Software bias is an increasingly important operational concern for software engineers. We present a large-scale, comprehensive empirical evaluation of 17 representative bias mitigation methods, evaluated with 12 Machine Learning (ML) performance metrics, 4 fairness metrics, and 24 types of fairness-performance trade-off assessment, applied to 8 widely-adopted benchmark software decision/prediction tasks. The empirical coverage is comprehensive, covering the largest numbers of bias mitigation methods, evaluation metrics, and fairness-performance trade-off measures compared to previous work on this important operational software characteristic. We find that (1) the bias mitigation methods significantly decrease the values reported by all ML performance metrics (including those not considered in previous work) in a large proportion of the scenarios studied (42%~75% according to different ML performance metrics); (2) the bias mitigation methods achieve fairness improvement in only approximately 50% over all scenarios and metrics (ranging between 29%~59% according to the metric used to asses bias/fairness); (3) the bias mitigation methods have a poor fairness-performance trade-off or even lead to decreases in both fairness and ML performance in 37% of the scenarios; (4) the effectiveness of the bias mitigation methods depends on tasks, models, and fairness and ML performance metrics, and there is no 'silver bullet' bias mitigation method demonstrated to be effective for all scenarios studied. The best bias mitigation method that we find outperforms other methods in only 29% of the scenarios. We have made publicly available the scripts and data used in this study in order to allow for future replication and extension of our work.


翻译:对软件工程师来说,软件的偏差是一个越来越重要的操作问题。我们提出对17种具有代表性的减少偏差方法进行大规模、全面的经验性评价,以12个机器学习(ML)业绩衡量标准、4个公平度标准和24种公平-业绩权衡评估标准进行评价,适用于8项广泛采用的基准软件决定/定位任务。经验涵盖面很广,涉及减少偏差方法、评价指标和公平-业绩权衡措施的数量最多,比以前关于这一重要操作软件特点的工作要多。我们发现:(1) 在所有所研究的假设情景中,减少偏差的方法(包括以往工作中未考虑过的方法)大大降低了所有多边学习业绩衡量标准(包括12个机器学习(ML)业绩衡量标准)、4个公平度指标和24种公平-业绩权衡评估标准评价标准;(2) 减少偏差方法在所有情景和衡量标准中只达到大约50%的公平性改进(根据用来评估偏差/偏差的衡量标准,范围为29%);(3) 减少偏差方法的偏差交易,甚至只能导致37%假设情景中的公平性和最低工作业绩的下降;(4) 减少偏差方法的效力取决于任务、公开研究中采用的最佳方法。

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