反应渗透网络结构控制研究

Reaction-diffusion process is considered to play very important role in the evolution of many complex systems. Recently, with the fast development of computer technology and the extensive study of particle dynamics on complex networks, researchers revealed that the same reaction-diffusion process may behave quite differently in discrete diffusion spaces with different structure, that is, the structure of diffusion network can significantly influence the reaction results. Enlightened by this phenomenon, this project will focus on the inverse problem and propose the framework to study structural control of reaction-diffusion networks. In this framework, researchers can control the proportions of different reaction products by adjusting the diffusion network structure. Meanwhile, this project will provide several structural control schemes and further verify their efficiency by theoretical analysis and simulation experiments. This research can not only provide more essential explanation for heterogeneous structure of many complex networks than those pure topological rules, but also be applied in various areas such as microfabrication industries, epidemic control and so on, with the development of nanotechnology and the interdisciplinary essence of the reaction-diffusion model (many dynamics such as chemical reaction, virus spreading, population evolution, and biological pattern formation, can be modelled by reaction-diffusion process).

反应渗透过程被认为在很多复杂系统的演化进程中起着举足轻重的作用。近年来，随着计算机技术的快速发展以及复杂网络上粒子动力学研究的广泛展开，研究者发现：同一个反应渗透过程在不同结构的离散渗透空间中表现行为迥异，即渗透网络结构能极大地影响最终的反应结果。鉴于此，本项目着眼于其反问题，提出了反应渗透网络结构控制的整体框架，在此框架下，研究者可以通过改变渗透网络结构来达到控制最终不同反应产物比例的目的。与此同时，给出了若干种结构控制策略，并通过理论分析和仿真实验验证了它们的性能。该研究不仅可以在理论上为现实世界大量存在的复杂网络异质结构提供比纯拓扑规则更为本质的解释，同时由于纳米技术的发展以及反应渗透模型本身具有的多学科交叉特点（化学反应、病毒传播、种群演化、生物体斑纹形成等均可以用反应渗透过程建模），可以预见该研究也将在诸多包括微化工、传染病控制等领域具有实质的应用前景。

反应渗透过程被认为在很多复杂系统的演化进程中起着举足轻重的作用。本项目提出了反应渗透网络结构控制的整体框架。在此框架下，研究者可以通过改变渗透网络结构来达到控制最终不同反应产物比例的目的。与此同时，给出了四种结构控制策略：无权反应渗透网络拓扑随机控制策略，无权反应渗透网络拓扑优化控制策略，加权反应渗透网络权重随机控制策略，加权反应渗透网络权重优化控制策略，并通过理论分析和仿真实验验证了它们的性能。除此之外，鉴于分层网络和网络实证研究在近几年逐渐成为网络科学中的研究热点，我们结合本项目也对这些领域做了一些探索性的研究，主要包括双层网络反应渗透动力学，合作竞争网络一致性及控制，多层社会网络实证研究等几部分内容。自本项目资助开始至今，课题组共发表基金资助学术论文17篇，其中国际SCI期刊论文11篇，CCF-A类国际顶级会议3篇；总计授权相关发明专利2项，受理相关发明专利3项。通过本项目的实施，共培养了1名博士后、1名博士生，以及4名硕士生，另有2名在读硕士获得了本项目的资助；组织项目组成员总计参加4次国际会议和10次国内会议，1人次赴美国加州大学戴维斯分校访学，本人总计做了10次口头报告，与网络科学、软件工程等领域的学者进行了深入的交流。整体而言，超额完成了预定目标。