Apprentissage neuronal et validation de modèles hiérarchiques d’aide à la décision multicritère présentant de l'interaction entre les critères

Neural learning and validation of hierarchical multi-criteria decision aiding models with interacting criteria

• Auteur / Autrice : Roman Bresson
• Direction : Johanne Cohen, Christophe Labreuche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 02/02/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire interdisciplinaire des sciences du numérique (Orsay, Essonne ; 2021-....) - Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Saclay, Ile-de-France)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Perny
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrea Passerini, Michèle Sebag, Eyke Hüllermeier, Hendrik Blockeel, Krzysztof Dembczynski
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patrice Perny, Andrea Passerini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes d'aide à la décision

Décision multicritère

Intégrale de Choquet

Réseaux neuronaux (informatique)

Apprentissage supervisé (intelligence artificielle)

Intelligence artificielle

Mots clés libres

Aide à la Décision Multicritère

Intégrale de Choquet

Apprentissage Automatique

IA de confiance

Multi-Criteria Decision Aiding

Choquet Integral

Machine Learning

Trustable AI

Résumé

L’aide à la décision multicritères (ADMC) est un domaine qui vise à aider des décideurs experts (DE) pour des problèmes tels que la sélection, le classement ou la classification d’alternatives définies par plusieurs attributs qui peuvent intéragir. Ces modèles ne sont pas ceux qui prennent pas la décision, mais ils apportent une assistance au DE lors du processus. Il est donc crucial que le modèle offre au DE des moyens d’interpréter ses résultats. Ceci est en particulier vrai dans des contextes critiques où les erreurs peuvent avoir des conséquences désastreuses. Il est par conséquent indispensable que les modèles d’ADMC soient intelligibles, interprétables et que leur comportement soit fortement contraint par des connaissances provenant d’une expertise dans le domaine. De tels modèles sont généralement construits par une interaction (questions/réponses) avec un DE, par le biais de méthodes issues de la recherche opérationnelle. D’autre part, l’apprentissage automatique (ML) fonde son approche sur l’apprentissage du modèle optimal à partir de données d’ajustement. Ce domaine se concentre généralement sur les performances du modèle, en adaptant les paramètres de modèles complexes (dits boîtes noires) pour obtenir une erreur statistiquement faible sur de nouveaux exemples. Bien que cette approche soit adaptée à de nombreux contextes, l’utilisation de modèles boîtes noires est inconcevable dans les cas usuels d’ADMC, car ils ne sont ni interprétable, ni facilement contraignables. Cette thèse fait le pont entre ces deux domaines. Nous nous concentrons sur une certaine classe de modèles d’ADMC, appelés intégrales de Choquet hiérarchiques utilitaires (ICHU). Notre première contribution, qui est théorique, est de montrer l’identifiabilité (ou l’unicité de la paramétrisation) des ICHUs. Ce résultat motive notre seconde contribution : le framework NeurHCI, une architecture de modules de réseaux de neurones qui peuvent apprendre les paramètres d’un ICHU. En particulier, tous les modèles NeurHCI sont garantis comme étant formellement valides, répondant aux contraintes qui conviennent à de tels modèles (monotonie, normalisation), et restent interprétables. Nous montrons empiriquement que les modèles Neur-HCI sont performants sur des ensembles de données artificielles et réelles, et qu’ils présentent une stabilité remarquable, ce qui en fait des outils pertinents pour alléger l’effort d’élicitation de modèles lorsque les données sont facilement disponibles, et permet leur utilisation comme outils d’analyse appropriés pour identifier certains phénomènes sous-jacents dans les données.

Multicriteria Decision Aiding (MCDA) is a field that aims at assisting expert decision mak ers (DM) in problems such as selecting, ranking, or classifying alternatives defined on several inter acting attributes. Such models do not make the decision, but assist the DM, who takes the final decision. It is thus crucial for the model to offer ways for the DM to maintain operational awareness, in particular in safety-critical contexts where errors can have dire consequences. It is thus a prerequisite of MCDA models to be intelligible, in terpretable, and to have a behaviour that is highly constrained by information stemming from in do main knowledge. Such models are usually built hand in hand with a field expert, obtaining infor mation through a Q&A procedure, and eliciting the model through methods rooted in operations research. On the other hand, Machine Learning (ML), and more precisely Preference Learning (PL), bases its approach on learning the optimal model from fitting data. This field usually focuses on model performances, tuning complex black-boxes to ob tain a statistically low error on new examples cases. While this is adapted to many settings, it is out of the question for decision aiding settings, as neither constrainedness nor intelligibility are available. This thesis bridges both fields. We focus on a certain class of MCDA models, called utilitaris tic hierarchical Choquet integrals (UHCI). Our first contribution, which is theoretical, is to show the identifiability (or unicity of the parameterization) of UHCIs This result motivates our second con tribution: the Neur-HCI framework, an archi tecture of neural network modules which can learn the parameters of a UHCI. In particular, all Neur HCI models are guaranteed to be formally valid, fitting the constraints that befit such a model, and remain interpretable. We show empirically that Neur-HCI models perform well on both artificial and real dataset, and that they exhibit remarkable stability, making it a relevant tool for alleviating the model elicitation effort when data is readily available, along with making it a suitable analysis tool for indentifying patterns in the data.