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可解释的深度网络抗噪音干扰性逐层评估方法
网络安全与数据治理
周瑞丰1,栾瑞鹏2,张超1
1.大连理工大学数学科学学院; 2. 91550部队
摘要: 在复杂应用场景中,深度神经网络易受噪音数据干扰,如何客观、有效、可靠地评估深度网络的抗噪音干扰性已成为智能化技术开发的关键问题之一。然而,现有的评估方法只能对网络抗噪音干扰性进行整体评估,且不具备可解释的理论依据。为了解决上述问题,基于闵可夫斯基差线性可分性度量,提出一种深度神经网络逐层抗噪音干扰性评估方法,实现了神经网络抗噪音干扰性的可解释性评估。该方法可以对深度网络各隐层数据映射行为进行定量分析,解析噪音干扰对网络各隐层的影响机理,进而建立面向网络隐层的可解释抗噪音干扰性评估方法。
中圖分類號:TP181文獻標識碼:ADOI:10.19358/j.issn.2097-1788.2025.09.007
引用格式:周瑞豐,欒瑞鵬,張超. 可解釋的深度網(wǎng)絡抗噪音干擾性逐層評估方法[J].網(wǎng)絡安全與數(shù)據(jù)治理,2025,44(9):46-50.
Explainable methods for layer-wise evaluating noise resistance of deep networks
Zhou Ruifeng1,Luan Ruipeng 2,Zhang Chao1
1. School of Mathematical Science, Dalian University of Technology; 2. Unit 91550
Abstract: In complex application scenarios, deep neural networks are susceptible to noise data interference. How to objectively, effectively, and reliably evaluate the noise resistance of deep networks has become one of the key issues in the development of intelligent technology. However, the existing evaluation methods can only evaluate the noise resistance of the whole network, and have no explainable theoretical basis. To address the above problems, based on Minkowski difference based linear separability measure, a layer-wise noise resistance evaluation method for deep neural networks is proposed, achieving an explainable evaluation of the network′s noise resistance performance. This method can quantitatively analyze the data mapping behavior of each hidden layer of the deep network, explain the influence mechanism of noise interference on each hidden layer of the network, and then establish an explainable noise resistance evaluation method for the network′s hidden layers.
Key words : noise resistance evaluation; explainability; neural network

引言

隨著神經(jīng)網(wǎng)絡在圖像分類[1]、語義分割[2]等領域的長足發(fā)展,其被廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)[3]、自動駕駛[4]、醫(yī)學[5]等新的任務場景中。然而,這些新的任務場景往往更加復雜,其中包含著干擾輸入數(shù)據(jù)的多種噪音,會顯著影響網(wǎng)絡的性能。同時,在這些任務場景中,網(wǎng)絡判斷出錯所造成的后果往往要更加嚴重。因此,如何評估網(wǎng)絡對任務場景中噪音的抗干擾性,從而判斷網(wǎng)絡在該任務場景中的適用性,成為了一個需要解決的問題。

目前,通過生成讓網(wǎng)絡判斷出錯的最小擾動的對抗樣本[6-8]或者生成任務場景[9-10]中常見的模擬噪音都可以作為生成噪音的方法,并進一步得到網(wǎng)絡在面對噪音下的數(shù)值化抗干擾性指標。但是,現(xiàn)有的網(wǎng)絡評估方法大多對網(wǎng)絡整體進行評估,無法分析噪音對網(wǎng)絡輸出的影響機理,缺乏可解釋性,并且評估結果也無法對網(wǎng)絡改進起到積極的指導作用。

為了解決上述問題,本文引入基于閔可夫斯基差的線性可分性度量(Minkowski Difference based Linear Separability Measure, MDLSM)作為分類神經(jīng)網(wǎng)絡的隱層分析工具,借助MDLSM對網(wǎng)絡隱層的數(shù)據(jù)映射行為進行分析,得到噪音對網(wǎng)絡各個隱層的擾動,確定噪音對網(wǎng)絡的影響機理,從而實現(xiàn)網(wǎng)絡的可解釋性抗干擾性逐層評估。


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http://www.ihrv.cn/resource/share/2000006706


作者信息:

周瑞豐1,欒瑞鵬2,張超1

(1.大連理工大學數(shù)學科學學院,遼寧大連116024;

2. 91550部隊,遼寧大連116023)


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