用科学任务带动 网络科学研究的尝试 ——如何选择网络科学研究的载体 李 德 毅 二OO九年十月十六日

复杂网络研究中若干问题的反思 一年前我在北京大学的发言： Deyi Li leedeyi@tsinghua.edu.cn Oct. 11 2008

用科学任务带动网 络科学研究的尝试 ——如何选择网络科学研究的载体 李 德 毅 二OO九年十月十六日

（一） 网络科学十年研究思考

Ten Years History for NetSci Watts, Nature, 1998 Barabási, Science, 1999 Physics Network Physics

Albert Barabási (1967- , Hungary) 网络科学的兴起 WS 小世界模型(1998) BA 无标度模型(1999) Albert Barabási (1967- , Hungary) Duncan Watts (1971- , America) Steven Strogatz (1959- , America) Réka Albert (Ph.D. in 2001)

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? Characteristics of the realistic networks focused in network science:

Challenge : basic, but very hard How to understand networks? Preferential Attachment in Evolution Node Activity Local Effect Characteristics of the realistic networks focused in network science: Heterogeneity

网络科学不是研究所有的网络，也不是纯拓扑学研究，要反映节点主体性和异构性、局域影响性、拓扑不均匀性和随时间演化过程中的偏好依附性的复杂网络，弄清网络拓扑、节点和边的属性与网络动力学行为之间的关系。

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. The Computing Research Association (CRA) is an association of more than 200 North American academic departments of computer science, computer engineering, and related fields; laboratories and centers in industry, government, and academia engaging in basic computing research; and affiliated professional societies. The CCC is broadly inclusive of the computing research community. Any computing researcher who wishes to be involved is encouraged to be involved.

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.

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 Ellen W. Zegura received the B.S. degree in Computer Science (1987), the B.S. degree in Electrical Engineering (1987), the M.S. degree in Computer Science (1990) and the D.Sc. in Computer Science (1993) all from Washington University, St. Louis, Missouri. Since 1993, she has been on the faculty in the College of Computing at Georgia Tech. She was an Assistant Dean in charge of Space and Facilities Planning from Fall 2000 to January 2003. She served as Interim Dean of the College for six months in 2002. Since February 2003, she has been an Associate Dean, with responsibilities ranging from Research and Graduate Programs to Space and Facilities Planning. She has spent five years as the user representative in the planning of the Klaus Advanced Computing Technologies Building, scheduled to open in Fall 2006. Starting in August 2005, she has chaired the Computing Science and Systems Division of the College of Computing. She is the proud mom of two girls, Carmen (born in August 1998) and Bethany (born in May 2001), whose pictures have never made it onto the web. Prof. Zegura’s research work concerns the development of wide-area (Internet) networking services and, more recently, mobile wireless networking. Wide-area services are utilized by applications that are distributed across multiple administrative domains (e.g., web, file sharing, multi-media distribution). Her focus is on services implemented both at the network layer, as part of network infrastructure, and at the application layer. In the context of mobile wireless networking, she is interested in challenged environments where traditional ad-hoc and infrastructure-based networking approaches fail. These environments have been termed Disruption Tolerant Networks. More detail can be found on her publications page. Charlie Catlett From Wikipedia, the free encyclopedia Charlie Catlett (born 1960) is Chief Information Officer at Argonne National Laboratory, director of the Computing and Information Systems Division, and a Senior Fellow in the Computation Institute, a joint institute of Argonne National Laboratory[1] and The University of Chicago. From 2004-2007 he was Director of the TeraGrid Project.[2] David D. Clark David Dana Clark BornApril 7, 1944 ) Dana Clark (born April 7, 1944) is an American computer scientist. He graduated from Swarthmore College in 1966. In 1968, he received his Master's and Engineer's degrees in Electrical Engineering from the Massachusetts Institute of Technology, where he worked on the I/O architecture of Multics under Jerry Saltzer. He received his Ph.D. in Electrical Engineering from MIT in 1973. From 1981 to 1989, he acted as chief protocol architect in the development of the Internet, and chaired the Internet Activities Board, which later became the Internet Architecture Board. He has also served as chairman of the Computer Sciences and Telecommunications Board of the National Research Council. He is currently a Senior Research Scientist at the MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory. chair Ellen W. Zegura Professor of 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月美国发表的NetSE Research Agenda 对网络科学研究现状的分析 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 网络科学研究中，缺乏实验研究已经成为一个重大障碍。 事实上，网络研究就是从进行实验、度量已存系统或原型特征开始的。

2009年9月发表的NetSE Research Agenda 建议NSF资助网络实验设施和实验方法持久研究 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. 针对第一个障碍的建议

网络科学研究形成的新理论和新方法，用什么样的实体去证实其有效性？

在实验室做科研不能做“观光实验”，沿着别人设计好或者已经发现的“风景”路线走。自己所作的实验研究，需要有自己的思想去思考、去发现，寻找真正解决问题的办法。否则，在理论里试验，很苦闷，很没有意思。 —— 崔琦 2009年9月5日

载体：承载网络科学研究常用的实体 生命科学中的各种网络 人类社会中的各种网络 基于互联网的各种网络 各种交通运输和通信网络

网络科学研究的难点：载体的选择 研究什么特定的科学问题？ 被选择的载体的大众性？ 研究效果的被认可性？ 如何简化载体的复杂因素？

基础研究没有载体是不行的！ 选择载体常常比确定科学问题更难！

（二） 用科学任务带动科学问题研究

基础科学研究的特点 基础科学问题的解决通常需要长远的研究努力，甚至没有穷尽的时候 基础科学问题待解决的程度（里程碑指标）难以预先明确确定和精确量化 基础科学研究具有基础性、前瞻性、探索性和交叉性

众所周知，基础研究和科学突破是应用研究或者技术创新的先导。但另一方面，技术发展也可以成为科学研究更为重要的源泉。在某些情况下科学存在于技术当中。当前，活跃的信息技术可以成为信息科学的先导，可以用科学任务带动科学问题的研究。

用科学任务带动科学问题研究的先例 南极科学考察 探月、绕月、驻月工程 NSFC提出的《试听觉认知计算》 科学任务有明确的目的性！

《视听觉认知计算》的科学任务 在正常的环境下，标准的城市和城际公路上，从北京到天津/深圳，无人自主驾驶车，混迹在正常交通流中，表现出驾驶员的智能——驾驶员的视听觉认知计算能力。

项目为什么能够列为重大计划？ 提高汽车电子的国产化能力 减少交通事故，改善民生 成果辐射到各种特种车（尤其是残疾人用车），改善性能

科学任务不同于工程任务，更不同于工程建设，不要求直接为GDP作出贡献。

用科学任务带动基础研究的好处 长期以来普遍认为基础研究宜散不宜聚；而当前网络科学的综合性和多学科特点，又要求学科内部、学科之间、甚至跨学科的交叉，这是一个大科学的时代，要求能聚能散才行 用科学任务带动科学问题研究，可以有效改变难聚易散的现状

（三） 选择载体的指导思想

有限目标 一个特定载体，不可能反映网络科学的全部研究内容，但所承载的科学问题应该是国际上很活跃的学术前沿 当科学问题变更时，载体有一定的可塑性 载体能够反应国家的战略需求，有较好的普及性和被认可性

稳定支持 有较长期的网络科学研究基础 有较好的科学实验环境和条件 稳定支持和长期资助

集成升华 具有汇聚网络科学研究成果的便利性 研究成果能够很快地指导迫切需要解决的现实问题

跨越发展 目的明确，标志性水平明显，可显示，可比较 能够在全球网络科学研究中体现中国的学术水平和状态

当前，什么样的科学任务既能满足国家战略急需，又能带动网络科学的研究呢？

科学任务的可行性和必要性论证，成为带动网络科学研究的前提。

（四） 科学任务的选择和任务的形式化

科学任务：城市交通缩微模拟 对典型的城市区域、道路环境和特定时段，通过缩微模拟，说明自主驾驶车的数量、分布、动力学行为和道路拥挤程度的关系，并论证成果的普遍性意义。

不要求发现解决城市交通拥堵的一个万能数学公式，但缩微模拟研究有助于不同人从不同角度去研究解决城市交通问题。

为什么把城市交通缩微模拟作为网络科学研究的载体？

以城市交通为载体的网络科学研究有前期积累。 《视听觉认知计算》重大项目为缩微自主驾驶车的实现奠定了基础。 在解决城市交通拥堵问题上太多的杂音，没有找到其中最根本的科学问题。

北京市机动车数量增长图 2年 4年 6年 48年 数量（万辆） 388 300 200 100 时间 1949 1997.02 2003.08 2007.05 2009.10

“交通拥堵问题，根本上说不仅是一个科学问题，而是一个社会问题、经济问题、历史问题、文化问题，也可以说是土地利用问题、城市形态问题。”

“中国乃至全球出现的城市交通拥堵困境，是城市快速扩张过程中各种因素无序竞争、叠加的结果，是一个过渡的状态，城市还远没有进入到一个节约、生态、畅通的稳定态。”

“城市交通的属性特征及其自身发展的内在规律，是全世界认为的科学之谜。”

悖论：“交通整治，越治越堵” 拥堵 扩路 添车

悖论：“交通整治，越治越堵” 城区 拥堵 扩大 都市圈 投资 建路 人均日出行 距离增加

悖论：“交通整治，越治越堵” 交通 拥堵 多修快车 道和干道 打通微循环 多修支路 车辆 增加

悖论：“交通整治，越治越堵” 行车要 方便 道路要 改造 步行难 车辆 增加

悖论：“交通整治，越治越堵” 交通 拥挤 公交服务 水平下降 个体交通 需求增加 车辆 增加

悖论：“交通整治，越治越堵” 交通口 拥挤 改立交 吸引交 通流 拥挤交通 口转移

悖论：“交通整治，越治越堵” 车辆 按尾号 车辆 数量多 限行 数量更多 导致购买 “第二辆车” 此处增加了”由于车辆限行导致的交通拥堵”的闭环

问题的形式化是本项目成败之关键！ 质疑： 城市交通拥堵问题难以解决是因为没有 获得足够多的信息？

问题的形式化 忽略哪些次要因素？ 用最少的车辆种类模拟道路交通 用最主要的随机分布模拟驾驶行为的初始状态 把城市交通的地理边界缩小为特定区域边界，把阵发性、频发性交通问题简化为研究特定时段的交通 重点研究车辆之间的交互作用、群体行为与动力学性质

必须考虑的基本面： 需求：机动车数量和驾驶行为 供应：城市车道长度等道路设施 调节：城市交通管理机制和控制水平

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点 城市交通的气象环境 城市功能定位和城市历史、文化 机动车的种类及差异性 ……

核心问题 城市交通映射为复杂网络时，节点代表什么？边（相互作用）代表什么？如何反映节点和边的属性？它们和机动车群体的动力学行为是什么关系？ 选择什么样的城市交通区域缩微 确定遥控车、自主车的初始行为分布 机动车之间的相互作用

自思： 本任务尤其是在初期，不是拼特定区域道路的复杂性！ 本任务尤其是在初期，不是拼自主车的数量！ 当特定区域较大、机动自主车数量较多，城市交通缩微模拟会很壮观！

科学任务完成的形态 模拟演示：M 辆微型自主车和 N 辆微型遥控车，按照一定的驾驶行为分布，在缩微了的K种特定道路环境下类人行驶，再现并比较城市交通的状况。演示现象可再现、可控制、可比较。

自思： 城市交通问题的三个基本面（需求、供应、调节）在演化中发生冲突并协调，特定区域、特定时段适度的交通拥挤也许是城市繁荣不可或缺的伴生物，可以通过缩微模拟得到印证。

到2020年，通过城市交通缩微模拟的科学任务，带动我国网络科学的研究，以此成为中国与全世界网络科学学术研究交流的进入点！

结论：用科学任务带动网络科学研究 网络科学研究必须有合适的载体 城市交通缩微模拟作为载体有迫切性 关键在科学任务的形式化，突出需求、供应和调节三个环节

有很多人跟我讲，在中国很难做事，但是他们没有了解到，如果在美国做同样事情的话，也一样的难。 —— 姚期智 2009年

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