand the Question?

论文地址：https://arxiv.org/abs/1805.05492

摘要：本文分析了针对三个任务的最新的 深度学习 模型：对图像的问答、对图表的问答和对文本段落的问答。通过归因（词重要性）标记，发现这些深度网络常常会忽略问题中重要的词。利用这样的漏洞，我们对问题做了扰动修改，从而制造出各种各样的 对抗样本 。最强的攻击将图像问答模型的 准确率 从 61.1% 降低到 19%，将图表问答模型的 准确率 从 33.5% 降低到 3.3%。此外，本文还说明了在段落理解模型上归因是如何增强攻击力度的（Jia 和 Liang 2017 年提出）。研究结果表明，归因可以加强 准确率 的标准衡量，还可以使模型性能具备可探究性。当一个模型出于错误原因变成准确的的时候，归因分析会在模型中显示 逻辑 错误，指出测试集中数据的不足之处。