大數(shù)據(jù)時(shí)代 網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的挑戰(zhàn)

大數(shù)據(jù)對(duì)科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和文化生活等各個(gè)領(lǐng)域都將產(chǎn)生重大的影響，而網(wǎng)絡(luò)科學(xué)作為一門從網(wǎng)絡(luò)角度研究復(fù)雜系統(tǒng)的新興學(xué)科，也將會(huì)在大數(shù)據(jù)研究中發(fā)揮重要作用

自從2012年3月美國(guó)政府發(fā)布《大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展倡議》以來，多國(guó)政府相繼推出支持大數(shù)據(jù)研究的計(jì)劃。盡管對(duì)于大數(shù)據(jù)還存在著各種不同的觀點(diǎn)，大數(shù)據(jù)對(duì)科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和文化生活等各個(gè)領(lǐng)域都會(huì)產(chǎn)生重大的影響，而網(wǎng)絡(luò)科學(xué)作為一門從網(wǎng)絡(luò)角度研究復(fù)雜系統(tǒng)的新興學(xué)科，也將會(huì)在大數(shù)據(jù)研究中發(fā)揮重要作用。例如，2013年6月，美國(guó)前中情局職員斯諾登向媒體披露了美國(guó)政府的一項(xiàng)代號(hào)為“棱鏡”的秘密項(xiàng)目，旨在從網(wǎng)絡(luò)和通信公司獲取龐大數(shù)據(jù)，以監(jiān)控通話、電子郵件和聊天記錄等。《科學(xué)》（Science）一篇有針對(duì)性的新聞分析文章的標(biāo)題即為“網(wǎng)絡(luò)科學(xué)處于監(jiān)控爭(zhēng)論的中心”，因?yàn)榛谌藗冎g的這些交流數(shù)據(jù)就可以構(gòu)建相應(yīng)的交流網(wǎng)絡(luò)，其中的每條邊表示了兩人之間聯(lián)系的密切程度。在此基礎(chǔ)上，有可能通過分析網(wǎng)絡(luò)的演化趨勢(shì)來預(yù)測(cè)恐怖襲擊等突發(fā)事件，當(dāng)然也有可能對(duì)公民的個(gè)人隱私保護(hù)帶來挑戰(zhàn)。

網(wǎng)絡(luò)科學(xué)興起于世紀(jì)之交。一方面，人們開始收集到越來越多的各種不同的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并且可以借助強(qiáng)大的計(jì)算設(shè)備處理大規(guī)模數(shù)據(jù)；另一方面，學(xué)科之間的相互交叉使得研究人員可以廣泛比較各種不同類型的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，從而揭示不同復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的共性特征。此外，以還原論和整體論相結(jié)合為重要特色的復(fù)雜性研究的興起也促使人們開始從整體上研究網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。

隨著網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究的不斷深入，網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的思想與方法也不斷得到普及。2012年在大連舉行的世界經(jīng)濟(jì)論壇還專門組織了以“網(wǎng)絡(luò)的力量”為題的專題討論，邀請(qǐng)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)領(lǐng)域知名學(xué)者Barabási等探討如何運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)科學(xué)促進(jìn)組織發(fā)展。事實(shí)上，每一個(gè)組織都會(huì)涉及到多種不同的網(wǎng)絡(luò)，包括組織內(nèi)部個(gè)體之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)、不同組織之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)、以及組織運(yùn)行過程中遇到的各種網(wǎng)絡(luò)等。以下談一談大數(shù)據(jù)時(shí)代網(wǎng)絡(luò)科學(xué)所面臨的幾個(gè)挑戰(zhàn)。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析與建模

自從關(guān)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的小世界和無標(biāo)度結(jié)構(gòu)特征與模型的研究以來，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)性質(zhì)一直是研究的重點(diǎn)。人們也提出了各種各樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停瑥亩嵘宋覀儗?duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其產(chǎn)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)。其中，關(guān)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)結(jié)構(gòu)挖掘及其在社會(huì)網(wǎng)絡(luò)和生物網(wǎng)絡(luò)分析中的應(yīng)用受到了相當(dāng)多的關(guān)注，人們提出了各種各樣的社團(tuán)挖掘算法，并出現(xiàn)了可以用到包含上億個(gè)節(jié)點(diǎn)的算法，對(duì)于社團(tuán)結(jié)構(gòu)的層次性、重疊性和演化特征有了更好的理解。鏈路預(yù)測(cè)和推薦算法及其應(yīng)用研究是另一個(gè)近年受到特別關(guān)注的領(lǐng)域。特別地，個(gè)性化推薦算法受到了許多互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的青睞，視頻網(wǎng)站YouTube所使用的個(gè)性化視頻推薦算法更是獲得了美國(guó)國(guó)家電視藝術(shù)與科學(xué)學(xué)會(huì)（NATAS）授予的2013“技術(shù)與工程艾美獎(jiǎng)”。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析相關(guān)的算法問題是在大數(shù)據(jù)背景下新挑戰(zhàn)——我們?nèi)绾慰焖佟⒂行幚戆瑪?shù)千萬乃至數(shù)億節(jié)點(diǎn)的巨網(wǎng)絡(luò)？基于大數(shù)據(jù)的算法問題有可能成為未來大科學(xué)化的復(fù)雜性科學(xué)研究的技術(shù)基礎(chǔ)之一。從社團(tuán)結(jié)構(gòu)挖掘到鏈路預(yù)測(cè)和各種推薦算法等，算法復(fù)雜性分析、快速近似算法、并行計(jì)算、分布式圖存儲(chǔ)問題等等都值得深入研究。

目前網(wǎng)絡(luò)科學(xué)主要還是集中于固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)是隨時(shí)間和空間持續(xù)變化的。例如，實(shí)際的社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中，人與人之間的聯(lián)系與交互是遵循一定時(shí)空統(tǒng)計(jì)規(guī)律出現(xiàn)，而不是一直保持不變的。在這種含有時(shí)間空間的網(wǎng)絡(luò)上的動(dòng)力學(xué)過程可能會(huì)呈現(xiàn)出與靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)和非空間網(wǎng)絡(luò)極為不同的規(guī)律。另一方面，許多網(wǎng)絡(luò)都不是孤立存在的，而是與其他網(wǎng)絡(luò)之間存在著相互依賴、合作或競(jìng)爭(zhēng)等關(guān)系。隨著數(shù)據(jù)獲取能力的不斷增強(qiáng)，我們可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)開展從理論到應(yīng)用的深入研究。例如，以社會(huì)網(wǎng)絡(luò)研究為例，同一個(gè)用戶可能同時(shí)是人人、QQ、Email和微信用戶，因此這些網(wǎng)絡(luò)之間是存在相互關(guān)聯(lián)的。許多基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，如電力網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)等等之間也都是相互依賴的，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的故障有可能觸發(fā)其他網(wǎng)絡(luò)的相繼故障。

網(wǎng)絡(luò)行為與動(dòng)力學(xué)分析

研究復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性質(zhì)與建模的主要目的之一就是為了了解網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)功能之間的相互關(guān)系與影響。例如，網(wǎng)絡(luò)上的傳播行為在許多實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中廣泛存在，如社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的病毒和信息傳播、通信網(wǎng)絡(luò)中的病毒傳播、電力網(wǎng)絡(luò)中的相繼故障、經(jīng)濟(jì)和金融網(wǎng)絡(luò)中的危機(jī)擴(kuò)散等等。隨著網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的興起，人們開始關(guān)注網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)于傳播行為的影響。其中最具代表性的理論成果是：經(jīng)典的傳染病模型認(rèn)為只有當(dāng)病毒傳播率大于一個(gè)正的臨界值時(shí)，病毒才能在網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散，而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模趨于無窮大時(shí)，無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的傳播臨界值趨于零，這意味著只要病毒傳播率大于零，病毒就能在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行一定程度的傳播。近期關(guān)于網(wǎng)絡(luò)傳播研究的一個(gè)顯著特征就是涌現(xiàn)出越來越多的高水平的基于社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)證研究。

社交網(wǎng)絡(luò)對(duì)人們的行為會(huì)產(chǎn)生多大的影響？2012年《自然》（Nature）的一篇文章介紹了在Facebook上的一項(xiàng)涉及到超過6千萬用戶的關(guān)于社會(huì)影響和政治動(dòng)員的研究。在2010年的美國(guó)大選期間，研究人員發(fā)現(xiàn)，如果告知一個(gè)Facebook用戶當(dāng)前的投票數(shù)及其幾個(gè)朋友已經(jīng)投票的信息，那么能夠顯著提高該用戶投票的可能性。傳統(tǒng)的模型假設(shè)一個(gè)人被感染（或采用某種產(chǎn)品）的可能性與該人的朋友中被感染（或采用某種產(chǎn)品）的人數(shù)成正比。2012年《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）的一篇文章分析了Facebook的增長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)感染概率并不是由用戶的朋友數(shù)量決定的，而是由用戶的朋友圈的連通片的數(shù)量控制的。而且在連通片固定的情況下，感染概率反而通常是與朋友數(shù)量負(fù)相關(guān)的。

2013年7月《科學(xué)》（Science）的一篇文章以在印度農(nóng)村推廣小額信貸為例，研究了如何更好的選擇初始人群以達(dá)到更好的口碑營(yíng)銷的效果。具體地說，最初獲得信息的一部分在網(wǎng)絡(luò)中的位置是如何影響信息的傳播和產(chǎn)品的擴(kuò)散的？影響一個(gè)個(gè)體決定使用該產(chǎn)品的因素是哪些？一方面，個(gè)體首先要知道產(chǎn)品信息才有可能使用，并且如果越多的朋友告知該個(gè)體關(guān)于產(chǎn)品的信息，該個(gè)體就越有可能使用。另一方面，獲得信息的個(gè)體是否最終使用產(chǎn)品也有可能會(huì)受到其朋友的決定的影響。為了考慮這些因素，文中建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的信息擴(kuò)散模型來區(qū)分鄰居之間的信息傳遞與鄰居決定的直接影響，并區(qū)分使用者和非使用者的信息傳遞。研究表明，小額信貸的使用者把信息傳遞給另一戶家庭的可能性是未使用者的7倍。另一方面，由于未使用者的人數(shù)要多得多，因此，總體上看，未使用者的信息傳遞作用也是重要的，導(dǎo)致了整個(gè)村莊中1/3左右的信息傳遞和產(chǎn)品使用。

網(wǎng)絡(luò)控制

對(duì)于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)而言，通過直接控制網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)往往是不現(xiàn)實(shí)的并且也是不必要的。2011年，Barabási小組在《自然》（Nature）上發(fā)表了一篇題為“復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)能控性”的文章，這一工作發(fā)表之后很快引起了較多的關(guān)注，其中也包括一些爭(zhēng)議。對(duì)于大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在百萬以上）的控制而言，近年關(guān)注的重點(diǎn)是能否以及如何通過對(duì)部分節(jié)點(diǎn)直接施加控制而達(dá)到控制目標(biāo)，其中涉及到可行性、有效性和魯棒性等挑戰(zhàn)性問題。這類問題具有重要的應(yīng)用前景。例如，我們能否通過對(duì)少數(shù)金融機(jī)構(gòu)的有效控制而實(shí)現(xiàn)整個(gè)金融網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定？2013年3月《自然 · 物理學(xué)》（Nature Physics）出版了金融中的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)專輯，諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)得主、網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究人員和金融機(jī)構(gòu)高管聯(lián)合撰文闡述了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在金融中的可能應(yīng)用，其中特別提到了金融網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制研究的重要性。

從網(wǎng)絡(luò)科學(xué)到網(wǎng)絡(luò)工程

隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)科學(xué)在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用也得以不斷擴(kuò)展和深化。不同學(xué)科的研究人員在網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的研究過程中越來越多的交流對(duì)于網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的健康發(fā)展也是極為重要的，要繼續(xù)鼓勵(lì)和促進(jìn)學(xué)科之間的交流以及研究人員與企業(yè)界的交流，共同思考和提煉網(wǎng)絡(luò)科學(xué)與工程中的一些重大問題。

網(wǎng)絡(luò)科學(xué)著眼于實(shí)際復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中涌現(xiàn)的科學(xué)問題。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)中提出的許多方法的有效性都需要通過實(shí)際網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。因此，建立來自不同領(lǐng)域的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)于提升網(wǎng)絡(luò)科學(xué)研究的規(guī)范性是非常重要的。在此基礎(chǔ)上，需要積極探索與有關(guān)企業(yè)和部門的合作，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的應(yīng)用研究。例如，與有關(guān)互聯(lián)網(wǎng)和通信公司合作研究社會(huì)網(wǎng)絡(luò)，提升現(xiàn)代服務(wù)業(yè)水平；與有關(guān)市政部門合作研究城市基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的效率；與醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)合作探討網(wǎng)絡(luò)科學(xué)在醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域的應(yīng)用等。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)在經(jīng)濟(jì)、金融、組織管理中的應(yīng)用也將會(huì)越來越普及。