Uncovering structural, evolutionary and spreading-phenomena characteristics of complex networks and systems using statistical mechanics methods on real-world data

Abstract

Research, innovation and economic activities are intertwined complex systems that entail a wide range of human relations. These systems are in a state of constant mutual interaction and co-evolution with societies. On one hand, these activities are largely determined by the specific societal conditions and imposed regulations, on the other, they, in turn, influence and shape our everyday lives and living conditions in general. Naturally, our interest in optimizing these activities and their interrelations is great and everlasting. Understanding the structure and function of these systems, as well as identifying their advantages and shortcomings is a prerequisite to any pertinent optimization procedure applied. This thesis analyzes three such systems, one of each type of activities, by studying the corresponding extracted networks, with network theory techniques. It involves application of structural, temporal and spreading phenomena analysis methodology. Chapter 2 examines the structure of a network from the realm of research, the network of collaborations imprinted on the proposals submitted to the Framework Programmes 7 (FP7) European research funding scheme. Chapter 3 studies the spreading of a crisis on the global network of cities’ financial interactions, reflected on data of ownership relations between the firms harboured in the cities. Finally, in Chapter 4, a temporal analysis is performed on a network of collaborations formed through innovative activities, mirrored in the data of patents submitted to the European Patent Office (EPO).

Οι ερευνητικές και οικονομικές διεργασίες, καθώς και η ανάπτυξη καινοτομιών, αποτελούν τρία αλληλένδετα κοινωνικά πολύπλοκα συστήματα, τα οποία περιλαμβάνουν πολυποίκιλες ανθρώπινες σχέσεις. Τα κοινωνικά αυτά συστήματα βρίσκονται σε μία κατάσταση συνεχούς αλληλεπίδρασης και συνδιαμόρφωσης με την κοινωνία. Αφενός, οι διεργασίες αυτές ορίζονται εν πολλοίς από τις επικρατούσες κοινωνικές συνθήκες και τους κανονισμούς που οι κοινωνίες επιβάλλουν, αφετέρου, οι διεργασίες αυτές με τη σειρά τους επηρεάζουν και διαπλάθουν την καθημερινότητά μας και τις συνθήκες διαβίωσης. Κατά συνέπεια, το ενδιαφέρον μας γύρω από τη βελτιστοποίηση αυτών των διεργασιών είναι έκδηλο και αέναο. Η κατανόηση και ο εντοπισμός προβλημάτων, αλλά και επιτυχιών, των διεργασιών αυτών αποτελεί τη βάση της διαδικασίας βελτιστοποίησής τους. Στη διατριβή αυτή, αναλύονται τρία τέτοια αντιπροσωπευτικά συστήματα, ένα για κάθε τύπο αυτών των διεργασιών, μελετόντας τα αντίστοιχα παραγόμενα δίκτυα, χρησιμοποιώντας τεχνικές θεωρίας γράφων (δικτύων). Συγκεκριμένα, εφαρμόζονται μεθοδολογίες ανάλυσης της δομής και της εξέλιξης δικτύων, αλλά και φαινομένων διάδοσης πάνω σε αυτά. Στο κεφάλαιο 2 της διατριβής, εξετάζεται η δομή ενός δικτύου που αφορά στην έρευνα· το δίκτυο των ερευνητικών συνεργασιών που αποτυπώνονται στις ερευνητικές προτάσεις που έχουν υποβληθεί στο 7ο Πρόγραμμα – Πλαίσιο (7ο ΠΠ), Ευρωπαϊκό πρόγραμμα χρηματοδοτησης της έρευνας. Στο κεφάλαιο 3, η διατριβή πραγματεύεται ένα σύστημα οικονομικών διεργασιών. Ειδικότερα, μελετώνται οι συνθήκες διάδοσης μίας οικονομικής κρίσης στο παγκόσμιο δίκτυο των πόλεων και των μεταξύ τους οικονομικών αλληλεπιδράσεων, οι οποίες αλληλεπιδράσεις αντανακλώνται στα δεδομένα ιδιοκτησιακών σχέσεων εταιρειών που βρίσκονται εντός των πόλεων του δικτύου. Τέλος, στο κεφάλαιο 4, εξετάζεται ένα σύστημα διεργασιών ανάπτυξης καινοτομιών και συγκεκριμένα μελετώνται τα χαρακτηριστικά της χρονικής εξέλιξης του δικτύου των συνεργασιών που αναπτύσονται στα πλαίσια δημιουργίας καινοτομιών, οι οποίες συνεργασίες αντικατοπτρίζονται στα τα δεδομένα των πατεντών που έχουν υποβληθεί στο Ευρωπαϊκό Γραφείο Διπλωμάτων Ευρεσιτεχνίας (ΕΓΔΕ).