拓海さん、最近部署で「もっと大きなAIモデルにすれば説明性も良くなる」と言われているんですけど、本当ですか。現場に投資してよいのか迷っている次第です。
素晴らしい着眼点ですね！大きなモデルが常に良いわけではありませんよ。結論を先に言うと、必ずしも複雑なモデルが「説明しやすい」わけではないんです。大丈夫、一緒に見ていけば要点は3つで整理できますよ。
要点3つ、ですか。そこを教えてください。うちの設備投資会議で使えるように簡潔にお願いします。
まず1つ目、モデルの複雑さと分類性能は直線的に増えるとは限らないこと。2つ目、説明可能性（XAI）はモデルが大きくても小さくても質が変わらないことが多いこと。3つ目、コスト面や環境負荷を考えると軽いモデルが有利な場合が多いこと、です。
これって要するに、大きな箱に金を注ぎ込んでも、中身の説明が良くなるとは限らないということですか？投資対効果が見合わない場面があると。
その通りです！素晴らしい着眼点ですね。もう少しだけ具体的に言うと、医療画像の例で研究者が調べたところ、深いネットワークほど誤差や学習の過学習の影響を受け、必ずしも説明マップが正確になるとは限らなかったんです。
なるほど。では、うちのような製造業では具体的にどう判断すればよいですか。精度を少し下げても説明性やコスト面で得することがあれば、その選択肢を取りたいのですが。
良い質問ですね。意思決定のための実務的な考え方は3点だけ押さえればよいです。第一に、目的に対して必要な最小限のモデル性能を定義すること。第二に、XAIの手法を事前に設定し、現場の評価基準で検証すること。第三に、コスト（計算、運用、環境負荷）を数値化することです。
分かりました。最後に一つ確認したいのですが、現場のエンジニアに説明させるときのポイントがあれば教えてください。
はい、ここでも要点は3つです。目的を数値化して示すこと、説明結果が業務で使えるかを現場の作業者目線で評価すること、最後に軽量モデルでの実証を先に行ってからスケールすることです。大丈夫、一緒にやれば必ずできますよ。
ありがとうございます。では、自分の言葉で確認します。要するに、大きなモデルを入れる前に、まずは目的を明確にし、説明の評価基準を決め、軽いモデルで試験運用してから投資判断を下す、ということですね。これなら現場でも説明できます。
1. 概要と位置づけ
結論を先に述べる。本研究が最も大きく示したのは、深層学習モデルの「複雑さ（depth）」を単純に増やすことが、分類性能や説明可能性（XAI: Explainable Artificial Intelligence、説明可能な人工知能）を一貫して向上させるわけではないという点である。研究は肺X線画像を対象に、軽量から非常に深いResNet系アーキテクチャを比較し、性能指標や説明の定量的評価を行った結果、複雑化に伴う明確な利得は確認できなかった。したがって、医療や製造のように誤判断のコストが高く、説明責任が求められる領域では、モデル選定を単純な性能追求に縛られず、説明性や運用コストを含めた総合判断で行う必要がある。
本研究の位置づけは、ブラックボックスとして扱われる深層ニューラルネットワーク（DNN: Deep Neural Network、深層ニューラルネットワーク）の解像度を上げることにある。これまでの議論は多くが「大きいモデル＝高性能」という前提で進んでいたが、本研究はその前提を再検討する。実務的には、単に性能指標だけを評価して投資判断を下すのではなく、説明性の定量評価と実運用での有用性を組み合わせた評価軸の導入が提案されるべきである。
2. 先行研究との差別化ポイント
従来研究は大別すると二つに分かれる。一つはモデル性能の追求に集中し、より深く複雑なネットワーク設計を通じて分類精度やAUC-ROCを改善しようとする研究群である。もう一つは説明可能性（XAI）の手法を開発し、局所的な特徴寄与や注意領域を可視化する研究群である。しかし、両者を同時に体系的に比較し、モデルの複雑さが説明性に与える影響を定量的に示した研究は少なかった。ここが本研究の差別化ポイントである。
本研究はResNet-18からResNet-101までの複数アーキテクチャを用い、同一データセットと同一のXAI手法評価指標で比較を行った点が独自性を持つ。特に、説明の「正当性」を評価するためにGround-truthの疾患マスクとXAIの指摘領域を比較する定量指標を導入した点が重要である。これにより、説明可視化が直感的に見栄えが良いだけでなく、実際に臨床的に意味のある領域を指しているかを検証できる。
3. 中核となる技術的要素
本研究の技術的核は三つある。第一は使用するアーキテクチャの違いに基づく比較である。ResNet系は残差学習（Residual Learning）を採用し、深い層でも学習が可能となるが、層を深くするほど過学習や学習安定性の問題が表れる可能性がある。第二は説明可能性評価のための指標導入であり、Relevance Rank AccuracyやPositive Attribution Ratioといった定量指標を用いて説明の正確さを数値化している。第三は実データへの適用性で、COVID-19罹患者と健康者のX線画像を用いた実証実験を行った点である。
専門用語を実務に翻訳すると次のようになる。Residual Network（ResNet）は深く積み上げた階層の中で“差分”を学ばせ、学習を安定化させる仕組みである。Relevance Rank Accuracyは、モデルが重要とした画素領域が実際に疾患領域と一致している割合を測る指標であり、説明の「当たり外れ」を可視化するための定量的手段である。これらを組み合わせることで、単なる精度比較よりも現場での有効性を評価できる。
4. 有効性の検証方法と成果
検証は4,369枚の肺X線画像を用い、各ResNetアーキテクチャの分類性能（正解率、AUC-ROC）とXAI説明の定量指標を測定する手順で行った。結果として、モデルの深度が増すほど一部で性能が低下する傾向が見られた。具体的にはResNet-18が最高クラスの精度を示し、ResNet-101では若干の精度低下が観測された。AUC-ROCの差は小さいものの、深度増加が必ずしも性能向上に直結しないことが示された。
説明性の定量評価では、12の統計検定のうち11件で有意差が見られなかったという結果が出ている。つまり、Relevance Rank AccuracyやPositive Attribution Ratioといった指標において、軽量モデルと重量モデルで統計的に優劣がつかないことが多かった。これは、より複雑なモデルが説明の観点で一貫した優位性を示さないことを意味する。実務上は、追加の計算資源や運用コストを払ってまで複雑化する合理性が薄い場合が多い。
5. 研究を巡る議論と課題
本研究は重要な示唆を与える一方で、いくつかの議論点と限界を持つ。まずデータセットの偏りやラベリング精度が結果に与える影響がある。Ground-truthとして用いた疾患マスクの品質が低ければ、XAIの正当性評価自体が揺らぐ可能性がある。次に、本研究で用いたXAI手法の設定やハイパーパラメータが結論に影響を与えうる点である。XAIの出力は手法や設定に敏感であり、適切なチューニングが不可欠である。
さらに、業務適用の観点からは、説明性の評価は定量指標だけで完結しない点が課題である。現場担当者が実用的に使える説明かどうかは、人的評価や運用フローとの整合性で決まる。したがって、今後は定量評価と現場評価を組み合わせた“ハイブリッド評価”フレームワークの整備が必要である。最後に、計算資源や環境負荷を含む総合コスト評価が欠かせない。
6. 今後の調査・学習の方向性
今後は三つの方向で研究と実務検証を進める必要がある。第一に、XAI手法のロバスト性評価である。異なるデータ分布やノイズ、ラベリング誤差に対して、説明がどの程度安定するかを測るべきである。第二に、現場適用を想定したユーザビリティ評価である。定量指標だけでなく技術者や医師、現場作業者の評価を組み合わせることが求められる。第三に、軽量モデルの有効活用であり、モデル圧縮や知識蒸留（Knowledge Distillation、知識蒸留）の活用により、説明性と運用効率の両立を図るべきである。
検索に使える英語キーワードを示すと、Beyond the Black Box、Explainable AI、XAI evaluation、ResNet complexity、Relevance Rank Accuracy、Positive Attribution Ratioなどである。これらの語で文献検索を行えば本研究周辺の重要文献に辿り着ける。研究コミュニティは今後、モデル設計と説明性を同時に考慮した“目的基準最適化”の手法開発に向かうだろう。
会議で使えるフレーズ集
「本研究の示唆は明確です。モデルの複雑化が必ずしも説明性や性能の改善に結びつかないという事実を踏まえ、まずは業務要件に沿った最小限の性能を定義し、軽量モデルでのPoCを先に行うことを提案します。」
「XAIの評価は定量指標と現場評価の両輪で行うべきです。見た目の説明が分かりやすくても、現場で意味のある領域を指していなければ価値は薄いと考えます。」
引用元
