网络信息传播动力学研究

2009年装备指挥技术学院学报June 2009第20卷第3期Journal of the Academy of Equipment Command TechnologyVol 20 No. 3网络信息传播动力学研究贺筱媛,胡晓峰,司光亚,罗批(国防大学信息作战与指挥训练教研部,北京100091)摘要:对网络传播机理建模是运用网络和实施控制的基础。针对Web信息传播系统特有的复杂性,借鉴社会物理学的基本思想,对网络状态进行了离散化定义,并根据单信息源传播与机械波类比特征的相似性,提出了一种网站传播影响强度模型,从微观层面模拟网民个体在瞬态时间点上与离散的网站个体交互时,网络传播系统各动力学因子对网民传播行为的动态影响力;在此基础上,采用蒙特卡罗法将该模型与基于 Agent仿真模型的个体交互规则相结合,建立了Web信息传播仿真模型。模型的运行结果能很好与实证研究相互印证,为类似问题的建模提供了一种新的思路关键词:复杂网络;信息传播机制;社会物理学;微观动力学建模中图分类号:E911;TP391.9文章编号:1673-01272009)03-008506文献标识码:ADOI:10.3783/j.issn.1673-0127.2009.03.020Dynamics Research of Information Diffusion on the InternetHE Xiaoyuan, HU Xiaofeng, SI Guangya, LUO Piepartment of Information Operation & Command Training, NDU of PLA, Beijing 100091, China)Abstract: Modeling the mechanism of information diffusion is the basis of handling and control-ling network. a discrete definition, which is aiming at the specific complicacy of web information, isgiven to the network state, some basic ideas from social physics is also used as reference. Based on thecharacter similarity between information diffusion of a single information source and mechanicalwaves,a model of influence intensity on network diffusion is presented. This model simulated the dynamical influence of every dynamical factors in the diffusion system on web user, when he/she interactwith discrete nework at microscopic level. With Monte-Carlo method and combined this model with a-gent-based interact rules, a web information diffusion simulation model is built. The running resultsare well consist of real empirical results. This model provides a new approach for similar modeling.Key words: complex network; mechanism of information diffusion; social physics; microcosmicdynamics model因特网以其前所未有的传播优势和巨大影响具特色的、新的作战样式。但是,由于目前对网络力,已成为信息社会拥有强大社会影响力和舆论传播机理尚没有完全掌握,对危机条件下敏感信动员力的重要传播工具。尤其在战争期间,基于息的破坏性尚无法控制,传统的研究方法还多属网络媒体实施的輿论战、新闻战等,已成为一种独于直接对网络特性进行实证研究。因此,建立起收稿日期:2008-12-19基金项目:网家自然科学基金资助项目(60774035)作者简介:贺筱幔,女,博士研究生,主要研究方向:战争模拟系统与环境中国煤化工CNMHG装备指挥技术学院学报网络信息传播的动力学模型,采用仿真方法对危行为和运行轨迹揭示这一复杂巨系统的内在规机条件下网络信息传播机理进行研究,不仅十分律、运行机制的目的。重要,而且可能是唯一可行的方法。一般的传播尤其值得关注的是,近年来兴起的现代社会模型常用微分方程的形式加以描述,例如疾病传物理学,将数学、物理学生物学的原理和方法,与播。但从宏观上讲,对于web信息传播系统建复杂系统、复杂网络等复杂性科学的前沿成果相立类似的微分方程动力学模型是不可行的。这是结合,对传统方法难以量化的复杂社会系统及行因为,基于web的信息传播是复杂信息网络与复为进行了定量分析式深度研究。 John Clippinger杂社会网络相互作用、共同演化的非线性动力学利用针对海量微观粒子的量子力学原理,研究了过程,存在大量不确定的、复杂交互因素的影响,自发社会网络的形成机理和适应规则;科隆大而基于微分方程的宏观动力学模型无法反映重重学物理学教授 Stauffer将生物学、物理学等自然细节复杂性、结构复杂性到适应复杂性各不同层科学与社会学相结合,并采用计算机仿真模拟,研次的复杂性要求。针对这一问题,近年来复杂系究了社会系统中观点形成和演化【,及輿论形统的研究提供了一种崭新的超越还原论思想的建成的动力学机制。;意大利卡塔尼亚大学 Puchi模方法:为系统设定一些规则,让系统在一定的环no等人将耦合震荡子的频率引入生物系统中同境下自发演化,然后考察系统演化过程中涌现出步化思想的研究,构建了輿论演化率模型”;来的若干性质。这种用基于局部个体空间相互作 Philip ball.用物理学理论研究了社会群体行为用的微观离散动力学模型代替宏观的整体模型的的内在规律,提出了用于对社会稳定态势和社会方法,已成为研究复杂系统整体行为的非常有效安全水平进行定量识别及有效测定的“社会能量的手段,并在计算机病毒传播、传染病传播、危机理论;中国科学院牛文元借鉴物理学和化学信息传播研究中取得了不少成果23。鉴于网络对燃烧现象,研究了社会“活化能”与“社会温度”信息传播特有的复杂性,本文提出了一种新的建的分析理论,提出了测量和评价社会和谐程度的模方法和思路社会和谐方程。上述成果注重从微观上的随1杜会物理学视角下的网络信息机性和无序性上寻求宏观上的可认知和可观控,传播为定量研究个体“适应性”的动力学机制提供了非常有益的借鉴1.1社会物理学及研究方法1.2单信息源传播与物理振动的类比社会物理学( social physics是应用自然科学网络信息环境变化莫测,但每时每刻都有形(以物理学为核心)的思路、概念、原理和方法,经形色色的网民个体与网络中的各个网站交互,并过有效拓展、合理融汇和理性修正,来揭示、模拟、在网站的影响下,以自己特有的偏好和行为习惯移植、解释和寻求社会行为规律和经济运行规律进行信息传播,使网络信息环境随时处于动态的的交叉性学科。社会物理学对现实问题的探索演化过程之中。受社会物理学的启发,可以认为遵从一定的理论模式,具有严密的逻辑推演,其核网民传播行为的不确定性是Web演化的根本动心思想是基于对以下基本规律的认同:①无论是力,而行为的不确定性根源是构成网络传播系统自然系统还是人文系统,无一例外地随处(空间)的微观实体之间随处(空间)随时(时间)都存在着随时(时间)都存在着绝对的“差异性”;②只要存的“差异性”。在各种“差异”或“差异集合”必然产生广义的“梯为了观察实体在空间和时间上的“差异性”,度”;③只要存在广义的“梯度”,必然产生广义的将网站和网民看作构成系统的微观粒子,对网络“力”;④只要存在广义的“力”,必然产生广义的信息传播系统的状态和时间进行离散化处理,把“流”;⑤广义流组成了“自然一经济一社会”的问题“网络传播系统最终的涌现性效果是怎样出时空复杂过程”。社会物理学着重研究广义“流”现的”,转换为更易观察、理解的问题“系统中具有的存在形式、演化方向、表现强度、运行速率波动不同属性的微观实体是如何相互影响、相互作用周期、振动幅度、出现几率、扩展空间等本质特征的性和本征行为,以及各种广义“流”在相空间中相单互作用、相互结合的基本特性和规律。从而达到之处H中国煤化工则每个网站作为传导有诸多相似CNMHG定量刻画“自然一经济一社会”复杂巨系统的时空振动物体在外力(使其产生压缩形变或扩张第3期贺筱媛,等:网络信息传播动力学研究形变)作用下使其质点离开平衡位置,又在弹性力2.1网站节点状态的离散化作用下返回平衡位置。质点离开平衡位置即产生基于以上分析,形式化地,令Web信息传播势能,外力解除后势能又会逐渐转化为使它回到系统W={S,N},其中:S为网站集合;N为网民衡位置的动能,形成了势能与动能的周期性变集合。S={S}={s×d}(i=1,2,…),其中:5换。相应的,如果把信息在某平台上的发布当作为网站;d4为s;在Web中的节点度;t为网站个“振源”,则信息的能量(信息对用户的价值)与平数;N={N1,N2,…N}Gj=1,2,…);为网民人台能量(平台对用户的影响力)的结合即为振动质数;目标信息Ⅰ的价值由信息内容的重要度决定。点的质量;“振动能量”来自于此信息源被大量网下面以网站S为例,分析各种影响要素及网民传民自发的随机的访问和传播,使网站的状态不断播行为驱动下,网站个体微观状态的动态演化。发生演化,并形成新的、更多的次级振源;网络平当信息Ⅰ尚未在网站S,发布时,S处于其台的开放性、动态性及网民关注力的非持续性使“平衡位置”p(O),此时S的形变势能为网络媒介具备了“弹性”介质的特征;信息传播行EP∝cf(S)为只是“相位传播”,即只是“振源能量”和“振动状f(S,)d(2)态”的传播,并没有改变媒介的位置和固有属性。当然,如果从宏观层面看待Web网信息的传式中:f(S)为网站影响力函数;d∝,其中,r播过程,则网络传播会表现出某些特殊性,包括网是将Web中节点按降序排列节点v的序列号,R络媒介的非“连续”性。由于个体信息传播路径是是秩指数常数。式(1)和式(2)可理解为:由于网由网民自适应行为所确定,并不受超链接的限制,站S的固有影响力,无论其是否发布信息,单位因此宏观上网络信息的传播会表现出“星火燎原”时间内的登录人数的统计值是相对平稳的,这就般的随机性蔓延,而并不会出现Web相邻节点振是网站平衡位置”的物理意义。但f(s)的值并动状态的连续依次传播现象;信息波源振动的非不是一成不变的,在某主题目标信息传播的过程周期性。从微观层来看,网络中某网站的“振动能中,网民群体行为的涌现性作用会使整个网络发量”是来自于信息价值驱动下大量网民的传播行生演化,从而进一步影响网民的行为。为,与访问该网站的网民对信息的关注程度成正当t时刻信息I在网站S;发布时,S位置状比。因此,即使是在同一时刻发布信息的2个网态变为p(),S,偏离了平衡位置,此时S,的形变站,各信息源的“振幅”、回归“平衡位置”的速度均势能为不相同。同时,在网站的海量信息存储能力和信P.∝cg;(t)息检索功能的支持下,信息波的振动曲线将无限趋近于“平衡位置”,而不会出现负值式中:g(t)为信息的时变价值函数;为网络信息的时效性特征标度试因子值,体现“三分钟热度2基于振动方程的网络传播动力学新闻时效性机理;v为信息I在量化价值模型在t+△t时刻,登录S的网民Na≌N。如果在式(3)EP的作用下发生了传播行为,将使S网民行为除了与信息内容、网站的影响力等产生位移,S,的状态变为p,(t+△t),同时,网民确定性客观因素相关外,还与信息的时效性网民N+的传播行为所提供振动能量将使S,的形变的从众心理等时变性或非确定性因素相关,而网势能变改变为民对这些影响因素的感知和判断,是在与网站交互时,通过对网站状态的理解而获得的。这样,就E=∑N可以将网民传播行为理解为以上各类影响要素式(5)描述了在式(1)和式(4)的基础上,S1(变量)所产生的综合的、随机的、累积的“能量”在所累积起来的形变势能。但式中只形式化地描述网民与网站交互时的“瞬间”传递和释放。因此,了网络传播的动力学机理和网民传播行为与网络描述网络传播的微观动力学过程时,除了用状态演化的中国煤化工既是网络演化模型来离散化描述网络节点的状态外,还要确定的根本CNMH番行为的结果。网民与网站交互时各影响因素对网民行为的综合Ep值虽然是作用于网民行为的动因,但与物理域的机械波在装备指挥技术学院学报2009年连续媒介的传播过程屮动能、势能之和,即总能量力的作用;④网站的议程度—改变信息时效性的守恒法则不同,信息波的势能E并不是通过衰减的特征标度值(见式(4)),综合体现议程设某个网民的行为直接转化、释放掉,而是随着网络置搜索引擎等网络行为的作用信息时效性价值g(t)的衰减,使P的状态逐步3)鉴于单信息源传播与物理波传播相似特回归并无限逼近平衡位置,这一点正是信息与物性,可借鉴物理学中的粒子性(如振幅频率和相质的根本性区别。位等)来映射传播系统中的各影响因素,并借助物2.2网站传播影响强度模型理学中的波动性(振动方程),来定义SDIF式(1)、式(3)、式(5)依据网络传播过程中影振动方程描述了质点的振动位移或振动能量响网民行为的各动力学因子的综合作用,将Web随时间的变化关系,振动方程的基本形式为任一网站S∈S在任一时刻t的状态表示为基于网站“势能”的二维空间中的离散点,这些离散点如图1所示(砌1、t2为2条振动波曲线;x1既是对网络动态演化图谱的刻画,又是对任一时x2、n1、n2分别为其投射在圆周上的对应夹角邻边刻网民与网站这2类异质节点的交互动力学机制和斜边),按三角函数定义进行变换后可得的形式化描述。按照上节分析,网络传播行为可解释为各种y=Ax2影响要素综合积累起来所产生的“势能”,在下其中:振幅A是质点离开平衡位置的最大距离刻网民与网站交互的“瞬间”,转换为影响网民传与质点的质量相关;x/r代表相位g,反映了质点播行为的“动能”。但是,“势能”只是作用于网民的速度及质点在某一时刻的位移思维和感知的“外力”是对各节点所具有的影响能力”的客观描述。为此,本文构建了“网络传播影响强度”( site diffusion impact factor,SDIF)模型,采用蒙特卡罗法建立概率模型,来量化传播系统的“力学量”与“信息运动”的随机过程之间的数学关系。基于SDIF的Web传播系统的离散微观动力学方程可表示为图1振动方程的矢量曲线图P,(t+1)=fso(E(t),b(t),t)(6)依据振动方程各关键矢量的物理意义,联立其中:P(t)、EP(1)同前;|S|为Web网站个数式(2)和式(4),SDIF模型的动力学式子定义为N|为网民人数。fs决定了t时刻网站S,在状∑r+x∑态P(1)下,系统各“力学量”对网民的综合影响(t)=f(S1)×g(t)力;b(t)为t时刻网民NCN在此综合影响力作用下所选择的“信息运动”模式。SDIF模型的定义过程如下式中:f(S)见式(2);a、B为网民N,的随机从众1)分析网络的“信息运动”。针对网络传播系数;4为登录网民数整数;为网民浏览数整行为对传播网演化的作用机理及网民的行为动数;c为网民评论数整数;x(t)即En(t)作用下机,网民的传播行为可归结为“读”、“写”、“评网民传播信息的概率,即各动力学因子对传播行传”4种模式。网民具体采用何种行为模式将为的综合影响强度。采用 Agent的仿真模型,由基于SDIF的交互规g(t)=e×r×v(8)则来确定。其中:g;(t)是在式(4)基础上扩展了网站S的动2)分析某网站作为单信息源的“力学量”态属性以区别不同网站信息发布的时间差异,及影响网民传播行为的因素可归结为以下几类:访问用户对信息的总体关注度;是目标信息在息的重要度一决定信息的时效性价值;③网民减八的发布时间:x为目标信息在该网站的衰①网站的吸引度—决定登录S,的人数;②信网站中国煤化工s的受关注程的关注度—决定信息的阅读数、评论数复制传度CNMHG播数,以及意见领袖、网民群体行为等对网民关注λ,=Ae(9)第3期贺筱媛,等:网络信息传播动力学研究式中:~N(0,1)。不同的网站由于议程设置、体建模、仿真输出、实验管理、系统动力学仿真、参意见领袖”的作用、网站传播等随机因素,会造成与式仿真、模型库等功能,特別适合于研究随着时同一目标信息在不同网站受关注度的明显差异,间演化的复杂系统。 Net Logo提供了应用程序接关注度越高,信息时效性价值衰减系数越小,各网口,用户可以通过Java编程对 Netlogo进行外部站的λ,值将在仿真模型运行中动态确定控制或者扩展功能。 Netlogo操作系统由界面3实验结果及结论( interface)、程序模块( procedures)及操作说明( information)组成,用户可以通过系统提供的采用文中所研究的离散微观动力学模型,基 patch(es)、 turtle(s)及 observers这3类角色,来于多主体仿真平台 Netlogo实现了Web信息传构成自己的仿真模型系统。 Netlogo可通过网播仿真模型。址:http://ccl.northwesternedu/netlogo/免费Netlogo是一个由美国西北大学连接学习与下载。本文设计的Web信息传播仿真模型运行计算机建模中心( center for connected learning界面如图2所示,左侧上部为仿真参数、仿真运行and computer- based modeling,CCL)开发的多主控制,左侧下部为仿真数据输出,右侧为仿真可视体建模仿真集成环境,可以为研究人员提供多主化窗口。初她化设置=仿运行设置wsnl-pet.纯率及信息时效性价值图2万维网信息传播仿真模型运行界面图2中,右侧窗口显示传播过程中的关键站50。仿真实验变量设置:初始状态目标信息以点及其传播关系,不同形状的人形代表参与传播10%比例在Web网随机发布。信息价值v;为的不同类型的网民,辐轮状的圆代表已传播的网[0,10]区间上的整数,分别令v=1、v=5、v站,辐轮大小代表该网站在目标信息传播过程中10,其他仿真变量保持不变,输出各仿真步目标信的影响力,辐轮之间的连线代表网站之间的传播息在Web网的传播数量,则信息价值与感染网站关系。数量实验仿真实验统计数据及结果见图3及表1下面以不同重要度的信息在Web网的传播所示为例,利用 Net Logo中 Behavior Space提供的参仿真实验结果揭示了传播速度与信息价值之数扫描(“ parameter sweeping”)功能来观察该动间的时,增长速度随力学模型的运行。仿真实验环境的设置如下:网时间中国煤化工迹,尤其当信息站数量|S|=123网民数量N|=333,仿真步数扩散CNMHG表现出爆发性增step=120,每个参数配置运行次数 repetitions长趋势;而当v=1时随着时间的推移信息扩散装备指挥技术学院学报2009年范围并无明显的改变,意味着目标信息将很快被理,证明了该方法的可行性。湮没在“信息海洋”里。从图3中也可以看出,信息价值与传播速度之间并非简单的线性关系,但参考文献( References)其总体趋势可以反映出价值信息对传播结果的确门]汪小帆李翔,陈关荣复杂网络理论及其应用M北京定性影响作用,很好地体现了复杂系统理论“随机清华大学出版社,2006:7386性与确定性相统一”的思想。[2] SEEGER M W, SELLNOW M W, ULMER R R Commucations, organization and crisis [J]. 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