基于城市計算網絡的信息交互建模

摘要：文章首先基于復雜網絡節點的分析、粒子群算法原理綜合節點個體屬性和狀態轉換對節點移動的影響，建立具體的城市計算網絡節點移動模型；其次利用傳播模型的傳播機制和社會網絡研究理論，實現社會網絡影響力建模；最后綜合城市計算網絡節點移動模型和社會網絡影響力模型，提出“城區信息交互度”

概念。

關鍵詞：城市計算網絡；節點移動模型；社會影響力；信息交互度

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0014-02

1 城市計算網絡的意義

現今社會，人類的生存與發展依賴著兩個空間，分別是由無線網、有線網及其他各種傳輸媒介連接的虛擬空間和客觀存在的物理空間。與虛擬空間的互通性和高度數字化相比，物理空間雖然本身具有充足的信息及潛在蘊藏的豐富的知識，但因為目前缺乏合理的協同、挖掘和管理，這些無價的信息財富仍未得到充分的使用和推廣。

在這樣的研究背景下，相關人員提出城市計算的概念并很快引起了社會各界的關注。這個研究方向說明：城市里的任意路由器、街道、企業、汽車和人都可作為一個固定或移動的點來相互協作并共同完成關于一個城市（不同于Ad Hoc、局域網與城域網，表征更大范圍的網絡）的級別計算，由此構成城市計算網絡。為了能夠應用于人類實際生活中，產生一個雙贏的結果，需要建立一個可以實現信息相互交流的平臺，即信息交互平臺：由以下四個環節構成：城市感知、空間挖掘、信息獲取和服務管理。而由于城市計算網絡的虛擬性與不定性，關于城市計算網絡的研究仍存在一些挑戰，主要來自于以下幾個方面：

（1）在城市計算網絡中，節點的移動特征中隱含了節點實體互信關系與社會行為規律。節點的運動趨勢也影響著節點間的協作關系、有效性與可用性。

（2）如何在不影響人們正常生產生活的前提下，最大地降低成本與消耗，更加合理有效地實現信息交互，實現資源共享與傳輸。

（3）如何將已挖掘到的信息用節點移動模型有效地表達出來，完成相應算法研究發現現有的城市空間規劃中存在的問題。

2 基于城市計算網絡的模型建立

以復雜網絡分析與數據挖掘理論和方法為基礎，研究并建立以下三個模型：

2.1 基于城市計算網絡的節點移動模型

對城市空間網絡中的單個節點的個體屬性準確表達，完成對城市計算網絡節點移動的建模，保證節點間信息交流數據被有效地挖掘利用。

這方面主要利用微分方程建模的方法，根據粒子群算法原理，結合城市計算的內涵以及對復雜網絡的分析，完成對廣義的城市空間節點的各項數據的歸納整理，探索出影響節點屬性的相關因素（速度、位移、停留時間、配合度函數、個體極值、慣性因子）。用于評價節點的搜索性能并指導節點的搜索過程的配合度函數由優化的最終目標決定。當配合度函數的算法迭代停止時最優的變量即為遍歷搜索的最優目標。個體極值是節點從搜索初始到當前迭代對應的適應度最優的解。慣性因子則控制著速度間的影響規律，并且對算法的整體搜索能力和部分搜索能力進行合理評估與調整。根據物理學中的理想模型原理并且利用概率論的基本定理，再將節點的移動模式抽象化，使節點的傾向性轉換成具體的概率。由此，提出一個三狀態轉換模型，即主社區，路徑和其他社區。人們總是傾向于在一個或某些個地點花費大量時間，而其他地點則相對較少。通過類比人類活動的事實，并綜合各類相關因素定義：節點以更大概率停留的為主社區，而以較少概率停留的為其他社區。節點的路徑則充當連接主社區與其他社區預先設定的通道。而設計成三狀態的好處在于，避免由于多狀態而增加模型的復雜性，以便于模型的推廣與應用。

2.2 基于城市計算網絡的社會影響力建模

對城市計算網絡中的行動者、信息和行為準確表達，在假設互動的個體對象之間存在非常重要的關系的基礎上，完成數據建模，確保信息的有效處理。

這方面主要根據城市計算網絡的重要基礎—聯系，以及影響力傳播模型在網絡傳播機制中的定義。節點與其他節點之間有直接或間接的聯系，城市計算網絡關注的即節點之間的交互和聯系，交互影響著節點的社會屬性與行為特征。可把一個節點的狀態分為兩種類型：積極和不積極。這種狀態的轉變具有單方向性，即一個節點只能從不積極狀態轉變為積極狀態，這個動作稱之為被激活狀態。為了充分對傳播機制建模，需要給出節點A嘗試激活鄰居節點B的成功概率。以此來達到完整、準確表達影響力傳播的目的。根據城市計算網絡的特征、算法思想及影響力傳播模型，得到個體間相互關系和信息傳播影響力的規律。這一部分擬用獨立級聯模型（IC）和線性閾值模型（LT）來研究TIAN算法。對于真實地反映影響力的社會實際現象，找出其分布和規律具有極其重要的意義。建立有效的數學模型，因此，便于定量表述社會運行的一些指標、因素和規律。在給定的城市計算網絡圖上，首先定義一個確定個數的節點范圍，稱為聚合集，依據相應網絡傳播模型的交互原理，當聚合集里面的節點在起始時刻被激活時，最終能在該網絡層上激活最多的節點，這在研究影響力規律的同時，給出了使影響力最大化的方法建議。

2.3 基于信息交互建模的城市網絡規劃

基于城市計算網絡節點移動模型和社會網絡影響力模型，對城市計算網絡分區規劃。主要方法是提出“城區信息交互度”概念，以及建立基于P2P網絡的城市信息交互平臺。

將“信息交互”概念引入城區內，提出“城區信息交互度”的概念，具有以下特征：（1）決定信息交互度的因素：節點個體屬性與社會影響力；（2）對不同的城區，“信息交互度”的平均值存在差異。由此，提出城市計算網絡分區規劃的策略；（3）節點個體屬性突出，社會影響力大的節點稱為超級節點（Super Point，簡稱SP），反之為普通節點（Normal Point，簡稱NP），相互連接的任意兩個普通節點交互并更新各自存儲的信息。建立新型基于P2P（Pointto Point，簡稱P2P）網絡的城市信息交互平臺。不同城區信息交互平臺可構成整個城市的信息交互平臺。建立不同的通信模塊，數據存儲模塊，后臺應用模塊。P2P網絡中的SP模塊包括：第一輸入/輸出接口模塊、與其他網絡節點進行交互的第一通信模塊，用于當所述第一輸入/輸出接口模塊接收到網絡中普通節點發起的連接請求第一功能模塊，若所述第一通信模塊連接的節點數量達到最大連接，則通過所述第一輸入/輸出接口模塊向所述NP返回與所述第一通信模塊相連接的其他節點信息。P2P網絡中的NP模塊，包括：第二輸入/輸出接口模塊、與其他網絡節點進行交互的第二通信模塊。P2P網絡的種子更新模塊：第一種子信息更新模塊，通過第一輸入/輸出接口模塊接收網絡中后臺服務器返回的NP和SP信息，更新本地存儲的信息；第二種子信息更新模塊，通過第二輸入/輸出接口模塊接收網絡中SP返回的該SP自身當前連接的其他節點信息，將返回的所述其他節點信息加入到本地存儲的信息中。

由此可知，NP獲取到的信息包括：（1）由后臺服務器返回的連接到同一個后臺服務器的NP信息；（2）由后臺服務器返回的SP信息；（3）由SP返回的與SP建立連接的其他節點信息。而在現有技術中，僅包含前兩種信息。因此，本項目相對現有技術增加了獲取到的信息數量。同時，由于SP返回的信息中部分信息節點有可能與不同的服務器相連接，這樣即可實現連接到不同后臺服務器的NP信息共享。

4 結語

現今的計算網絡以及空間規劃還處于起步階段，發展前景非常廣闊，可以挖掘與探究的信息量巨大。針對現有城市計算網絡面臨的問題以及城市規劃中的缺陷，建立基于城市計算網絡的信息交互模型，探索出能夠優化城市空間規劃的信息處理策略，力爭在該領域取得更好的成績。

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作者簡介：劉雅婷（1992—），女，山西運城人，中南大學信息科學與工程學院學生，研究方向：通信工程。