笔记:复杂网络的关键技术及应用

本文介绍了复杂网络与图的基本概念,探讨了其复杂性特点,包括结构复杂、网络进化、连接多样、动力学复杂性等,并讨论了实现技术如数据结构的选择、分布式处理方式以及大规模图查询技术。最后,列举了复杂网络在社团检测、网络中心性分析、网络传播预测等领域的应用案例。

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1.复杂网络与图

复杂网络与图是同一种事物,由节点和连边构成。图是数学领域的研究内容,“图论”的算法是普适性的,侧重于理论。复杂网络侧重于工程,是将“图论”的理论带入到现实的生活生产中,结合图算法理论、应用场景以及科学技术等方面能力,帮助观察和理解真实的客观世界。

2. 复杂性

哲学思想还原论认为万事万物都有更基本的元素构成,通过研究更基本的元素可以理解复杂的整体,这个思想已经取得了许多成果,比较突出的有基因工程等。
不过,有时从简单的元素入手却不能理解复杂的整体,比如一只蚂蚁与蚁群的行为,说明现实世界系统具有“复杂性”,而复杂性背后是网络关联。

具有自组织、自相似、吸引子、小世界、无标度中部分或全部性质的网络称为复杂网络。(钱学森)

复杂网络主要有以下几个特点:
  第1,结构复杂,不用解释太多,自然界就是复杂的,抽象出来的网络也是复杂的。
  第2,网络进化,世界在发展,代表它的网络也是在变化,网络中会不断地产生新的节点,也会产生新的关系,同样,也会在消失着一些节点和关系。今天我们是朋友,明天你们和他们也会成为朋友。
  第3,连接多样,连接边不是只代表一种类别的关系,只要能代表事物和事物之间关系的都可以描述成边,只要是属于我们所要研究范畴的。你和她是朋友关系,也可能还存在着同事关系。
  第4,动力学复杂性,它代表一种动态的特性,事物之间的影响是可以传播的,一个事物发生了改变,可能会影响与它有关联的其它事物的改变,并将这种改变传播出去,把这种传播变成可计算化,正是动力学所要研究的方向。
  第5,多重复杂性结合,正是多种事物相互关联和互相影响,体现出它的变化复杂性和未知性,未来发展趋势,并非一个简单的线性公式所能解释的。
  第6,节点的多样性,和连接多样性一样,网络中的节点可以代表任何事物,只要是属于我们所要研究的范畴。


3. 实现技术

数据结构:矩阵结构与关系型数据库结构,矩阵结构效率更高(NoSQL数据库),关系型结构信息更完善。Neo4j图查询数据库,适合中小规模的图。

大数据:分布式存储与分布式处理。为实现分布式需切分网络,常用切分有三种:

按点切,切度值大的节点;

按边切,切弱连接;

随机切,结构不明显的网络可用,不太实用。

可行方案:基于Hadoop+Spark技术,把算法转换为分布式计算,在集群上运行。

大规模图查询展现:InfiniteGraph、OrientDB、InfoGrid和HypergraphDB等

4. 应用

社团检测:潜在客户挖掘、关联群体风险分析等;

网络中心性分析:网页排名(PageRank),供应链核心企业识别,信息传播枢纽节点识别等;

网络传播预测:流行病传播,金融风险传播,舆论传播;

网络关系渗透:节点之间的关系(三度影响);

关联交易分析及投融资黑洞:虚假交易,担保圈分析等。




  经验分享 青年学者在从事复杂网络研究中的困难和成功经验是什么? 复杂网络对我们的经济和生活带来了什么变化,怎么把它的精髓通过科学普及的办法传递给大众? 从事网络科学的青年学者应该如何找到属于自己的行当?  青年学者通过什么样的途径达到在复杂网络领域发表高影响力论文的水平? 工具和信息分享 从哪里能够找到复杂网络研究所需要的资料、工具和数据?  陈关荣老师 http://www.ee.cityu.edu.hk/~gchen/ComplexNetworks.htm 有没有可能大家联合建立一个数据共享平台?  阿里数据平台 http://102.alibaba.com/competition/odps_index.htm  网络数据http://konect.uni-koblenz.de/networks/  Watts: http://smallworld.sociology.columbia.edu/cdg/datasets  Barabasi: www.nd.edu/~networks/resources.htm  Newman: http://www-personal.umich.edu/~mejn/netdata/  Arenas: http://deim.urv.cat/~aarenas/data/welcome.htm  Pajek: http://vlado.fmf.uni-lj.si/pub/networks/data/default.htm  链路预测数据: www.linkprediction.org 网络科学目前的发展态势简介【包括国际几个大的研究小组的标志性人物介绍,研究方向介绍】?  A.-L. Barabasi http://www.barabasi.com/  Adilson E. Motter http://dyn.phys.northwestern.edu/index.html  Hernan A Makse http://lisgi1.engr.ccny.cuny.edu/~makse/  Alessandro Vespignani http://www.mobs-lab.org/alessandro-vespignani.html  Mark Newman http://www-personal.umich.edu/~mejn/ 可以申请的与网络科学相关的项目介绍。  阿里巴巴复杂科学研究中心,开放基金,每年一次  国家自然科学基金【数理、信息、管理口】  省部级相关新兴交叉学科项目 是否可以组织网络科学暑期班【研讨班】?  北师大暑期班  2012年“复杂系统与管理”国防科学技术大学研究生暑期学校  …… 国内外较好的期刊,可以投稿的期刊、会议介绍。  国际期刊:  Nature, Science  PNAS, Nature Physics, Nature Communication,PRL  Scientific Reports,PLoS ONE,New Journal of Physics, Physical Review X, Management Science, IEEE Trans, Physical Review E, EPL  JPA, EPJB, JST, Physica A, IJMPC,IJMPB, Phys. Lett. A, Adv. Complex Syst.  国内期刊:  CPB, CPL, 中国科学科学通报,物理学报,复杂系统与复杂性科学,电子科技大学学报-复杂性科学专栏 相关会议:  网络科学论坛(2014年第十届)  全国复杂网络大会(2014年第十届,国防科技大学)  复杂性科学研究会第二次会议 (2014年7月12-16日,温州大学)  …… 海外观察 海外生活经历分享 国内外工作模式对比 我们可以借鉴和学习的地方   具体研究问题探讨 网络大数据挖掘中的正问题、反问题及其复杂性问题怎么处理? 如何表述和仿真陆海空天一体化的信息网络和通信网络? 如何借助复杂网络理论发掘、分析和解决行业、企业、城市的问题;如何借助复杂网络理论,充分利用移动运营商拥有的各类数据,发掘能服务于第三方的高价值的应用场景。 今天的复杂网络研究能为未来网络(特别是未来互联网)提供什么有用的理论、方法和工具? 其他问题,自由讨论 谢谢参与!
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