[发明专利]一种基于时间分层的复杂网络传播源点定位方法

说明书

本发明属于计算机应用技术领域，涉及一种基于时间分层的复杂网络传播源点定位方法。本发明能够克服大规模复杂网络中观察节点较少引起的定位准确率低下的问题，能够以较少的观察节点数量，达到较高的观察准确率，从而以较小的代价更有效的定位传播源点。本发明在仅监测网络中少量节点传播状态的前提下，能够准确的定位传播的源头节点。与类似方法相比，在全球航空网络与BA、ER模型网络的实验测试中，本发明在相同比例的观察点前提下具有更高的定位准确率。

技术领域

本发明属于计算机应用技术领域，涉及一种基于时间分层的复杂网络传播源点定位方法。

背景技术

现实世界中的很多复杂系统都可以抽象为复杂网络，例如社会网络、Internet网络、生物网络等。传播是网络上普遍存在的动态过程，例如疾病在人群网络中的传播、谣言在社交网络中的传播、数据包在Internet网络上的传播等。如何分析、理解及控制复杂网络上信息传播过程,已成为计算机科学、社会学、物理学等多个学科的热点研究方向。定位复杂网络中的传播源点，即找到首先发布传播的源头节点，是网络传播分析的关键问题之一。只有找到传播发生的源头，才能够准确还原传播过程，预测传播范围、控制传播影响等。监控复杂网络上的传播过程，找出传播的源点，对于许多实际问题具有重要的意义。

有效距离是由Dirk Brockmann等人在《The Hidden Geometry of Complex,Network-Driven Contagion》中提出的。现以航空网络中的人口迁移来说明有效距离。例如，在一个航空网络中，从n到m存在航线，每天将一定数量的人口从n到m，那么定义从n节点到其直接相连的m节点的有效距离d_mn＝(1-logP_mn)≥1。

有效距离的概念反映了一种想法，即如果n到m的移动率很小意味着两点之间的距离大，反之距离越短。由于节点之间的移动率Pmn≠Pnm。有效距离通常来说是不对称的，即dmn≠dnm。基于有效距离的概念，可以定义一条有向路径Γ＝{n₁,...,n_L}的有效长度λ(Γ)为这条路径上每条边的有效距离之和。此外定义网络中随机的一个节点n到另外一个节点m的有效距离D_mn为n到m之间最短路径的有效长度，这里的路径的有效距离同样不具有对称性，即D_mn≠D_mn。即D_mn＝minλ(Γ)。

流行病，谣言在全球传播是一个复杂的、动态的网络驱动过程。然而，由于网络的规模巨大,无法监测所有节点的状态；由于网络的结构复杂,很难还原信息的传播过程.已有很多工作致力于建立网络传播模型及分析传播动力学过程,但是,对于如何定位大规模复杂网络上的潜在传播源点还知之甚少。因此，寻找大规模复杂网络中传播过程的源头节点，具有迫切的现实意义和应用价值。

对于复杂网络上的传播源点定位问题,一类方法是获取网络的传播子网,即网络中所有收到消息的节点构成的子图,通过基于拓扑中心性或传播路径的分析,找到最有可能的传播源点.例如，一种方法基于有效距离的概念，将复杂的传播拓扑还原为环状扩散，而扩散圆心即为潜在的传播源点。由于源点一定包含在传播子图中，并且所有节点的感染状态已知，所以这类方法的定位准确率较高。但是，对于超大规模网络，例如在线社交网络来说，获取全部的传播子图的规模极大，很难应用于实际传播。另一类方法根据网络中部分节点的传播状态,推断潜在的传播源点.预先选择的部分观察点记录收到消息的时间和方向，采用最大似然估计方法估计消息源点。这种方法能够有效地降低传播数据的需求，因此具有很大的应用潜力。然而，由于观察点数量一般较少，观测数据并不完整，这种方法的定位准确率较低，很难应用于真实网络中复杂传播过程。

本发明提出的方法结合了两种方法的优势，基于部分观察方法，利用节点间的有效距离进行定位，能够在监测少量观察点的前提下哦，以较小的监测代价，有效地提高源点定位的准确率。

发明内容