Kompleksna omrežja

Zadnji desetletji sta bili priči spremembi paradigme v našem razumevanju medsebojne povezanosti v svetu, zahvaljujoč predstavitvam zapletenih naravnih, družbenih ali tehnoloških sistemov s pomočjo elegantnih modelov v obliki kompleksnih omrežij. Nasploh se mnogo hitro razvijajočih se področij 21. stoletja, kot npr. nevroznanost in biologija sistemov raziskovalno osredotoča na pojave, ki so prepleteni na več različnih nivojih kompleksnosti. To je tudi razlog, da je Stephen Hawking pripomnil, da bo to “stoletje kompleksnosti”, kar kaže na to, da je znanost o omrežjih bistvenega pomena. Raziskovanje pri nas temu valu sledi, zahvaljujoč tudi našemu programu, ki cilja predvsem na krepitev konkurenčnosti Slovenije na tem živahnem področju. V tem dokumentu predlagamo razširitev obstoječega raziskovalnega programa v skladu s smernicami trenutnega raziskovanja na najvišjem nivoju znanosti o omrežjih. Naše delo bo zajemalo dva osnovna stebra. Steber teoretične znanosti o omrežjih bo prispeval k trenutnemu razvoju metodologij, predvsem k oblikovanju celovitih in natančnih modelov, ki bodo preverljivi na realnih podatkih ter konstrukciji hevristik za NP-težke probleme v omrežjih, kot je npr. poravnava grafov in k-delno prirejanje. Jedro našega dela bodo obsežne simulacije, ki jih bomo izvajali na superračunalniku. V stebru Podatkovne znanosti in realna omrežja bo naše delo večinoma zajemalo računsko družboslovje, vključujoč ekonomska omrežja, korupcijske modele, scientometriko in dinamiko migracij, kot dodatek k področjim v povojih, npr. kulturomiki, množiciranju (crowdsourcing) ter industrijski simbiozi, nekaj pozornosti pa bo namenjene tudi analizi omrežij v biomedicini. Poseben poudarek bomo namenili medsebojnemu bogatenju metodoloških ogrodij med različnimi smermi v znanosti v omrežjih. S črpanjem sinergij med obema stebroma ter znotraj naše raziskovalne skupine, bodo naša prizadevanja prispevala k nadgraditvi najnovejših metodologij v več raziskovalnih smereh. Te bodo zelo verjetno vključevale računsko družboslovje, analizo omrežij bioloških podatkov in nekaj drugih smeri v znanosti o omrežjih. S spodbujanjem interdisciplinarnosti in organiziranjem znanstvenih dogodkov bomo okrepili naša sodelovanja po svetu, kar bo vodilo k novim rezultatom in projektom. Ker je študij kompleksnih omrežij pravzaprav študij realnega sveta, seveda pričakujemo, da bo imelo naše delo pomemben vpliv na družbeno, ekonomsko in kulturno življenje. Poudarjali bomo tehnološko pomembna dognanja, za katera bi lahko bil izkazan interes v gospodarstvu, pa tudi rezultate relevantne pri oblikovanju politik. Razvite računske metode bodo dane na voljo v obliki odprto-kodnih paketov. Ključen del našega dela bo intenzivna izmenjava mladih znanstvenikov, ne samo za krepitev znanstvene dejavnosti v Sloveniji, pač pa tudi za večjo pretočnost idej izven in v naši državi. Poleg glavnih znanstvenih prizorišč, bomo posebno pozornost namenili razširjanju naših rezultatov širši javnosti v medijih.

Znanost o omrežjih se je razvila z integracijo področij teorije grafov in analize socialnih omrežij ter nedavnimi empiričnimi spoznanji koncepta univerzalnosti v realnih kompleksnih sistemih. Paradigma kompleksnih omrežij ponuja elegantno pot za študij naravoslovnih, družbenih in tehnoloških sistemov, ki so sestavljeni iz množice medsebojno povezanih elementov. Dvajseto stoletje je bilo zapisano znanstvenemu redukcionizmu, medtem ko se danes soočamo s porastom raziskovanja fenomena emergentnosti. Zdi se, da mnenje Stephena Hawkinga, da je “enaindvajseto stoletje stoletje kompleksnosti” sodi natančno v ta kontekst. Število znanstvenih člankov slovenskih raziskovalcev, ki imajo v naslovu ključno besedo “kompleksno omrežje” je poraslo s 150 v letu 2001 na kar 2500 člankov v letu 2015. Ta trend narekuje, da področje kompleksnih omrežij ostaja dinamična in hkrati hitro rastoča znanstvena domena. Cilj našega raziskovalnega programa je povečanje kompetentnosti naše države na področju znanosti o omrežjih ter jo pripeljati ob bok najbolj razvitim državam na tem področju. Program sestavljata dva raziskovalna stebra: teoretična znanost o omrežjih in znanost o podatkih ter realnih omrežjih. Izbira raziskovalnih smeri vključuje intenzivno dosedanje delo, kot je npr. modeliranje omrežij in simulacije omrežij, optimizacijski problemi v omrežjih, grafovske mere ter tudi raziskovanje na šele porajajočih znanstvenih področjih kot je npr. računsko družboslovje in analiza omrežij v biomedicini. Raziskovalni program je dobro časovno umeščen in ponuja pomembne prispevke k domenskemu znanju. Pomembna je tudi interdisciplinarnost programa; naša skupina je sestavljena s strokovnjakov s področja matematike, računalniških znanosti, računske statistike, fizike, biologije in nevroznanosti. Skozi vrsto domačih in mednarodnih sodelovanj raziskovalcev z različnih področij bomo prispevali k večji povezanosti raziskovalcev s področja kompleksnih omrežij. Izvirnost raziskovalnega programa potrjuje dejstvo, da je grajen na najnovejših rezultatih na hitro rastočem znanstvenem področju, ki odpira široko paleto možnosti za nadaljnje delo. Naša ideja temelji na navzkrižnem opraševanju različnih raziskovalnih področij in ima velik potencial, saj v svetu še ni uveljavljena. Izvirnost raziskovalnega programa je v teoretičnem stebru predvsem metodološka in zlasti vsebinska v podatkovnem stebru raziskav. Najnovejša metodologija raziskovanja v znanosti o omrežjih temelji na matematiki, statistiki, fiziki in računskih znanostih, ki le redkokdaj najdejo pravi jezik med seboj. Naša raziskovalna niša je iskanje raziskovalnega prostora med temi znanostmi. V smislu modeliranja omrežij se tako ukvarjamo z vzporednim procesiranjem velikih kompleksnih sistemov na superračunalniku. Novi rekonstrukcijski algoritmi zahtevajo sodelovanja tako fizikov kot ekspertov s področja strojnega učenja. V matematičnem smislu bomo razvijali nove hevristike in metahevristike, npr. za odkrivanje vnaprej podanih podomrežij. Analiza masivnih podatkov o omrežjih nam dandanes omogoča kvantitativno spoznavanje različnih naravoslovnih in družbenih problemov. Migracijski modeli v najširšem smislu (vključujoč npr. nevroznanstvene rezultate o reakcijah na tujce) dajejo motivacijo za širjenje raziskovalnih obzorij med narovoslovnimi in družboslovnimi znanostmi. Enako lahko trdimo za ekonomske probleme, ki bodo pripeljali do nove vede – sistemske ekonomije, znanstvene discipline navdahnjene z uspehom sistemske biologije, ki bo holistično integrirala vse obraze ekonomskih fenomenov. Na področju biomedicine vznika koncept omrežne medicine, ki poskuša zgraditi mapo bolezni človeka (angl. diseasome) – omrežje, ki bo povezalo človeške bolezni in vzroke zanje in kjer bo prišla analiza komplesnih omrežij še kako prav.

Študij kompleksnih omrežij je študij sveta v katerem živimo – družba ni nič drugega kot omrežje posameznikov. Zato je naravno pričakovati, da so naša znanstvena prizadevanja povezana s trenutnimi družbenimi in ekonomskimi potrebami. Rezultati našega dela bodo imeli vpliv na vrsto ekonomskih sektorjev, vključujoč visokotehnološka podjetja s področij biotehnologije, farmacije in komunikacij, na katerih ima Slovenija dolgo in uspešno preteklost. Na področju računskega družboslovja bodo naši rezultati zanimivi predvsem za načrtovalce javnih politik in širšo javnost, saj se bodo dotikali socialnih fenomenov, ki nam bodo pomagali bolje razumeti družbeno dinamiko. Poleg golega znanstvenega prispevka, bodo naši rezultati dolgoročno vplivali na razvoj Slovenije. Interdiciplinarno delo in organizacija znanstvenih dogodkov bo krepila našo mednarodno povezanost, ki trenutno obsega sodelovanje z Oxford University, Harvard University, Imperial College London, UCL, Boston University University of California Santa Barbara, National University of Singapore, East Chine University of Science in Tokyo University. Pomemben del našega dela vključuje izmenjavo mladih raziskovalcev, kar bo pripomoglo ne le k bogatenju znanstvene misli pri nas, pač pa tudi k izmenjavi idej z mednarodnim okoljem. Posledično se bodo s tem povečale možnosti za nove EU projekte ter s tem dotok novih sredstev v državo. Lani smo organizirali že sedmo ITIS konferenco, vsakoletno mednarodno druženje raziskovalcev s področja računskih in družbenih znanosti. Prav tako smo bili aktivni pri organizaciji dogodka Noč raziskovalcev – predstavitve znanstvenih aktivnosti z delavnicami, javnimi predavanji in odprtimi vrati raziskovalnih laboratorijev. Vse to posledično vpliva na slovenski izobraževalni sistem, tako da privablja nov izobraževalni potencial v državo. Zaradi interdisciplinarnega značaja predstavljenega programa, bo naše delo po vsej verjetnosti vplivalo tudi na druge znanstvene discipline, od katerih so mnoge že v svetovnem vrhu. Organizacija znanstvenih srečanj in konferenc bo izboljšala medsebojne povezave med slovenskimi raziskovalci, prav tako tudi njihove povezave z mednarodnimi raziskovalnimi središči. Z gradnjo ugleda slovenske znanosti v svetu bomo pripomogli tudi k dvigu moderne znanstvene misli pri nas. Uspešno smo vključeni v urejanje rubrike »TOPobjave« na slovenskem spletnem portalu Metina lista, kjer na poljuden način predstavljamo povzetke najomevnejših del slovenskih raziskovalcev. Naša izkušnja ob tem je, da je javno zavedanje o uspešnosti slovenske znanosti zelo slabo. Zaradi tega bomo dali velik poudarek na razširjanje svojega lastnega dela in dela celotne slovenske skupnosti v lokalnih in nacionalnih medijih. To ne bo obogatilo le naše znanstvene kulture, pač pa tudi slovenski jezik, saj je ustrezen prevod novih znanstvenih izrazov obveza vsakega raziskovalca.