地理空间上的协同传播动力学

From SARS, Ebola, to avian influenza (H7N9) of this year, the spreading of infectious diseases continues to be a huge threat to our society. We still are not clear about the mechanism behind after constant research both in theoretic and experimental aspects in nearly one century. Apart from the well studied factors such as the structure of populations, migration, behavioral adaptability etc., the spreading of different infectious diseases are not completely independent from each other, instead, under certain conditions they work hand in hand evidenced by epidemiologists, leading to a variety of unexpected physical consequences. The project plans to systematically study the contagion dynamics of multiple strains with cooperative interactions with primary focus on the consequence of strain interactions. We will develop some efficient theoretical models, and by using analytical and numerical tools from statistical physics, nonlinear dynamics we will systematically investigate the fundamental properties, the propagation dynamics and pattern formation in geometrical space, the diffusion in real world by mapping using effective distance with the possible realistic examples. The study of cooperative contagion is also of great importance for the information spreading and diffusion of new technologies.

流行病传播始终是现代社会的一大威胁，从非典，埃博拉到年初的禽流感（H7N9）。经过近一个世纪的实证和理论研究，人们对流行病的传播机制仍然不清楚，不能准确预测其爆发和发展。流行病传播之所以难以理解，除了前人研究相对较多的人群结构，迁徙，个体应急性等的影响外，不同流行病在传播过程中并不是完全独立的，在一定的条件下流行病学家发现它们可以协同传播，带来许多奇异的物理现象。本项目旨在系统研究多病毒协同传播动力学，重点关注流行病的相互作用对传播带来的深刻影响。我们将建立有效描述协同传播的理论模型，然后利用统计物理，非线性动力学的各种解析和数值的方法，系统研究协同传播的基本物理性质，在地理空间上传播和斑图形成动力学，以及通过有效距离进行可能的实证研究。协同传播的研究对于信息传播，新技术扩散等同样也具有十分重要的意义。

流行病传播对现代社会的危害是极其巨大的，特别是在当下的新冠传播背景下。而从科学的角度进行预测及早期干预目前并不理想，原因在于我们对其内在传播机制的复杂性的理解并不深入。本项目旨在讨论多种流行病协同传播过程时，流行病之间的相互作用对传播带来的影响。我们发现在地理空间维度上，协同传播可以显现传播斑图，令人吃惊的是一旦空间斑图形成，清除流行病将变得极其困难。我们在理论上厘清了相关因素的影响，及其动力学机制。..此外，人类的合作行为对流行病的控制极其关键，我们探索了协同博弈动力演化带来的新的复杂性，揭示了一类全新合作道路—动力学互惠机制,发现此类机制具有极强的鲁棒性。这对于提升人类合作水平有重要的参考价值。此外，我们还讨论了人类层级结构对合作水平与集体运动的影响，这对于理解真实人类社会的集体行为十分必要。