Attività di ricerca
"Santarelli, cura la collaborazione con tra area umanistica, ed in particolare dalla filosofia della scienza e le scienze sociali, con l'area scientifica applicata. Tutto cio' e' fondamentale per affrontare il problema guardandolo da tutte le prospettive. Alle sue analisi economico-tecniche si puo' cosi' aggiungere l'impatto sociale nonche' quello culturale, spesso dimenticato ma altrettanto importante; per non parlare poi del troppo spesso trascurato lato etico! Inoltre il Santarelli, grazie alle sue previe esperienze lavorative con importanti compagnie infrastrutturali, ci permette di avere un contatto diretto con i decision maker e gli stake holders di cui sa interpretare umori e, soprattutto, con i quali parla lo stesso linguaggio: per avere un efficace interscambio fra il mondo dell'accademia e quello reale, e' fondamentale avere interpreti che allo stesso tempo siano esperti di entrambi i campi."
Ricerca interdisciplinare, denominato da Santarelli stesso, NETHUM che vuole unire varie discipline e la filosofia attarverso l'analisi delle strutture di rete.
Tali strutture sono diffuse in natura e nei sistemi tecnologici e hanno recentemente attratto un grande interesse dalla comunità. La sua specifica attività è dedicata sia allo sviluppo di basi matematiche per lo studio delle reti e sia alla ricerca di soluzioni euristiche per l'applicazione a casi reali. Ad esempio, è nel comitato scienitifco e lavora attivamente, su scala europea, per la costruzione di un osservatorio per controllare la stabilità delle reti finanziaria (www.focproject.net). Come attività quotidiana si propone di estendere quest?analisi a reti "infrastrutturali" come la rete elettrica, reti di trasporto e, soprattutto, reti sociali. Per quanto riguarda le applicazioni alle Scienze Sociali, egli sta lavorando su progetti di condivisione e distribuzione di informazione sui luoghi di lavoro e sull'ampliamento di tali studi a situazioni lavorative dove il comportamento umano e delle persone deve confrontarsi con la complessità, ovvero con l'unione di elementi differenti.
Lo sfondo teorico del suo studio è lo studio della scienza delle reti che è una nuova disciplina che unendo metodologie delle scienze esatte e delle scienze sociali si propone di studiare alcuni aspetti del mondo in cui viviamo. La maggior parte del suo successo è legata alla possibilità di quantificare e misurare le proprietà di alcuni sistemi sociali in maniera del tutto nuova. Attraverso degli oggetti matematici chiamati grafi, tutti questi sistemi vengono descritti per mezzo di un insieme di componenti base (o agenti) indicati come vertici e per mezzo delle loro connessioni indicate come archi.
Questa semplice rappresentazione di base permette di passare a proprietà più elaborate, come la solidità di questo sistema rispetto a sollecitazioni esterne. Sorprendentemente, aldilà del particolare sistema considerato i grafi che li rappresentano mostrano sempre una serie di caratteristiche simili che possono essere riassunte come segue:
a) disomogeneità nelle proprietà degli elementi base o vertici;
b) proprietà di mondo piccolo;
c) addensamenti locali delle connessioni.
Per quanto riguarda il primo punto, la proprietà base che caratterizza un vertice è il numero di collegamenti che possiede. Questa quantità detta grado varia enormemente da vertice a vertice. Alcuni server di Internet hanno decine di migliaia di collegamenti e altri (i più) solo due o tre. Molte compagnie stipulano pochi contratti con le altre, ma alcune invece ne hanno tantissimi e così via. Questa struttura in cui pochi hanno molto e molti pochissimo è chiamata struttura aristocratica e influenza il modo in cui questi sistemi evolvono nel tempo. Ad esempio il fatto che le persone abbiano un numero di contatti estremamente variabile, causa una particolare evoluzione delle epidemie. Il secondo punto riguarda la distanza tra due vertici ovvero il numero minimo di archi che li collegano. In ogni caso di studio tutti i vertici sono al massimo a pochi archi di distanza l'uno dall'altro.
Infine, in tutti questi sistemi ci sono sempre alcune regioni più dense rispetto alla media. Questa è un?altra caratteristica comune detta ?clustering?. Queste tre proprietà sono in qualche modo universali, valgono nelle reti tecnologiche (Internet, WWW, Social network), sistemi biologici (Reti di interazione proteiche, Reti geniche, Reti Metaboliche ed alimentari).
Nel proprio caso Santarelli si concentra su casi particolari: le reti infrastrutturali, le reti finanziarie, la tecnologia e le reti sociali (aspetti centrali sia per lo sviluppo di nuove tecnologie, che per sviluppo di competività delle aziende nel panorama mondiale) . Non solo questi sistemi sono importanti, ma sono anche particolarmente istruttivi perché mostrano la maggior parte delle caratteristiche presenti nelle reti complesse e nelle dinamiche lavorative da quelli più tecnici a quelli più comuni tra le varie tipologie di business..
Proposta di Attività con Gruppo CNR Guido Caldarelli
Alcuni dei problemi aperti più interessanti riguardano l'interazione fra reti diverse e il rapporto tra topologia e dinamica. Come esempio del primo tipo consideriamo la rete di trasporto pubblico. Essa è collegata con la rete di distribuzione di energia elettrica (tram/treni), con la rete di comunicazione tramite telefoni cellulari dei passeggeri e con Internet (per le informazioni sul servizio in tempo reale, per il circuito delle carte di credito per i pagamenti, ecc). Un altro caso è il substrato fisico di Internet su cui vivono più strati di servizi. Ad esempio il World Wide Web. A sua volta il WWW funge da supporto ad altri servizi come le reti sociali e/o il sistema di pagamenti on-line e così via. Ciò produce un?intricata serie di connessioni impossibile da descrivere con metodi tradizionali. Questo è uno dei motivi per cui la nostra società attuale è molto vulnerabile ai guasti e agli attacchi mirati. In realtà, siamo ben lontani alla previsione delle dinamiche e ad attenuare l'effetto della crisi o guasti. Questa caratteristica di imprevedibilità delle reti interconnesse è particolarmente problematica nel caso del sistema finanziario mondiale. Un progetto Europeo in corso all?interno del Laboratorio (www.focproject.net) ha come tema l?analisi del rischio sistemico nel mondo dell'economia e delle finanze. Per quanto riguarda il secondo punto (lo studio delle interazioni tra topologia e dinamica) stiamo lavorando allo studio di una rappresentazione di questi sistemi per mezzo di ipergrafi. Questo modello dovrebbe aiutare a migliorare l?utilizzo della rete elettrica. Questa infrastruttura è stata disegnata in maniera da trasportare energia dalle centrali agli utenti, ma con la presente generazione distribuita questa rete diventa instabile. Questo Laboratorio ha in corso un progetto con ENEL proprio per analizzare situazioni più reali per mezzo di modelli di sincronizzazione per oscillatori in una rete [3,4]. Questo modello può essere applicato a temi quali la sostenibilità, l?efficienza energetica, l'ecologia e la conservazione ambientale. Temi, questi, oggi centrali che rispondono ad un'intesa globale in cui si dice espressamente di propendere al miglioramento (e quindi anche alla propensione di tale percentuale in termini di energie rinnovabili) di almeno il 20% del consumo energetico (vedasi direttiva 2002/91/CE, risoluzione del 31 gennaio 2008 del Parlamento europeo. Vedasi anche decisione n. 406/2009/CE del Parlamento europeo che fissa gli obiettivi nazionali vincolanti di riduzione delle emissioni di CO2).
In tale ambito si mette a disposizione, rispetto al settore dell?edilizia e all'imprenditoria in genere, una consulenza specifica che va ad affrontare problematiche quali: il consumo energetico il consumo di risorse e lo sviluppo di edilizia ed imprenditoria di tipo sostenibile. In Europa e nel Mondo ci vuole un cambio di prospettiva che che deve permettere di unire meglio e sempre di più le aziende con la Ricerca.
Scenario
Gli Stati Uniti al momento hanno alcuni gruppi leader in questo tipo di ricerche; in Europa la situazione è al momento differente con vari gruppi attivi ma con collaborazioni saltuarie. In questo panorama, abbiamo l'opportunità di istituire un laboratorio che potrebbe diventare un riferimento in materia su scala europea. Abbiamo in programma di creare un gruppo di lavoro per raccogliere, commentare e mettere a disposizione una serie di dati, algoritmi e software sulle reti. Cominceremo queste analisi dai progetti già attivi raccogliendo dati per le reti finanziarie (su una scala globale, in collaborazione con altre istituzioni) e le reti infrastrutturali (reti elettriche, trasporti, approvvigionamento idrico, anche su scala locale). Su questi dati abbiamo in programma di test semplici modelli di crescita della rete e l'evoluzione. Per capire le proprietà fisiche di tali modelli si eseguirà una serie di test sulle nostre reti fisiche che consentono una descrizione accurata della comparsa di proprietà globali da una messa a punto microscopico. Una volta che i modelli siano stati confermati possiamo raffinarli e passare alla fase di monitoraggio e controllo delle strutture. Quest'ultima parte è particolarmente importante nel caso della gestione di emergenze, incidenti, l'organizzazione di eventi speciali (gare sportive, riunioni politiche, manifestazioni, ecc) o ristrutturazione dei servizi di trasporto. Il Laboratorio opererà sia su scala locale ed europea come uno dei principali gruppi per l'analisi e il controllo di queste strutture. Sulla base di alcune delle iniziative passate e collaborazioni con progetti simili, crediamo di essere nella posizione giusta per produrre un quadro teorico completo e può assicurare un controllo ed una capacità di predizione. Questo permetterebbe per la prima volta di esplorare diversi scenari possibili per l?evoluzione e permetterebbe di affrontare l'analisi del rischio sistemico utilizzando un approccio fondato sui dati sperimentali. Questi scenari possono essere quindi utilizzati per valutare la dinamica del sistema, la sua (in)stabilità e l'avvicinarsi di una crisi. A questo scopo ci proponiamo di realizzare mappe di rischio in base alla propagazione del contagio. Oltre ciò abbiamo in programma di simulare scenari futuri possibili. Da questa attività ci attendiamo dei progressi teorici e la creazione di un database. Anche se questo progetto sembra molto ambizioso, esso ruota intorno a una serie precisa di compiti che possono essere facilmente tenuti sotto controllo. Come detto altri gruppi di ricerca sono attivi in questo campo ma nessuno di loro si è dedicato all'analisi delle reti infrastrutturali. Il gruppo del Prof. A. Vespignani in Indiana University (USA) e il gruppo del Prof. D. Brockmann in Northwestern University (USA) stanno lavorando a qualcosa di simile per lo studio della propagazione delle malattie Nel nostro spirito, vorremmo costruire qualcosa di simile con la produzione di analisi statistiche, modelli di scenari futuri, mappe e simulazioni. La nostra idea è che tali indagini daranno un importante contributo alla scienza e società.
Collegamenti con altri gruppi con CNR GRUPPO CALDARELLI/SCALA
CNR-ISC Claudio Conti gruppo di ottica non lineare
ETHZ (D. Helbing, H. Herrmann, F. Schweitzer)
EPFL (P. De Los Rios, A. Rinaldo)
London Instute of Mathematical Sciences (T. Fink)
Università dell?Aquila, gruppo di Ricerca Operativa (F. Rossi)
Università di Cagliari e Laboratorio LINKALAB (A. Chessa, A. Damiano)
ATAC (l'azienda di trasporto pubblico a Roma)
ENEL (il fornitore di elettrico energia in Italia) che ha dato un contributo per una ricerca congiunta sulle proprietà di stabilità della rete elettrica.
UNITE, Dipartimento Ricerche Scienze della Comunicazione (Prof. M.Santarelli e Prof/Direttore R.Morselli)