李德毅院士：网络交互与群体智能

网络交互与群体智能—云计算与复杂系统中的科学问题NetworkInteractionandCollectiveIntelligence李德毅2310m10m10m10m10m10m10m10m10m10m2219124-5-6-9-12-14-15经典物理学天体物理学分子物理学粒子物理学原子物理学宏观物理学一、网络科学15年Collectivedynamicsof‘small-world’networks---Watts&Strogatz,Nature,393,1998(SCI引用15633次）小世界网络的群体动力学性质EmergenceofScalinginRandomnetworks---Barabasi&Albert,Science,286,1999(SCI引用13470次）随机网络中的标度涌现ExponentialNetworkScale-freeNetworkcut-offpointReal-worldnetworksoftenobeytwobasicprinciples:GrowstepbystepPreferentialattachment“Themechanismofgrowthbypreferentialattachment”Neuralnetworksmayobeythetwoprinciplesaswell.ClusteringCoefficientC=0.81C=0.6034nodes&78links286nodes&554linksPaul.ErdosAlbertBarabasiRekaAlbertStevenStrogatzAlfredRenyiDuncanWattsERpurerandomgraph(1960)WSsmallworldmodel(1998)BAscale-freemodel(1999)TheConferencecomprisedtalksbysocialandbehavioralscientists,informationscientists,biologists,statisticalphysicists,mathematiciansandstatisticians.国际网络科学NetSci会议积极推动了跨学科的复杂性与复杂网络研究，是目前复杂网络界规模最大、水平最高、影响最深的国际会议，2006年起年年举办，迄今已经六届。会议主题强调生物与环境科学、计算与信息科学、物理学、社会科学、金融等各方面复杂网络科学研究的交融与新方向的拓展。132008年网络科学10周年学术会议2012年国际网络科学会议时间：6月18-22日地点：埃文斯顿，伊利诺伊州，美国网络科学研究的典型载体生命科学中的各种网络现象互联网上的各种网络现象人际关系中的各种网络现象HowdoSARS&AIDSspreadonsocialnetworks?HowdocomputervirusesspreadontheInternet?Howdocascadingfailurespropagatethroughpowergrids?Willtheeconomiccrisishappenagain?SocialNetworkingServicesIwanttomakesenseoutofthis,howdoIdoit?NodeActivityLocalEffectHeterogeneityPreferentialAttachmentinEvolution23以路由器为节点，转发路由或光缆连接为边，可形成路由器层面的复杂网络；以自治域为节点，以域间路由为边，可形成自治域层面的复杂网络；以网页为节点，以超链接为边，可形成网页层面的复杂网络；以诸如E-mail、博客、社交、网购或即时通信应用中的网络账号为节点，以关注关系、朋友关系、评论关系、商品买卖关系等为边，可形成形形色色的用户层面的复杂网络。抽象后的网络均具有小世界和无标度特性，体现惊人的一致性！小世界现象无标度：二八定律和长尾分布不均匀性（高集聚性）脆弱性和鲁棒性并存级联失效和连锁崩溃网络科学告诉我们，现实世界中的网络常常具有下列特性：控制：提出改善网络性能和设计新网络的有效方法。发现：揭示网络结构的统计性质和群体行为，以及度量这些性质和行为的合适方法；建模：建立合适的网络模型，理解群体行为等性质的意义与产生机理；分析：分析节点的特性和网络的结构性质，预测网络的行为；网络科学研究现状认知的物理学方法、认知的统计物理学方法，受到人们较大的关注。二、云计算：超出图灵机的互联网计算AlanTuring,“OnComputableNumberswithanApplicationtotheEntscheidungsproblem”——ProceedingsoftheLondonMathSociety2(42),1936,pp.173-198.AlanMathisonTuring1912.6.23-1954.6.7图灵命题图灵1936年的传世论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》主要是回答德国大数学家希尔伯特在1900年提出的著名的“23个数学难题”之中的第10个，问题涉及逻辑的完备性，即是不是所有的数学问题在逻辑上都是可解的。这篇论文说，有些数学问题是不可解的。自动计算机的理论模型是在该论文中提出的，这种抽象模型可以把推理化作一系列简单的机械动作,被称作为图灵机的模型,有许多等价描述。歪打正着，图灵机模型到上世纪60年代却转变成用来说明可计算能力的模型。为纪念该文发表30周年，1966年设立“图灵奖”,以纪念这位计算机科学理论的奠基人。从确定输入到确定输出，无法解决不确定性问题通过时钟频率把模拟量近似为数值量,数值量如何返回模拟量不在图灵模型考虑之内图灵模型中没有考虑输入输出的形式化方法，人机交互没有出现在计算过程中图灵模型的局限性尽管图灵命题主要说的是数学的弱点，在解决数学问题时图灵机不能够做什么，如停机的不可判定问题。但是计算机科学家们却逐渐开始将图灵机用来说明可计算能力的模型，进而作为一种解决所有计算问题的模型，把图灵机作用扩大化了。图灵自己也认为图灵机并不适于作为解决计算问题的通用模型。包括图灵和图灵奖获得者米尔纳等在内的学者尝试用交互机来扩展图灵机模型，形成超图灵计算。图灵模型作用的扩大化凡是有集中控制的高性能计算机、集群计算机、虚拟机、网络系统、分布式系统等依然可看作图灵计算。40年的软件工程发展一直以图灵计算为中心。人们在寻找交互计算的超图灵计算模型。迅速发展的互联网改变了计算格局；互联网不存在集中统一的控制，不等同一台虚拟图灵机。图灵模型作用的扩大化超图灵计算模型Wegner,Leenwen等人提出基于图灵机的交互机器模型，如site机、交互机、多流交互机、持续图灵机等，企图扩展图灵机使其具有动态输入和输出能力。只描述单个交互式系统，没有涉及复合系统或者大规模复杂系统的情况；超图灵的交互机的局限性交互只能改变它们的工作带内容，不能改变控制器状态集合和状态迁移关系等更本质的东西；没有研究如何与外部交互的问题，更不涉及人参与的交互机制。不具备用来研究互联网上的全部交互作用的能力。从图灵计算到互联网计算的演化EverythingisoverIPV4V6WEBweb1.0WEBServicesweb2.0图灵论文76年（1936年）计算机68年（1944年）软件工程44年（1968年）互联网29年（1984年）万维网23年（1989年）网络科学14年（1998年）云计算5年（2007年）Wiki2001计算设施交互方式软件工程一改长期以来面向机器、语言、中间件和实现等面向主机的形态，转为面向需求、网络和服务。鼠标键盘触摸手势语音从人围着计算机转到计算机围着人转，交互、分享、群体智能等,都超出早先图灵机范畴。1970s小型机1960s大型机1980s个人电脑和局域网1990s桌面互联网2000s移动互联网面向过程1970s面向对象1980s面向构件1990s面向领域2000s面向服务SOC2010s从以计算机为中心，到以网络为中心，再到以人为中心天空中大量云滴构成的云，远观有形，近观无边，千姿百态，飘逸不定，有时如朵朵棉花，有时一泻千里，或淡或浓，或卷或舒，自在洒脱，在长空中漂浮着，聚散着，变幻着，引发人类诸多遐想，造就多少不朽诗句。为什么大家都喜欢云？蒸发：服务的发布，水气凝结成云滴降水：用户按需即取CloudEcosystem云滴聚集成云各种各样的服务中心提供个性化服务云：服务的聚合类比水的生态循环，看基于网络的信息服务和服务聚合。我们已经走过“理念清晰，操作模糊，八仙过海,云里雾里”的一段路程，取得越来越多的共识，被国家列入战略性新兴产业，走上了云计算的应用之路，进入“示范引领，创新实践”的新阶段。云计算在中国共识：初期的互联网支持尽力而为的服务，核心简单，边缘丰富;云计算正在让信息技术和信息服务实现社会化、集约化和专业化，网络变得丰富，边缘变得简单，端产品丰富多样，交互更加智能;不再需要家家买计算机、人人当软件工程师、各部门都建自己专门的信息系统，信息服务将成为全社会的公共基础设施。互联网上形形色色的数据中心、计算中心和服务中心异构、交叉、层叠的网络丰富多彩的端设备41云计算的产业链，将曾经相隔的电子、计算机、通信、软件、家电等产业，大致融合为三大板块：计算机产业通信产业1960s1960s大型机1970s小型机1980s个人电脑1970sBP机1980s大哥大手机1990s1990s笔记本从高性能、高功耗向低功耗、小型化发展从低性能、低功耗向高性能、小型化发展合适性能较低功耗个性化智能化轻便化端设备数据中心、计算中心和服务中心网络云计算产业云计算让互联网成为一个能够分享信息、沟通文化、乃至形成群体智能的开放的社交网络，人与人之间的关联、人心的关联，集体（社群）的力量，才是伟大的创造的力量。支撑这一力量的云计算，可以实现分享、交互，涌现出群体智能，超出了图灵机范畴，这正是云计算的魅力所在。44“生命的本质在于物质的组织形式，而不在于物质的自身”——人工生命之父克里斯·兰顿信息资源网络的本质在于信息资源之间的组织形式，而不在于承载信息的图灵机自身云计算的提出有可能导致软件工程的重大变革，突破图灵机模型的束缚：不在于单台图灵机，而在于网络上有主体行为能力的智能体之间的相互作用。大胆的设想：ChrisLangton（1949-）重点关注节点间的交互只关注单个节点云计算图灵计算不确定的计算确定的计算尽力而为解最优解无集中控制、局域性偏好依附统一的调度人主动参与的计算人不参与的计算服务模型可计算模型有主体行为能力按程序执行图灵计算与云计算的比较互联网没有总指挥，没有人为它规定开始、中间和结尾，在互联网发展过程中有协议或规范来定义它的架构，这一架构从来没有完整的规划，没有所谓的顶层设计。要有，那就是演化。万维网、社交网亦然。互联网充满了不确定性网络规模和结构的不确定性信息处理和服务方式的不确定性大众行为的不确定性两个极端状况：网络上没有任何信息资源，网络仅仅实现即时的交换，回到传统通信的交换时代。所有信息资源都在主计算机（虚拟机）上，端机仅仅是人机即时交互，回到传统的主机/终端模式。科学问题：谁瘦谁胖？三、云计算中的交互形态分析用户？开发者？服务方？被服务方？公众个体小众（多个个体在特定情境和主题下形成的社区）大众（情境和主题越来越广泛后形成的社区）涉众（利益攸关方）如何描述交互的行为主体？显性形态:评论、心情、收藏、购买、评分、顶/踩、分享、转载、加为好友、邀请加入等