Explainable Reinforcement Learning for Gameplay

State-of-the-art Machine Learning (ML) algorithms show impressive results for a myriad of applications. However, they operate as a sort of a black box: the decisions taken are not human-understandable. There is a need for transparency and interpretability of ML predictions to be wider accepted in society, especially in specific fields such as medicine or finance. Most of the efforts so far have focused on explaining supervised learning. This project aims to use some of these successful explainability algorithms and apply them to Reinforcement Learning (RL). To do so, we explain the actions of a RL agent playing Atari’s Breakout game, using two different explainability algorithms: Shapley Additive Explanations (SHAP) and Local Interpretable Model-agnostic Explanations (LIME). We successfully implement both algorithms, which yield credible and insightful explanations of the mechanics of the agent. However, we think the final presentation of the results is sub-optimal for the final user, as it is not intuitive at first sight. De senaste algoritmerna för maskininlärning (ML) visar imponerande resultat för en mängd olika tillämpningar. De fungerar dock som ett slags ”svart låda”: de beslut som fattas är inte begripliga för människor. Det finns ett behov av öppenhet och tolkningsbarhet för ML-prognoser för att de ska bli mer accepterade i samhället, särskilt inom specifika områden som medicin och ekonomi. De flesta insatser hittills har fokuserat på att förklara övervakad inlärning. Syftet med detta projekt är att använda några av dessa framgångsrika algoritmer för att förklara och tillämpa dem på förstärkning lärande (Reinforcement Learning, RL). För att göra detta förklarar vi handlingarna hos en RL-agent som spelar Ataris Breakout-spel med hjälp av två olika förklaringsalgoritmer: Shapley Additive Explanations (SHAP) och Local Interpretable Model-agnostic Explanations (LIME). Vi genomför framgångsrikt båda algoritmerna, som ger trovärdiga och insiktsfulla förklaringar av agentens mekanik. Vi anser dock att den slutliga presentationen av resultaten inte är optimal för slutanvändaren, eftersom den inte är intuitiv vid första anblicken. Els algoritmes d’aprenentatge automàtic (Machine Learning, ML) d’última generació mostren resultats impressionants per a moltes aplicacions. Tot i això, funcionen com una mena de caixa negra: les decisions preses no són comprensibles per a l’ésser humà. Per tal que les prediccion preses mitjançant ML siguin més acceptades a la societat, especialment en camps específics com la medicina o les finances, cal transparència i interpretabilitat. La majoria dels esforços que s’han fet fins ara s’han centrat a explicar l’aprenentatge supervisat (supervised learning). Aquest projecte pretén utilitzar alguns d’aquests existosos algoritmes d’explicabilitat i aplicar-los a l’aprenentatge per reforç (Reinforcement Learning, RL). Per fer-ho, expliquem les accions d’un agent de RL que juga al joc Breakout d’Atari utilitzant dos algoritmes diferents: explicacions additives de Shapley (SHAP) i explicacions model-agnòstiques localment interpretables (LIME). Hem implementat amb èxit tots dos algoritmes, que produeixen explicacions creïbles i interessants de la mecànica de l’agent. Tanmateix, creiem que la presentació final dels resultats no és òptima per a l’usuari final, ja que no és intuïtiva a primera vista.