Physics Reports 網絡傳播動力學前沿綜述:共演化傳播網絡

2021-01-11 騰訊網

導語

病毒的流行、創新產品的推廣、觀點的傳遞都是在不同網絡上的形形色色的傳播現象，既存在著現象後的不同起因和特徵，更存在著千絲萬縷的聯繫和共通的演化機理。今年8月，Physics Reports 發表了長篇綜述，全面介紹了對複雜網絡上共演化傳播的相關研究，本文將詳細解讀這篇綜述的主要內容。

現實社會中的計算機病毒傳播、流行病傳播、信息擴散、創新產品推廣和金融風險擴散都可以描述為「網絡傳播動力學」。科學家們致力於揭示它們的傳播機制與規律，分析它們何時爆發、傳播範圍，並提出切實可行的預警與防控措施。分析上述問題對我們的現實社會有著重要的意義。對於政府而言，可以感知當前的輿情和疫情態勢，從而採取措施來控制網絡輿情和大規模流行病的爆發；對於網絡電商而言，可以採取個性化推薦策略來營銷產品；對於金融系統而言，可以預警早期金融風險，進而採取措施防止全球性金融危機爆發。

論文題目：

Coevolution spreading in complex networks

論文地址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157319302583

網絡傳播動力學吸引了來自物理學、網絡空間安全、計算機科學、系統科學和數學等各個領域的專家，他們利用自己所在領域的研究方法來研究上述問題，取得了豐碩的研究成果。事實上，這些網絡傳播並非獨立存在於現實生活中，而是相互作用、共同演化，形成了共演化傳播動力學。例如，WNCRY勒索病毒在傳播的同時，關於其解決方案和預防措施的信息也在快速擴散，在極大程度上降低了經濟損失；由於HIV患者的免疫系統受到了損壞，他們更容易被其他傳染病性疾病感染。科學家們對共演化傳播現象、演化斑圖和臨界現象已經做出了一些研究，並發現了一些有趣的現象，如系統會呈現出共存閾值、一級相變和磁滯回線等。

根據共演化傳播研究的對象差異性，可以將其大致分為共演化生物傳播（Coevolution of biological contagions）、共演化社會傳播（Coevolution of social contagions）、意識—流行病傳播（Coevolution of awareness diffusion and epidemic spreading）和資源—流行病傳播（Coevolution of resource diffusion and epidemic spreading）四大類。

1. 共演化生物傳播

實證研究表明，計算機病毒、流行病和信息傳播大多可以刻畫為生物傳播，即個體之間的單次接觸可觸發感染。其中，經典的SIS、SIR和CP模型都是生物傳播的典型模型。對於複雜網絡上的單個生物傳播，系統總是呈現出連續的二級相變，且爆發閾值和臨界現象與網絡拓撲結構密切相關。為定量地刻畫傳播動力學過程，學者們提出了一些經典理論方法，如異質平均場、淬火平均場、動態信息傳遞、點對近似、邊滲流理論等。總體來講，動態信息傳遞方法總能很好地刻畫傳播，但對於無關聯局部樹形網絡，異質平均場、邊滲流、邊劃分方法也能取得較好的效果。

對於兩個生物傳播相繼在複雜網絡上傳播，前者免疫後者時，系統會存在共存相，即兩個流行病會同時爆發，且共存閾值高於第一個流行病的爆發閾值。當兩個流行病同時傳播且存在抑制作用時，學者們發現共存相受到網絡結構的影響；當兩個流行病存同時傳播且存在協同作用時，系統可能出現非連續相變或磁滯回線，且受到網絡緯度和傳播動力學的影響。

圖1. ER網絡上的協同傳播

Cai等人提出了兩個SIR在網絡上的共演化協同傳播模型，即節點沒有並任何流行病感染時的概率為λ1，若已經感染了一個流行病後，再感染另一個流行病的概率為λ2>λ1。通過大量實驗模擬，Cai等人發現系統存在一個混合非連續相變(如圖1所示)。對於多個共演化生物傳播，流行病簇可能會產生，其臨界指數與滲流分形緯度很接近，爆發閾值可在均勻混合網絡上解析得到。

2. 共演化社會傳播

與生物傳播不同的是，社會傳播(如行為傳播、創新產品等)往往具有社會加強效應，即個體之間的單次接觸無法導致傳播。這種社會加強效應源於採納行為傳播中具有很強的風險性和不確定性，需要多次確認才能夠消除。當引入社會傳播在單個社會傳播中時，最終傳播範圍隨傳播概率呈現出連續或非連續增長，取決於社會加強效應的強度。

圖2. 共演化社會傳播相變類型判斷

此外，系統相變和最終傳播範圍會受到網絡拓撲結構和演化機制的影響。例如，集群係數會促進社會傳播。對於兩個社會傳播相繼或同時在網絡上傳播時，抑制或協同作用可以將系統相變從非連續改變為連續。Liu等人利用分叉理論對相變類型進行了論證，如圖2所示。對於多個共演化協同社會傳播過程，由於有限精力或記憶導致的競爭，導致不同社會傳播流行度的多樣性，其協同行為會促進另一個傳播過程。

3. 意識—流行病傳播

當流行病爆發時，與之相關的流行病意識或信息也會同時在各種社交網絡上傳播，使得未被感染的個體採取一些措施來保護自己，防止被流行病感染，進而抑制大規矩流行病爆發的可能。為了定量刻畫意識對流行病傳播範圍的影響，學者們相繼研究了不同耦合機制、不同網絡結構對其造成的影響。實證來講，通過分析谷歌趨勢和門診流行病數據，發現意識和流行病傳播存在一種非對稱耦合作用，即流行病傳播促進意識傳播，但意識傳播抑制流行病傳播。

圖3. 意識—流行病共演化傳播

Funk等人首次分析了單個社交網絡上的意識—流行病耦合傳播，發現網絡結構，如集群係數，會顯著影響意識對流行病的抑制作用。對於UAU+SIS傳播模型，學者們發現系統存在一個元臨界點(metacritical point)，其值與意識傳播和網絡拓撲結構密切相關。對於SIR+SIR傳播模型，系統存在一個最優的意識傳播概率，使得流行病的最終傳播範圍被極大程度地抑制(見圖3)。

4. 資源—流行病傳播

為了治癒流行病，我們往往需要消耗一定的資源(如藥品、財力等)。然而，這些資源往往是具有一定限制的，如何優化資源分配才能極大程度地抑制流行病爆發是一個極其重要的問題。此外，不同的資源分配策略下，系統的相變和臨界現象也會受到影響，這更是物理學者們關注的另一個重要問題。當限制系統總資源時，與經典的流行病傳播模型截然不同，流行病會呈現一級相變。

這一臨界現象表明，少量的資源匱乏可能導致大規模流行病突然爆發。對於資源和流行病共演化傳播模型，即資源量和流行病都隨時間而改變，與有限資源類似，若資源產生率較低時也可能會導致系統呈現出一級相變(如圖4所示)。此外，個體的不同行為所引發的資源—流行病共演化傳播，也將導致不同類型的相變。這些現象取決於資源和流行病傳播的演化機制和資源分配策略。

圖4. 有限資源控制流行病傳播

5. 總結

最後，作者在展望中指出共演化傳播仍然有大量有趣的科學問題尚待研究，如數據驅動的共演化傳播建模、統一理論框架的提出、早期臨界預警、影響力最大化，以及網絡結構和人類行為動力學對其影響等問題。

作者：王偉

編輯：張爽

相關焦點

  • 前沿綜述：大腦結構網絡、功能網絡和網絡控制中的物理學
    在Nature reviews Physics 上發表的一篇綜述《The physics of brain network具體來說，就是為達成某種目的，在哪個腦區刺激和怎樣刺激，以及刺激是如何在腦網絡中傳播，並產生間接影響的[33, 34]。
  • 前沿綜述:大腦結構網絡、功能網絡和網絡控制中的物理學
    Nature reviews Physics 一篇綜述文章，從大腦的結構網絡、功能網絡和網絡控制的角度，梳理了物理學在腦科學研究中的進展。本文是對這篇綜述的概述。雖然日益進步的非侵入式腦成像技術擴展了我們發現腦網絡結構和功能上規律的能力，但理解腦網絡結構與其體現出的功能之間的關係，依舊是一個最基本的難題。在 Nature reviews Physics 上發表的一篇綜述《The physics of brain network structure, function, and control》其作者Danielle S.
  • 從網絡科學視角看大規模流行病傳播
    原創 王偉 集智俱樂部導語歲末甫至，新型冠狀病毒引起的流感疫情牽動人心，人們開始越來越重視流行病傳播的嚴重性。流行病與病毒傳播是自網絡科學的重要課題，本文嘗試從複雜網絡研究的角度，梳理一系列的相關研究，介紹對大規模流行病傳播過程的認識。
  • Physics Reports研究速遞:大腦複雜網絡動力學下的創造和意識
    最近發表在 Physics Reports 的新研究通過亞穩態和異宿網絡建立了大腦信息過程的序列動力學，用一組以各種認知過程中可轉移模式為解的非線性微分方程，解釋了大腦的認知、意識和創造力過程。該工作有望推廣向社會心智、機器人、人工智慧和生物醫學等領域研究。
  • Physics Reports：統計物理和複雜系統理論的探索
    近日，由北京師範大學系統科學學院陳曉松教授等人組成的研究團隊，在物理學頂刊Physics Reports發表綜述文章，系統梳理了統計物理與複雜系統方法在地球系統科學中的應用。本文是對這篇綜述文章的解讀。我們邀請綜述第一作者，北京師範大學系統科學學院樊京芳副教授，在10月27日（周二）19:00-20:00直播介紹相關研究進展。
  • 網絡異質性傳播推廣策劃
    網絡傳播新形式的交流在於異質性    網絡傳播作為新時代備受矚目的新型傳播媒體，集交互性、海量性、多媒體、即時性、個人化、超文本於一體。自然也可以有效運用於正面新聞「湖北群星」現象的報導中。    異質性傳播即體現了網絡傳播的個人化特徵，是一種針對不同的受眾群體提供各具差異的信息，利用網絡的技術平臺和信息保障，從「質」上而不僅僅是「量」上來強化傳播的效果。    據以上粗略調查，在官方報導和門戶網站轉載外加地方網站轉載的情況下，傳播效果仍不夠明顯。
  • 網絡時代傳播倫理的基本維度
    作者：湖南師範大學新聞與傳播學院　燕道成　　技術變革影響著社會變革，更改變了網絡時代傳播的特點。因此，技術倫理維度作為網絡時代傳播倫理的基礎，應該得到更多的重視。數位技術、電子技術、網絡技術等的發展與融合給網絡時代的受眾帶來了新的媒介形態和碎片化、多元化、去中心化的網絡傳播方式，然而，並不是所有受眾都能很快適應新的虛擬環境。　　網絡時代，滲透進社會生活方方面面的新媒介技術，已經深刻改變了人們的生活方式。不管發現信息、製作信息、傳播信息還是使用信息，人們都在新技術的引導下完成，這無疑給人們帶來了便利。
  • 網絡系統的動力學:從結構依賴到歷史依賴
    從大腦到人群，網絡無處不在。許多研究成果都顯示，網絡系統的動力學性質依賴於系統的結構。最新發表於《國家科學評論》（National Science Review，NSR）的文章則表明，網絡動力學不只是結構依賴的，也是歷史依賴的。
  • 《網絡傳播概論新編》圖書簡介
    當當網購買連結 >>>點擊進入 　　【教材名稱】網絡傳播概論新編　　　　【編著】張海鷹 編著　　　　當當網購買連結 >>>點擊進入 　　【教材名稱】網絡傳播概論新編　　　　【編著】張海鷹 編著　　　　【出版社】復旦大學出版社　　　　【ISBN】9787309060782
  • 杜絕網絡黃毒以「種子」形式傳播
    警惕隱性存在的網絡黃毒隨著網際網路技術的發展,色情圖片、電影和文章等淫穢內容在網上呈泛濫之勢。為此我國政府相關部門採取了一系列應對措施,包括全國人大常委會的立法、最高人民法院和最高人民檢察院的司法解釋以及公安機關的網絡掃黃行動,中國境內的網際網路上淫穢內容一度幾近絕跡。
  • 警惕網絡歷史虛無主義傳播的新趨勢
    一、網絡歷史虛無主義的傳播趨勢 1.傳播信息的網絡化。隨著網際網路和信息終端技術的普及，特別是進入自媒體時代後，論壇、博客、微博、微信、客戶端以及新興視頻網站構成了網絡信息現存的主要表達渠道。 2.傳播受眾的青少年化。中國網際網路信息中心發布的第37次《中國網際網路發展狀況統計報告》顯示，截至2015年12月，中國網民規模已達6.88億，佔據中國人口總數的50.3%，並基本覆蓋了我國4.84億10歲至39歲的青少年人群。調查顯示，青少年是網絡信息的主要受眾。歷史虛無主義錯誤言論及歷史觀、價值觀在網際網路上的傳播，不可避免地會使包括高校學生在內的一部分青少年受到影響。
  • 網絡時代馬克思主義意識形態有效傳播的路徑分析
    【關鍵詞】網絡時代；馬克思主義意識形態；傳播 作為我國的主導意識形態，馬克思主義意識形態的有效傳播，對於全體社會成員養成與之相適應的政治信仰、政治理念、政治價值觀，築牢整個社會團結奮鬥的思想基礎和精神支柱具有重要的意義。在網絡時代，網際網路已成為社會思潮的集散地和意識形態鬥爭的前沿陣地。
  • 網絡敘事的生成機制及其群體傳播的互文性
    圍繞同一事件相關體，具體文本與文本集合體內的前文本、後文本、同步文本之間形成了文本意義的普遍多向共建，而文本客體、傳播主體和網絡群體傳播語境共同架構起網絡敘事意義的闡釋系統。網絡敘事的生成機制和生命力不僅為網絡傳播的活躍性提供了保障，也成為影響社會發展的巨大變量，對社會交往乃至人類思維方式產生深刻影響。
  • 網絡傳播中的「審醜異化」成因研究
    摘 要：網絡媒體為普通民眾揭露抨擊社會醜相提供便捷高效的發聲渠道，有利於充分發揮大眾媒體監視環境的社會功能。但網絡傳播活動中不良的審醜行為所帶來的嚴重後果及媒體應該承擔的社會責任需引起公眾的高度警惕。
  • 貼近觀眾需求、傳播主流文化 網絡紀錄片令人耳目一新
    網絡紀錄片更符合網際網路用戶接受習慣，令人耳目一新—— 貼近觀眾需求 傳播主流文化(網絡文藝趨勢觀察④)　　核心閱讀　　網絡自製紀錄片通常節奏明快、信息密集、娛樂性強、重視視聽體驗，在互動性、整合性、易分享、可遷移性等方面和傳統紀錄片有明顯區分　　工業化是紀錄片發展重要方向。
  • 前沿丨氣體爆轟的物理機制、傳播規律
    爆轟是以超聲速傳播的極端燃燒現象，作為激波主導的化學反應氣體流動，是氣體動力學、激波動力學和燃燒學融合的前沿學科。早期的爆轟理論 (CJ 理論和ZND 模型 ) 都基於一維流動、定常傳播的假定，確實能反映爆轟波的宏觀特徵和傳播規律，但是對於爆轟波非定常三維結構運動、激波與化學反應依存、流動與燃燒過程競爭的規律探索缺乏指導性意義。近幾十年的研究表明：爆轟波的傳播速度和空間結構都會發生周期性變化，具有一定的平均胞格尺度、自組織和自持傳播特徵。特別是爆燃轉爆轟 (DDT) 的突發過程，帶有非線性和隨機特徵。
  • 移動新媒體環境下網絡廣告的定向傳播研究
    在此結構下，網絡廣告開始根據目標受眾需求，針對性地發布廣告，實施網絡廣告的定向傳播，並且在新媒體環境下，顯得網絡廣告的定向傳播尤為重要。所以，本文將重點對移動新媒體環境下網絡廣告的定向傳播進行研究。以下重點以此為研究環境，分析網絡廣告定向傳播的特性和策略[1]。 一、網絡廣告定向傳播的基本要素 （一）媒介 媒介主要是指移動新媒體中的信息傳播平臺，包括社交網、博客、微博、微信、搜尋引擎等，在廣告定向傳播中是受眾與傳者信息交互的橋梁，其中網設置、內容充實度以及媒介的公信力等，都是受眾關注的對象。
  • 2019《網絡傳播概論》課程總結:理論與實踐齊飛!
    這學期的《網絡傳播概論》課程可真是內容豐富、形式多樣，既有傳統的課堂教學，又有新穎的「翻轉課堂」，如「湖北日報傳媒集團」實地考察、數字新技術體驗、「2019網絡傳播概論」課程群互動以及「狐說」微信公眾號運營等形式。其中，「狐說」微信公眾號在同學們的努力下共發布86篇與網絡傳播相關的原創作品。
  • 淺析網絡輿情傳播中的「反沉默螺旋」現象
    摘 要：「反沉默螺旋」作為一種與「沉默螺旋」相背的傳播模式，在當下網絡輿情傳播中發揮著重要作用。本文首先探尋「反沉默螺旋」的界定，認為其為一種網絡輿情傳播的模式；其次，從網際網路、傳統媒體以及網民三個方面分析這種網絡輿情現象形成、變化的原因；接著，以「成都女司機被打」事件為例，分析「反沉默螺旋」網絡輿情傳播中的表現。
  • 跨文化傳播:歐美留學生在上海的人際網絡分析
    本文以傳播網絡為切入點來對上海大學的50名歐美留學生進行了問卷調查，對10名歐美留學生進行了深度訪談，從淺層原因及根本原因入手對該現象進行了分析解釋。最後提出歐美留學生與中國學生的交際近幾十年都不會深入，因為歐美國家對中國政治、經濟、文化乃至整個社會層面最樂觀的情況也只是停留在理解層面。而要想改變這種狀況，需要的還有很多很多，也遠遠不止是時間。