用科學任務帶動網絡科學研究嘗試.ppt

用科學任務帶動 網絡科學研究的嘗試,如何選擇網絡科學研究的載體,二OO九年十月十六日,李 德 毅,復雜網絡研究中若干問題的反思,Deyi Li Oct. 11 2008,一年前我在北京大學的發(fā)言：,用科學任務帶動網 絡科學研究的嘗試,如何選擇網絡科學研究的載體,二OO九年十月十六日,李 德 毅,（一） 網絡科學十年研究思考,Ten Years History for NetSci,Watts, Nature, 1998 Barabsi, Science, 1999,Physics,Network,Physics,Albert Barabsi (1967- , Hungary),Rka Albert (Ph.D. in 2001),Steven Strogatz (1959- , America),Duncan Watts (1971- , America),WS 小世界模型(1998),BA 無標度模型(1999),網絡科學的興起,A twenty-first century science,If handled appropriately, data about Internet-based communication and interactivity could revolutionize our understanding of collective human behavior. D J Watts, NATURE, 1 February 2007,I want to make sense out of this, how do I do it?,Node Activity,Local Effect,Heterogeneity,Preferential Attachment in Evolution,Challenge : basic, but very hard How to understand networks?,網絡科學不是研究所有的網絡，也不是純拓撲學研究，要反映節(jié)點主體性和異構性、局域影響性、拓撲不均勻性和隨時間演化過程中的偏好依附性的復雜網絡，弄清網絡拓撲、節(jié)點和邊的屬性與網絡動力學行為之間的關系。,Network Science and Engineering (NetSE) Research Agenda,A Report of the Network Science and Engineering Council (V1.1) 2009.9,NetSE Council,In 2008, the Computing Community Consortium (CCC) in the Computing Research Association (CRA) charged the Network Science and Engineering (NetSE) Council with developing a comprehensive research agenda that would support the development of a better Internet.,This report consists of Synthesis Chapter that describes in more detail the imperative, challenge, opportunity and elements of a research agenda to improve the Internet and deepen our understanding of socio-technical networks and The reports of six Workshops in Overcoming Barriers to Disruptive Innovation in Networking; Theory of Networked Computing; Science of Network Design; Behavior, Computation and Networks in Human Subject Experimentation; Network Design and Engineering; and Network Design and Societal Values.,Ellen W. Zegura Professor of Georgia Institute of Technology,chair,NetSE Council: Charlie Catlett, Argonne National Labs David Clark, MIT Mike Dahlin, University of Texas - Austin Chip Elliott, BBN Technologies and GPO (ex-officio) Joan Feigenbaum, Yale University Stephanie Forrest, University of New Mexico Mike Kearns, University of Pennsylvania Ed Lazowska, University of Washington Helen Nissenbaum, New York University Larry Peterson, Princeton University Jennifer Rexford, Princeton University Scott Shenker, UC Berkeley/ICSI John Wroclawski, USC/ISI Ellen Zegura, Georgia Institute of Technology,NetSE Program,The NetSE Council kicked off their effort in January 2008 with a meeting at NSF. US NSF CISE (Computer and Information Science and Engineering) has issued a new Cross-Directorate Solicitation which includes Network Science and Engineering (NetSE) as a cross-cutting research program in August 2008.,2009年9月美國發(fā)表的NetSE Research Agenda 對網絡科學研究現(xiàn)狀的分析,A key barrier to making near-term progress is the lack of adequate support for experimental research. The field of networking research began as an experimental discipline, and many fundamental networking insights have come from building and using prototype systems, as well as measuring existing systems. A key barrier to making long-term progress is the lack of a formal intellectual framework for understanding networking,2009年9月發(fā)表的NetSE Research Agenda 建議NSF資助網絡實驗設施和實驗方法持久研究,Funding agencies should rebuild the experimental capabilities of networking researchers, through funding individual systems building efforts, providing adequate and persistent shared experimental infrastructure, and supporting research that leads to continued improvements in experimental methodology. Experimental work is expensive and long-term.,網絡科學研究形成的新理論和新方法，用什么樣的實體去證實其有效性？,在實驗室做科研不能做“觀光實驗”，沿著別人設計好或者已經發(fā)現(xiàn)的“風景”路線走。自己所作的實驗研究，需要有自己的思想去思考、去發(fā)現(xiàn)，尋找真正解決問題的辦法。否則，在理論里試驗，很苦悶，很沒有意思。 崔琦 2009年9月5日,載體：承載網絡科學研究常用的實體,生命科學中的各種網絡 人類社會中的各種網絡 基于互聯(lián)網的各種網絡 各種交通運輸和通信網絡,網絡科學研究的難點：載體的選擇,研究什么特定的科學問題？ 被選擇的載體的大眾性？ 研究效果的被認可性？ 如何簡化載體的復雜因素？,基礎研究沒有載體是不行的！,選擇載體常常比確定科學問題更難！,（二） 用科學任務帶動科學問題研究,基礎科學研究的特點,基礎科學問題的解決通常需要長遠的研究努力，甚至沒有窮盡的時候 基礎科學問題待解決的程度（里程碑指標）難以預先明確確定和精確量化 基礎科學研究具有基礎性、前瞻性、探索性和交叉性,眾所周知，基礎研究和科學突破是應用研究或者技術創(chuàng)新的先導。但另一方面，技術發(fā)展也可以成為科學研究更為重要的源泉。在某些情況下科學存在于技術當中。當前，活躍的信息技術可以成為信息科學的先導，可以用科學任務帶動科學問題的研究。,用科學任務帶動科學問題研究的先例,南極科學考察 探月、繞月、駐月工程 NSFC提出的試聽覺認知計算,科學任務有明確的目的性！,視聽覺認知計算的科學任務,在正常的環(huán)境下，標準的城市和城際公路上，從北京到天津/深圳，無人自主駕駛車，混跡在正常交通流中，表現(xiàn)出駕駛員的智能駕駛員的視聽覺認知計算能力。,項目為什么能夠列為重大計劃？,提高汽車電子的國產化能力 減少交通事故，改善民生 成果輻射到各種特種車（尤其是殘疾人用車），改善性能,科學任務不同于工程任務，更不同于工程建設，不要求直接為GDP作出貢獻。,用科學任務帶動基礎研究的好處,長期以來普遍認為基礎研究宜散不宜聚；而當前網絡科學的綜合性和多學科特點，又要求學科內部、學科之間、甚至跨學科的交叉，這是一個大科學的時代，要求能聚能散才行 用科學任務帶動科學問題研究，可以有效改變難聚易散的現(xiàn)狀,（三） 選擇載體的指導思想,有限目標,一個特定載體，不可能反映網絡科學的全部研究內容，但所承載的科學問題應該是國際上很活躍的學術前沿 當科學問題變更時，載體有一定的可塑性 載體能夠反應國家的戰(zhàn)略需求，有較好的普及性和被認可性,穩(wěn)定支持,有較長期的網絡科學研究基礎 有較好的科學實驗環(huán)境和條件 穩(wěn)定支持和長期資助,集成升華,具有匯聚網絡科學研究成果的便利性 研究成果能夠很快地指導迫切需要解決的現(xiàn)實問題,跨越發(fā)展,目的明確，標志性水平明顯，可顯示，可比較 能夠在全球網絡科學研究中體現(xiàn)中國的學術水平和狀態(tài),當前，什么樣的科學任務既能滿足國家戰(zhàn)略急需，又能帶動網絡科學的研究呢？,科學任務的可行性和必要性論證，成為帶動網絡科學研究的前提。,（四） 科學任務的選擇和任務的形式化,科學任務：城市交通縮微模擬,對典型的城市區(qū)域、道路環(huán)境和特定時段，通過縮微模擬，說明自主駕駛車的數(shù)量、分布、動力學行為和道路擁擠程度的關系，并論證成果的普遍性意義。,不要求發(fā)現(xiàn)解決城市交通擁堵的一個萬能數(shù)學公式，但縮微模擬研究有助于不同人從不同角度去研究解決城市交通問題。,為什么把城市交通縮微模擬作為網絡科學研究的載體？,以城市交通為載體的網絡科學研究有前期積累。 視聽覺認知計算重大項目為縮微自主駕駛車的實現(xiàn)奠定了基礎。 在解決城市交通擁堵問題上太多的雜音，沒有找到其中最根本的科學問題。,北京市機動車數(shù)量增長圖,2009.10,時間,數(shù)量（萬輛）,388,100,200,300,2007.05,2003.08,1997.02,1949,6年,2年,4年,48年,“交通擁堵問題，根本上說不僅是一個科學問題，而是一個社會問題、經濟問題、歷史問題、文化問題，也可以說是土地利用問題、城市形態(tài)問題?！?“中國乃至全球出現(xiàn)的城市交通擁堵困境，是城市快速擴張過程中各種因素無序競爭、疊加的結果，是一個過渡的狀態(tài)，城市還遠沒有進入到一個節(jié)約、生態(tài)、暢通的穩(wěn)定態(tài)?！?“城市交通的屬性特征及其自身發(fā)展的內在規(guī)律，是全世界認為的科學之謎?！?悖論：“交通整治，越治越堵”,擁堵,添車,擴路,悖論：“交通整治，越治越堵”,城區(qū) 擁堵,投資 建路,擴大 都市圈,人均日出行 距離增加,悖論：“交通整治，越治越堵”,交通 擁堵,打通微循環(huán) 多修支路,多修快車 道和干道,車輛 增加,悖論：“交通整治，越治越堵”,行車要 方便,步行難,道路要 改造,車輛 增加,悖論：“交通整治，越治越堵”,交通 擁擠,個體交通 需求增加,公交服務 水平下降,車輛 增加,悖論：“交通整治，越治越堵”,交通口 擁擠,吸引交 通流,改立交,擁擠交通 口轉移,悖論：“交通整治，越治越堵”,車輛 數(shù)量多,導致購買 “第二輛車”,按尾號 限行,車輛 數(shù)量更多,問題的形式化是本項目成敗之關鍵！,質疑： 城市交通擁堵問題難以解決是因為沒有 獲得足夠多的信息？,問題的形式化,忽略哪些次要因素？ 用最少的車輛種類模擬道路交通 用最主要的隨機分布模擬駕駛行為的初始狀態(tài) 把城市交通的地理邊界縮小為特定區(qū)域邊界，把陣發(fā)性、頻發(fā)性交通問題簡化為研究特定時段的交通 重點研究車輛之間的交互作用、群體行為與動力學性質,必須考慮的基本面：,需求：機動車數(shù)量和駕駛行為 供應：城市車道長度等道路設施 調節(jié)：城市交通管理機制和控制水平,并不是因素越多越好！可以忽略的因素是什么？,城市地理位置和地形特點 城市交通的氣象環(huán)境 城市功能定位和城市歷史、文化 機動車的種類及差異