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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 人群高流動(dòng)情形下傳染病傳播過程的模擬仿真及防控策略研究
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡(jiǎn)介：
- 本文以經(jīng)典的SIR模型為基礎(chǔ)，建立傳染病動(dòng)力學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)模擬重現(xiàn)了傳染病傳播過程。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于傳染性不是很強(qiáng)的情形，適當(dāng)?shù)靥岣呷巳毫鲃?dòng)性相當(dāng)于及時(shí)進(jìn)行了感染人群疏散，有利于避免傳染病的快速傳播。因此，通過針對(duì)特定傳染病的模擬我們可以計(jì)算得出在哪一個(gè)區(qū)間才是真正合適的免疫接種的范圍，以此來(lái)抑制傳染病的大爆發(fā)以及有效地控制傳染病的傳染程度。
- 詳細(xì)介紹：
- 人群的高流動(dòng)性是新世紀(jì)以來(lái)SARS及H1N1病毒全球肆虐的關(guān)鍵性因素。本文以經(jīng)典的SIR模型為基礎(chǔ)，建立傳染病動(dòng)力學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)模擬重現(xiàn)了傳染病傳播過程。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于傳染性不是很強(qiáng)的情形，適當(dāng)?shù)靥岣呷巳毫鲃?dòng)性相當(dāng)于及時(shí)進(jìn)行了感染人群疏散，有利于避免傳染病的快速傳播。首次發(fā)現(xiàn)，合適的人群流動(dòng)性情形下，其感染人群數(shù)目呈雙峰分布，也即相同感染能力的傳染病既有可能導(dǎo)致小爆發(fā)，也有可能導(dǎo)致大爆發(fā)；深入的研究表明，大爆發(fā)的關(guān)鍵成因是感染者無(wú)窮大傳播網(wǎng)絡(luò)的形成。而免疫接種的防控效果研究也發(fā)現(xiàn)，必須有足夠量的接種數(shù)目才能有效破壞具有傳染能力的無(wú)窮大傳播網(wǎng)絡(luò)的形成；過少的接種基本不能防止傳染病的爆發(fā)，只是在浪費(fèi)成本；免疫數(shù)量存在一個(gè)閾值，更多的免疫接種提高了經(jīng)濟(jì)成本，卻不能以線性效率抑制感染的發(fā)生；在某種程度上具有物理相變的雙態(tài)轉(zhuǎn)變特征。因此，通過針對(duì)特定傳染病的模擬我們可以計(jì)算得出在哪一個(gè)區(qū)間才是真正合適的免疫接種的范圍，以此來(lái)抑制傳染病的大爆發(fā)以及有效地控制傳染病的傳染程度。 本研究基于經(jīng)典的SIR模型，用Monte Carlo模擬方法重現(xiàn)傳染病跨區(qū)域全局性傳播的行為特點(diǎn)。SIR模型是Kermack[11] 等人在1927年提出的一個(gè)傳染病的模型，這個(gè)模型得到了歷史上發(fā)生過的大規(guī)模的傳染?。ㄈ缟鲜兰o(jì)初在印度孟買發(fā)生的瘟疫）數(shù)據(jù)的有力支持，后來(lái)很多研究人員對(duì)SIR模型做了推廣。 首先假定某地區(qū)的人群是一個(gè)常數(shù)，把他們分為三個(gè)部分：易感人群、被感染者、恢復(fù)者。易感人群很容易被感染而且還沒被感染（Susceptible），用S(t)表示；被感染者是已經(jīng)被感染而且又將感染其他人（Infected），用I(t)表示；恢復(fù)者是他們從流行病中獲得免疫并恢復(fù)為健康的人（Recovered），用R(t)表示。 我們用一個(gè)二維的格子空間（a×a）去模擬人群，用周期邊界性條件去模擬一個(gè)無(wú)限的空間。在此模型當(dāng)中，人群根據(jù)人群密度被隨機(jī)分布到整個(gè)格子空間中，以建立一個(gè)均勻的人群分布。在模型中產(chǎn)生的每一個(gè)人在某一時(shí)刻或某一天都有一個(gè)的運(yùn)動(dòng)范圍，我們用運(yùn)動(dòng)半徑去描述。例如它可以在最大的運(yùn)動(dòng)半徑范圍內(nèi)跳躍到其他地方(如圖1)，而每一個(gè)人身邊都有四個(gè)與自己最鄰近的人，只有最相鄰的兩個(gè)人才能發(fā)生接觸。感染者可以感染易感人群，而同時(shí)自己也因?yàn)橛衟r的存在會(huì)有可能康復(fù)。 當(dāng)模型初始化的時(shí)候，即t=0的時(shí)候，有N個(gè)感染者自動(dòng)在模型中生成，而剩下的則是由隨機(jī)產(chǎn)生的易感人群組成。每次模擬我們都會(huì)進(jìn)行m次，并且我們?cè)O(shè)定只要感染人群大于Nc，即可認(rèn)為此次傳染病屬于一個(gè)會(huì)爆發(fā)的傳染病。 本文是基于SIR模型及累積感染基礎(chǔ)上使用Monte Carlo模擬方法對(duì)傳染病傳播過程進(jìn)行了初步模擬。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于傳染性不是很強(qiáng)的情形，適當(dāng)?shù)奶岣呷巳毫鲃?dòng)性反而會(huì)有利于避免傳染病的快速傳播，相當(dāng)于及時(shí)進(jìn)行了密集人群的疏散。研究首次發(fā)現(xiàn)，某種情形下，相同感染能力的傳染病既有可能導(dǎo)致小爆發(fā)，也有可能導(dǎo)致大爆發(fā)，其感染人群數(shù)目呈雙峰分布，也即看似已經(jīng)滅絕時(shí)，如果不繼續(xù)進(jìn)行有效的免疫控制，它很可能會(huì)在某一時(shí)刻以迅雷不及掩耳之勢(shì)再來(lái)一次大爆發(fā)，讓群眾或者相關(guān)部門始料未及。對(duì)于個(gè)體接種的模擬發(fā)現(xiàn)，從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，對(duì)于免疫接種的數(shù)量也要準(zhǔn)確把握，免疫數(shù)量存在一個(gè)閾值，過少的免疫接種無(wú)法抑制傳染病的肆虐，而過多的免疫接種卻會(huì)提高治療的成本。因此，通過模擬我們可以計(jì)算得出在哪一個(gè)區(qū)間才是真正合適的免疫接種的范圍，以此來(lái)抑制傳染病的大爆發(fā)以及有效地控制傳染病的傳染程度。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 基于計(jì)算機(jī)模擬方法，重點(diǎn)研究人群流動(dòng)性對(duì)傳染病傳播動(dòng)力學(xué)的影響。 1．建立特定情形下的傳染病傳播模型，在此基礎(chǔ)上通過計(jì)算機(jī)模擬重現(xiàn)傳染病過程； 2．基于個(gè)體的出差概率及活動(dòng)半徑對(duì)人群流動(dòng)性進(jìn)行物理性描述； 3．模擬研究人群流動(dòng)性與傳染病爆發(fā)概率、影響范圍之間的關(guān)系； 4. 對(duì)個(gè)體進(jìn)行隨機(jī)免疫，研究不同免疫概率情形下傳染病的防治效果，進(jìn)而提出恰當(dāng)?shù)姆揽夭呗浴?
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 1. 不同于已有的基于點(diǎn)源擴(kuò)散模式的流行病傳播理論，重點(diǎn)關(guān)注了新時(shí)代人群流動(dòng)性對(duì)其傳播速度、感染范圍的影響； 2. 不同于已有數(shù)學(xué)模型及元胞自動(dòng)機(jī)方法，本研究使用的格子蒙特卡洛模擬方法能夠有效重現(xiàn)傳染病跨區(qū)域性傳播這一特點(diǎn)。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 廣東省是一個(gè)人口流動(dòng)性大省，不但和國(guó)內(nèi)其他地區(qū)有著密切的人口對(duì)流，而且和香港及境外區(qū)域國(guó)家有著頻繁的人員來(lái)往。本研究通過計(jì)算機(jī)模擬重現(xiàn)人群高流動(dòng)情形下傳染病的傳播過程，為相關(guān)部門提出針對(duì)性防控措施的意見，以避免更多的傳染病大爆發(fā)。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 人群的高流動(dòng)性是新世紀(jì)以來(lái)SARS及H1N1病毒全球肆虐的關(guān)鍵性因素。本文以SIR模型和累積感染為基礎(chǔ)，建立傳染病動(dòng)力學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)模擬重現(xiàn)了傳染病傳播過程。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于傳染性不是很強(qiáng)的情形，適當(dāng)?shù)奶岣呷巳毫鲃?dòng)性相當(dāng)于及時(shí)進(jìn)行了感染人群疏散，有利于避免傳染病的快速傳播。首次發(fā)現(xiàn)，某種情形下，其感染人群數(shù)目呈雙峰分布，也即相同感染能力的傳染病既有可能導(dǎo)致小爆發(fā)，也有可能導(dǎo)致大爆發(fā)；深入的研究說(shuō)明，大爆發(fā)的關(guān)鍵成因是傳播網(wǎng)絡(luò)的形成。而免疫接種的防控效果研究也發(fā)現(xiàn)，必須有足夠量的接種數(shù)目才能有效破壞傳播網(wǎng)絡(luò)的形成；過少的接種基本不能阻止傳染病的爆發(fā)，只是在浪費(fèi)成本；免疫數(shù)量存在一個(gè)閾值，過多的免疫接種并不能進(jìn)一步有效抑制感染的發(fā)生，卻會(huì)大大提高經(jīng)濟(jì)成本。因此，通過針對(duì)特定傳染病的模擬我們可以計(jì)算得出在哪一個(gè)區(qū)間才是真正合適的免疫接種的范圍，以此來(lái)抑制傳染病的大爆發(fā)以及有效地控制傳染病的感染程度。
獲獎(jiǎng)情況
- 暫無(wú)
鑒定結(jié)果
- 暫無(wú)
參考文獻(xiàn)
- [1] M.J Keeling, and P.Rohani. Modeling Infectious Diseases in Humans and Animals, Princeton, N.J.: Princeton University Press(2007) [2] Z.MA,Y.Zhou, and J.Wu.Modeling and Dynamics of Infectious Diseases World Scientific Publishing Company(2009). [3] X.N. Han, S.J. de Vlas,L.Q.Fang,D. Feng, W.C. Cao.Mathematical modeling of SARS and other infectious disease in China:a review. Tropical Medicine & International Health,14:92-100(2009) [4] J.Li, and X.F.Zou. Modeling Spatial Spread of Infectious Diseases with a Fixed Latent Period in a Spatially Continuous Domain. Bulletin of Mathematical Biology,71(8): 2048-2079(2009) [5] 許田，張培培。姜玉梅，蘇蓓蓓，何大韌.流行病傳播模型與SARS.自然雜志，26（1）：20-25（2004） [6] 石耀霖.SARS傳染擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)隨機(jī)模型.科學(xué)通報(bào)，48(13):147-152（2004） [7] 余雷，薛惠鋒，李剛：傳染病傳播模型研究，計(jì)算機(jī)仿真，2007年，第24卷，04期 [8] B .Dybiec. Modelling control of epidemics spreading by long-range interactions. Journal of Royal Society Interface,6(39):941-950(2009)
同類課題研究水平概述
- 不同于其他的科學(xué)研究，對(duì)傳染病的研究一般不能采取實(shí)驗(yàn)方式，主要有如下三種研究手段：描述性研究、理論性研究及模擬仿真研究。 描述性研究主要是針對(duì)各類傳染病的數(shù)據(jù)資料，使用已有的數(shù)學(xué)函數(shù)行進(jìn)數(shù)值擬合，進(jìn)而對(duì)傳染病過程及感染力度等進(jìn)行相信分析描述；這種方法基于大量數(shù)據(jù)資料，分析客觀真實(shí)，具有很高的參考價(jià)值，但同時(shí)也是一種比較唯象的研究方法，不能揭示傳染病的傳播機(jī)制及空間分布情況。 理論性研究則首先建立確定的數(shù)學(xué)模型，通過建立各類個(gè)體（易感者、感染者、免疫者）數(shù)量隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的微分方程或偏微分來(lái)描述其傳播過程和機(jī)制；其中最有影響的是SIR和SIS模型，前者可以有效描述麻疹流行病。而后者可以有效描述肺結(jié)核和淋病等流行病。比較遺憾的是，現(xiàn)有的微分方程模型只能描述感染個(gè)體數(shù)量隨時(shí)間的變化過程，不能描述傳染病傳播的空間變化趨勢(shì)。近期也有學(xué)者做了不少嘗試，比如基于中心地理考慮了個(gè)體全球流動(dòng)對(duì)SARS傳播的影響，或在數(shù)學(xué)模型中引入了反應(yīng)擴(kuò)散動(dòng)力方程以便考慮空間因素。 近年來(lái)，得益于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力及模擬仿真的技術(shù)的快速發(fā)展，元胞自動(dòng)機(jī)模擬、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬、隨即動(dòng)力學(xué)模擬被成功地用來(lái)模擬傳染病在空間上的傳播過程。尤其是隨機(jī)動(dòng)力學(xué)模擬方法被越來(lái)越多的使用，因?yàn)楹笳呖梢匀菀资谷巳涸诳臻g流動(dòng)。國(guó)內(nèi)外一些同行也已經(jīng)注意到了傳染病跨區(qū)域的空間“飛點(diǎn)”傳播特點(diǎn)，并利用遙感學(xué)方法或隨機(jī)動(dòng)力學(xué)模擬方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單探討，但是還沒有展開系統(tǒng)的研究，對(duì)其物理圖像仍然缺乏清晰的認(rèn)識(shí)，更談不上對(duì)于此類傳染病防控策略的探究。
