Community detection and resource assignment in interdependent systems via complex network analysis
Authors: Τσιτσεκλής Κωνσταντίνος 
Published: November 2021

Η παρούσα διατριβή εστιάζει στην ανάπτυξη καινοτόμων τεχνικών με σκοπό την ανακάλυψη των σχέσεων και των κρυφών συσχετίσεων μεταξύ των οντοτήτων σύνθετων συστημάτων. Τα συστήματα αυτά αποτελούνται από διάφορους τύπους συσκευών αλλά και ανθρώπους. Ακόμα η διατριβή εστιάζει και στην ανάθεση πόρων στις οντότητες ενός σύνθετου συστήματος. Για να επιτευχθούν αυτοί οι στόχοι, οι προτεινόμενες μέθοδοι λαμβάνον υπόψιν την αλληλεξάρτηση και τις ποικίλες σχέσεις μεταξύ των πολλών διαφορετικών οντοτήτων. Αυτές οι μέθοδοι βασίζονται σε τεχνικές και εργαλεία από τους τομείς της θεωρίας γραφημάτων και της ανάλυσης κοινωνικών δικτύων. Συστήματα σαν αυτά που μελετώνται σε αυτήν τη διατριβή, παρατηρούνται σε σύγχρονα διασυνδεδεμένα περιβάλλοντα όπως αυτά που αποτελούν οι Έξυπνες Πόλεις και αναμένεται να γίνουν ακόμα περισσότερα στο μέλλον. Αυτά τα συστήματα συνδυάζουν τη λειτουργία μεγάλων υποδομών με τις ενέργειες και τις απαιτήσεις των ανθρώπων που αποκτούν πρόσβαση σε αυτές. Για την ανεμπόδιστη λειτουργία τέτοιων τοπολογιών, οι διαχειριστές του δικτύου πρέπει να είναι σε θέση να επιθεωρούν τα δεδομένα που παράγονται, να εντοπίζουν πιθανώς περιττό υλικό και να ανακαλύπτουν παρόμοιες περιοχές. Ακόμα, οι άνθρωποι που χρησιμοποιούν τέτοια περιβάλλοντα χρειάζεται να έχουν γρήγορη πρόσβαση σε δεδομένα αλλά και να έχουν τη δυνατότητα να μαθαίνουν σχετικά με εφαρμογές που θα κρατήσουν την ποιότητα της εμπειρίας που απολαμβάνουν σε υψηλά επίπεδα. Αυτές οι οντότητες (άνθρωποι, συσκευές, μετρήσεις) είναι τα στοιχεία που αποτελούν τα σύνθετα συστήματα και σχετίζονται μεταξύ τους με πολλούς τρόπους, δημιουργώντας πολυ-επίπεδα σύνθετα δίκτυα τα οποία χρειάζονται τα κατάλληλα εργαλεία για την ανάλυσή τους. Με σκοπό τη δημιουργία ενός πλαισίου μεθόδων που θα ικανοποιεί τους παραπάνω στόχους, αυτή η διατριβή εστιάζει στα προβλήματα της ανίχνευσης κοινοτήτων και της ανάθεσης πόρων σε αλληλοεξαρτώμενα και διασυνδεδεμένα περιβάλλοντα. Η ανακάλυψη σημαντικών προβλημάτων στις περιοχές αυτές και η ανάπτυξη κατάλληλων λύσεων μπορεί να βοηθήσει στην ανακάλυψη ομάδων από παραπλήσιες συσκευές οι οποίες λειτουργούν σε αυτά τα περιβάλλοντα, ομάδων από παρόμοιους χρήστες καθώς και να ξεχωρίσει τους πιο επιδραστικούς από αυτούς από τη σκοπιά της διάχυσης πληροφορίας. Για τον σκοπό της εξεύρεσης συστάδων από δεδομένα προερχόμενα από την υποδομή του περιβάλλοντος αλλά και της ανακάλυψης κοινοτήτων ατόμων σε Διαδικτυακά Κοινωνικά Δίκτυα (ΔΚΔ, Online Social Networks) τα οποία αποτελούν μέρος τέτοιων συστημάτων, παρουσιάζεται αλγόριθμος ανίχνευσης κοινοτήτων που έχει συνδεθεί με κατάλληλη βάση-γράφο για τη λειτουργία του. Ακόμα, παρουσιάζεται ένα νέο πλαίσιο με σκοπό τη μετατροπή ενός προβλήματος εξεύρεσης συστάδων σε πρόβλημα ανίχνευσης κοινοτήτων. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος καταφέρνει να εντοπίζει συστάδες από δεδομένα που έχουν νόημα, υπερκεράζοντας σε ακρίβεια παραδοσιακές μεθόδους για τη συσταδοποίηση, καθώς και να ανιχνεύει κοινότητες σε ΔΚΔ που οδηγούν σε υψηλές τιμές αρθρωτότητας. Ο αλγόριθμος αυτός είναι εμπνευσμένος από τον γνωστό αλγόριθμο ανίχνευσης κοινοτήτων των Girvan-Newman (GN) και καταφέρνει να ολοκληρώνει γρηγορότερα αρκετές λειτουργίες βασιζόμενος στην ενσωμάτωση του δικτύου στον υπερβολικό γεωμετρικό χώρο και χρησιμοποιώντας μια προσεγγιστική μετρική για την εκτίμηση της κεντρικότητας ενδιαμεσικότητας ακμής. Σε συνδυασμό με την αφαίρεση ακμών κατά δέσμες, αντί για μοναδικής όπως στον GN και κάνοντας χρήση μιας βάσης δεδομένων-γράφο (graph database), αποτελεί μια πιο βιώσιμη προσέγγιση για μεγάλα δίκτυα από ότι ο GN. Μέσω της αξιολόγησης του αλγορίθμου σε πραγματικά και συνθετικά δεδομένα γίνονται ορατά τα πλεονεκτήματα της προτεινόμενης μεθόδου. Μελετώντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των χρηστών των διασυνδεδεμένων περιβαλλόντων που πραγματοποιούνται με τη διαμεσολάβηση των Κοινωνικών Δικτύων, το ζήτημα της μελέτης της διάδοσης της πληροφορίας εντός του κοινωνικού δικτύου ξεχωρίζει ως ένα από τα πλέον σημαντικά για την εκτίμηση της διάδοσης συστάσεων με αφετηρία ορισμένους κατάλληλα επιλεγμένους χρήστες. Θεωρώντας ότι κάθε χρήστης παρουσιάζει ένα ποσό συνάφειας με κάθε πιθανό αντικείμενο για σύσταση, το πρόβλημα της ανάθεσης συστάσεων μοντελοποιείται ως ένα πρόβλημα μεγιστοποίησης της συνάφειας αυτής. Σε αντίθεση με προηγούμενες δουλειές, για πρώτη φορά, ο σεβασμός της ανοχής του χρήστη σε συστάσεις αποτελεί κομβικό σημείο. Επιβάλλονται σύνθετοι περιορισμοί ανά χρήστη, τόσο ως προς το πλήθος των επαναλαμβανόμενων συστάσεων ανά αντικείμενο όσο και ως προς το πλήθος των διαφορετικών αντικειμένων που μπορούν να προταθούν. Το πρόβλημα αυτό αποδεικνύεται ότι είναι υπολογιστικά δύσκολο, καθώς αποτελείται από ένα πρόβλημα που ανήκει στην κλάση προβλημάτων NP-hard με επιπλέον περιορισμούς. Για να αντιμετωπιστεί αυτή η υπολογιστική δυσκολία, το πρόβλημα χωρίζεται σε δύο υπο-προβλήματα τα οποία επιλύονται με άπληστους αλγορίθμους με τον συνδυασμό τους να επιτυγχάνει υψηλό σκορ συνάφειας, ενώ παράλληλα σέβεται τους περιορισμούς. Με σκοπό την έγκαιρη λήψη δεδομένων από τους χρήστες, που οδηγεί στην αύξηση της ποιότητας της εμπειρίας (ΠτΕ, Quality of Experience), αναπτύχθηκαν διάφορα σχήματα για την προσωρινή αποθήκευση δεδομένων στα άκρα του δικτύου, τα οποία χρησιμοποιούν περιορισμένο χώρο μνήμης σε συσκευές χρηστών. Η γνώση που αποκομίζεται από τη λειτουργία συστημάτων συστάσεων για τις προτιμήσεις κάθε χρήστη είναι χρήσιμη για την πρόβλεψη της ζήτησης κάθε αντικειμένου. Για να αποφασιστεί η βέλτιστη κατανομή περιεχομένου σε κάθε συσκευή χρήστη επιλύεται ένα πρόβλημα μεγιστοποίησης της ευστοχίας του αποθηκευμένου περιεχομένου. Στο πλαίσιο της διατριβής εξετάζεται διαφορετικό πλήθος συσκευών με δυνατότητα αποθήκευσης αλλά και διαφορετικές πολιτικές ως προς τον χρόνο αποθήκευσης. Εξετάζονται τόσο πρακτικές προκαταβολικής αποθήκευσης (proactive caching) όσο και δυναμικής (reactive caching). Τα αυξημένα ποσοστά καταδεικνύουν τα πλεονεκτήματα της χρήσης χώρου μνήμης από τις συσκευές των χρηστών καθώς και την ανάγκη μια συσκευή να λαμβάνει υπ' όψιν τα πιθανά αιτήματα των γειτονικών της χρηστών. Επιπλέον, εξετάστηκε ο συνδυασμός των συστάσεων που παρέχονται από ένα σύστημα συστάσεων με το ζήτημα της προσωρινής αποθήκευσης σε ορισμένους χρήστες, λαμβάνοντας υπόψιν την κινητικότητα των χρηστών εντός του υπό εξέταση χώρου. Η ΠτΕ θεωρείται συνάρτηση του χρόνου αναμονής του χρήστη και της συνάφειας των συστάσεων που του γίνονται. Το πρόβλημα μεγιστοποίησης της ΠτΕ μοντελοποιείται ως ένα πρόβλημα της κλάσης πολυπλοκότητας NP-hard και προτείνεται ένας άπληστος αλγόριθμος για την επίλυσή του, ο οποίος συγκρίνεται με προσεγγιστικό αλγόριθμο. Κατά τη σύγκριση των μεθόδων αναλύονται τα πλεονεκτήματα του προτεινόμενου αλγορίθμου ως προς τον χρόνο εκτέλεσης αλλά και την ποιότητα της ευρισκόμενης λύσης ως προς τη συνολική παραγόμενη ΠτΕ. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται συνοπτικά οι μεθοδολογίες, υπογραμμίζοντας τη συνεισφορά τους στη διατριβή. Έπειτα, κάθε Κεφάλαιο της διατριβής εστιάζει σε ένα από τα προαναφερθέντα προβλήματα, αναφέρονται συναφείς εργασίες στους αντίστοιχους τομείς και παρουσιάζονται λεπτομερώς οι προτεινόμενες λύσεις μαζί με ενδεικτικά αποτελέσματα που αποδεικνύουν τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από την υιοθέτησή τους.