基于異質agent的疾病傳播建模與計算實驗.pdf

1、疾病傳播對人類的健康和生命形成了嚴重威脅，其大規(guī)模流行可能引起社會的恐慌和動蕩，并對醫(yī)療衛(wèi)生和社會管理形成巨大挑戰(zhàn)。近年來新型病毒的出現(xiàn)及其引起的疾病傳播具有非常規(guī)突發(fā)特性，使得人類很難對其進行預測和監(jiān)控。傳統(tǒng)的流行病研究方法，如流行現(xiàn)場勘查和統(tǒng)計分析方法，難以解決疾病傳播所帶來的預測、控制和社會管理等問題。然而，通過建模與仿真方法構建疾病傳播事件發(fā)生、發(fā)展和演化的人工社會情景，針對各種情景進行疾病傳播計算實驗，輔助在線應急決策和預案評

2、估，可以滿足研究疾病預防與控制方法以至社會管理問題等方面的更高需求。本文以建立人工社會模型，執(zhí)行疾病傳播計算實驗，分析疾病控制方法為目的，在分析當前疾病傳播模型的局限和發(fā)展趨勢后，對“疾病傳播的異質隨機特性”和“疾病傳播中人的行為描述”進行一定的創(chuàng)新性研究，并提出了基于異質agent的疾病傳播建模方法（Heterogeneous Agent-Based Modeling，HABM）。該方法基于自底向上（Bottom up）的建模思想，注

3、重疾病傳播微觀過程的異質性和隨機性描述，例如：疾病病程發(fā)展異質時間尺度模型、疾病患者的異質傳染力演化模型、社會網(wǎng)絡異質連接、個體的異質接觸模式等。
　　本研究主要內容包括：⑴提出了基于加權雙模態(tài)網(wǎng)絡的agent時空接觸行為建模方法。本文集成加權空間移動網(wǎng)絡和加權接觸網(wǎng)絡形成加權雙模態(tài)網(wǎng)絡(Weighted two mode networks），以支持個體空間移動行為和個體接觸行為建模；然后使用馬爾科夫鏈和任務隊列模型分別建立 ag

4、ent的空間移動行為和接觸行為模型，同時設計agent的空間移動路徑算法和個體接觸對象選擇機制；從疾病信息的角度，基于加權網(wǎng)絡建立疾病傳播過程中agent個體行為變化模型，包括：基于自適應權重系數(shù)的個體行為變化和基于自適應行為選擇機制的個體行為變化。⑵提出了基于統(tǒng)計分布特征的個體模型異質化方法。針對基于異質 agent建立疾病傳播模型時缺乏真實數(shù)據(jù)支持的問題，本文基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)或研究結論中的統(tǒng)計分布特征，采用符合統(tǒng)計分布特征的隨機變量來描

5、述個體的異質屬性和行為。該方法為建立疾病傳播異質模型和大規(guī)模agent城市級仿真模型提供了一種可行方案。⑶提出了基于矩陣向量的疾病傳播模型描述框架。針對疾病傳播數(shù)學模型和復雜網(wǎng)絡傳播動力學模型難于描述個體異質性，agent模型過于復雜而難于用數(shù)學語言形式化描述的問題，本文使用矩陣向量描述實體對象的屬性和狀態(tài)，基于矩陣向量的實體對象描述建立實驗統(tǒng)計變量，并設計算法以驅動疾病傳播模型的計算。該框架在實現(xiàn)基于異質agent的疾病傳播模型的數(shù)學

6、語言描述的同時，一定程度上支持疾病傳播規(guī)律的統(tǒng)計分析。⑷研究了加權網(wǎng)絡上疾病傳播速度。為了更準確地理解加權網(wǎng)絡上疾病傳播速度，本文研究了疾病在加權演化無標度網(wǎng)絡、加權Barabási-Albert無標度網(wǎng)絡、加權Newman-Watts小世界網(wǎng)絡和加權Erd?s-Rényi隨機網(wǎng)絡上的傳播速度。研究結果表明：在加權演化無標度網(wǎng)絡中連邊權重系數(shù)的異質性越強，疾病傳播速度越快，且快于無權Barabási-Albert無標度網(wǎng)絡中的傳播速度；

7、在連邊權重與節(jié)點連接度成正相關關系的加權網(wǎng)絡中連邊權重系數(shù)的異質性越強，疾病傳播速度越快，且快于無權網(wǎng)絡中的傳播速度；在連邊權重與節(jié)點連接度成負相關關系（或沒有相關關系）的加權網(wǎng)絡中連邊權重系數(shù)的異質性越強，疾病傳播速度越慢，且慢于無權網(wǎng)絡中的傳播速度。⑸研究了2003年SARS流行病的超級傳播事件形成機制。本文從節(jié)點連接度、行為活躍性、病原體負載和脫落速率，及疾病確診時間等因素，分析超級傳播者的屬性特征，同時揭示超級傳播事件的形成機制

8、。研究結果表明：具有較大節(jié)點連接度、較長確診延遲時間、活躍接觸模式，以及較高病原體負載和脫落速率的個體是潛在的超級傳播者；如果輸入病例沒有得到及時的確診和隔離，且造成多人感染，那么很容易爆發(fā)超級傳播事件和大規(guī)模流行病。⑹研究了2009年河北省某大學甲型H1N1流感爆發(fā)案例。本文建立校園內7號宿舍樓的地理空間、人口分布、社會網(wǎng)絡和個體行為與交互模型，重現(xiàn)2009年甲型H1N1流感在該宿舍樓內的傳播過程，并對當時所采取的甲型H1N1流感控制