基于输入输出流的呼吸道传染病时空传播网络建模研究

For better detecting the changing spatial-temporal pattern of individual susceptible-infected-symptomatic-treated-recovered epidemic process and the interactions of information/material flows between regions, epidemic in-out flow between regions is defined and the corresponding spatial-temporal transmission network is built according to small-world network modeling. The spatiotemporal distribution characteristics of epidemic in-out flow, and the network structure and evolvement mechanism of epidemic spatial-temporal transmission network are explored by spatial statistics and complex network methods. The model is improved by considering the interactive effects between regions and spatial/social contacts between individuals caused by individual behavior rules and social relationships. The simulation experiment is implemented with SARS epidemic as a case study, and the accuracy/precision validation of the proposed model is analyzed. Study on epidemic in-out flow and spatial-temporal transmission network could better explain the changing pattern of individual epidemic roles and the input/output interactions between regions, explore the structural characteristics of transmission network and the epidemic spread mechanism of virus input/output based on individuals and spatial regions, better detect and discover the spatial-temporal evolutive rules and potential characteristics of large-scale epidemic, and provide more effective theoretical basis for emergency/control measurements and decision-making.

关注呼吸道传染病流行中个体在健康-受感染-发病-就诊-康复过程中的角色转变与位置变化模式所引起的区域之间信息流与物质流的输入与输出交互作用，基于区域节点定义疾病传播输入输出流，依据小世界网络建模方法构建疾病时空传播网络模型，以时空统计分析与复杂网络理论方法探索其时空分布特征、网络结构与演化机制。考虑区域之间交互作用效应及个体活动行为准则与社会关系引起的空间与关系接触传播效果，以SARS流行为例进行模拟实验并对该模型进行有效性验证和精度对比分析。基于输入输出流与时空传播网络的研究可更好解释疾病传播过程中个体角色转变与位置变化引起的区域之间交互作用模式，可从个体和区域两个角度来探索病毒感染扩散的输入与输出传播机制并揭示区域之间信息流与物质流的传播网络结构特征，更有利于探测和揭示大规模疾病流行的整体时空演化特征与潜在传播规律，为未来新型疾病爆发的应急决策与防控措施提供更有效理论依据与技术支撑。

目前针对类似SARS呼吸道传染病疫情时空传播规律的研究主要包括传播过程数学模型的理论建模、流行病学数据的数理统计分析、流行病学数据的时空分布特征与空间统计分析、基于网络动力学模型的疾病传播过程的模拟与预测、影响因素的定量分析与评价等。上述疾病时空传播规律的各类研究方法有着以下不足之处：1）一般时空分析方法是将疾病疫情的时间信息和空间信息各自分离进行分析，侧重点仅是时间与空间两个维度的叠加；2）疫情数据主要以确诊感染者或密切接触者为主，缺乏对个体在受感染-发病-就诊-康复传播过程中的空间位置时序变化的关注与解译；3）在疾病传播过程中，个体之间的病毒扩散机制以及区域之间的疾病传播交互模式，将形成一个动态的有向扩散网络，已有研究缺少对SARS传播网络的结构特征解释与定量分析。本项目关注呼吸道传染病流行中个体在健康-受感染-发病-就诊-康复过程中的角色转变与位置变化模式所引起的区域之间信息流与物质流的输入与输出交互作用，以中国内地SARS流行为例进行疾病传播模拟研究，主要取得以下进展和成果：1）基于区域节点定义了SARS疾病传播输入输出流概念；2）依据小世界网络与无标度网络的建模方法，提出并实践了基于输入输出流的SARS疾病时空传播模型的构建流程与方法；3）基于空间自相关分析、热点探测分析等方法探索了疾病传播输入输出流的时空特征分析流程与技术框架；4）用复杂网络理论方法探索疾病传播输入输出流的网络结构与演化机制；5）考虑区域之间状态转移效应及个体活动行为准则与社会关系引起的空间与关系接触传播效果，以SARS流行为例进行模拟实验并对该模型进行有效性验证和精度对比分析。基于输入输出流与时空传播网络的研究可更好解释疾病传播过程中个体角色转变与位置变化引起的区域之间交互作用模式，可从个体和区域两个角度来探索病毒感染扩散的输入与输出传播机制并揭示区域之间信息流与物质流的传播网络结构特征，更有利于探测和揭示大规模疾病流行的整体时空演化特征与潜在传播规律。