复杂网络研究:让世界变得简单

一个行踪不定的犯罪嫌疑人,怎么才能最快地把他抓捕归案?原来基本都是靠人耗费大量时间,通过监控视频分析和明察暗访把他找出来。如今,科学家使出“高招”,通过社交网络的人类行为动力学分析,可以很快地锁定目标。

这其实是复杂网络的一个典型应用。

通过复杂网络研究,人们可以对模糊世界进行精准量化和预测。科学家预言,如果他们的努力能有成效,也许有一天,预防停电、疏导城市交通和控制流行病传播都会变得非常简单,就像早晨从睡梦中醒来一样自然。

影响广泛而深远的复杂网络

2016年度国家自然科学二等奖中,就有一项是关于复杂网络研究的——由中国科学院数学与系统科学研究院研究员吕金虎牵头完成的成果“复杂动态网络的同步、控制与识别理论与方法”。

十多年来,吕金虎与东南大学教授虞文武、香港城市大学讲座教授陈关荣、武汉大学教授陆君安和副教授周进合作,主要从事复杂动态网络的同步、控制与识别的理论与方法研究。

“互联网就是典型的复杂网络。”吕金虎向《中国科学报》记者举例说,“社交网络通过网络这一载体把人们联系起来,通过社交网络的人类行为动力学分析,在原本杂乱无章的视频和事件之间建立网络关联,找到关键线索——这个人有自己特定的社交网络,具有一些特殊的爱好和习惯,结合起来有望找到潜在的恐怖份子。

复杂动态网络是系统与控制科学的前沿与热点研究领域。陆君安告诉记者,他们的研究揭示了一类典型时变复杂动态网络同步的普适性规律、复杂动态网络牵制控制的基本规律及其结构识别的内在机理,突破了由节点局部信息获取网络全局信息的关键瓶颈,建立了一类不确定复杂动态网络自适应同步的基本准则。

复杂动态网络涉及数学、工程、生物甚至经济和社会科学,其影响广泛而深远。“网络同步在自然界和工程系统中广泛存在,如电力系统频率同步、传感器时钟同步、北斗地基增强系统的数据同步等。

”虞文武欣喜地看到,复杂动态网络的同步、控制与识别理论已广泛应用到人们的日常生活和工作中。

被逼出来的高品位研究

二十年前,没人想到复杂网络会发展到今天这个地步。

“1998年前后,作为新兴交叉学科,复杂网络的基础理论研究几乎是一片空白。”吕金虎回忆说,当初做复杂网络研究,很多人都认为是冷门,前景并不乐观,很难有大的发展。

“幸运的是,我们坚持了下来。”吕金虎的特点是,自己看准的东西,一定会持之以恒地坚持去做。

2002-2004年,吕金虎追随中科院院士郭雷进行博士后研究。“做高品味的研究”,这句郭雷常挂在嘴边的话,也成为吕金虎的科研追求。

相比信息领域动辄二三十人的研究团队,吕金虎带着他的几个研究生显得“势单力薄”,为此他们只能“尽最大努力做精品”。

用吕金虎的话说,这是“被逼出来的”。

起初遇到的最大困难,是关键科学问题不清楚,不知道努力的方向在哪。“复杂网络在社会经济发展中的作用还不明朗,所以科学问题就不清楚,而如果找不到关键的科学问题就抓不住主要发展方向。

”吕金虎说。

直到后来与武汉大学刘经南院士团队合作,吕金虎将复杂网络理论应用于北斗地基增强系统,为他们的理论成果找到了很好的应用场景。

“从中我们意识到要做哪些科学问题,将来往哪些方向发展。对于他们而言,则能够把实际问题凝练成更加准确的科学问题。”在吕金虎看来,科学与工程互相促进,形成双螺旋攀升。

在一个新的研究领域,靠“单打独斗”是很难的。吕金虎的经验是,与合作伙伴强强联合,着力发挥各自优势,协同攻关解决重大科学问题,推动学科实现跨越式发展。

一片令人兴奋的新疆域

随着互联网的飞速发展,复杂网络研究的重要性日益凸显。2015年,美国国防部将基于社交网络的人类行为的计算模型研究列入未来重点关注的六大颠覆性基础研究领域之一。

复杂网络研究逐渐由“小众”演变成“大众”。

“获奖只是对过去研究工作的一个认可,激励我们为国家做出更大、更重要的贡献。”吕金虎及其合作伙伴已有了下一个目标。

“超网络、大数据的兴起,颠覆了以往的一些概念,这就迫切需要发展新理论、新方法。”虞文武认为,理论研究离不开实际的载体,比如智慧城市就涉及通信网、交通网、电网等各类复杂动态网络之间的交互。

他希望所发展的网络分析、控制与优化理论将来能在各类实际网络中发挥更重要的作用。

复杂网络研究的范围正在逐渐拓展,这个正在迅猛兴起的领域给科学家提供了一片令人兴奋的新疆域,同时也面临着一系列严峻的挑战。

“科学研究永无止境,我们总是在不断地探索未知世界。”陆君安说,“网络科学不断地提出新挑战、新问题,我们需要继续加倍努力,不断探索才能真正摸清这片领域的情况。

吕金虎的目标很明确:面向国际学术前沿和国家重大战略需求,力争攻克网络科学与工程的若干瓶颈问题。下一步,他希望继续加倍努力,力争在网络空间的探索研究中取得关键突破,为提升中国在网络科学与工程这一新兴交叉领域中的话语权、国际地位和学术影响力做出有益贡献,努力培养优秀青年人才。

SOURCE: http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/2/367329.shtm

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