具有跟踪隔离措施的新冠肺炎传播模型分析及应用

报道于2019年12月底的新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情, 由于2020年春运期间人口的大规模流动, 使得其迅速蔓延.自2020年1月23日起, 我国采取了各种措施使得疫情得到了有效的控制, 例如武汉封城、确诊病例的密切接触者跟踪隔离、湖北人员的居家隔离等.该文基于COVID-19在山西省的实际传播情况, 建立了具有输入病例和确诊病例密切接触者跟踪隔离的动力学模型.在不考虑输入病例的情况下, 分析了模型的动力学行为.利用山西省COVID-19病例数据, 计算了实时再生数, 发现山西省2020 年1月25日全省封村封街道有效控制了COVID-19疫情的传播, 即实时再生数小于1, 从宏观角度验证了防控措施的有效性.进一步通过模型的数值拟合得到: 早期染病者隔离14天的防控策略是合理有效的; 武汉封城时间越早, 染病者的规模越小; 跟踪隔离到大量确诊病例的接触者时, 染病者的规模越小.     

封闭空间中新型冠状病毒肺炎传播模型:以日本“钻石公主号”邮轮为例

该文以新型冠状病毒(SARS-Cov-2)在日本钻石公主号邮轮上传播为例,通过建立简单的易感者-感染者传染病模型,研究在封闭空间中新冠病毒肺炎(COVID-19)的传播机制.动力学分析和数值拟合预测了疾病传播过程和最终结果,讨论了不同隔离措施对疾病传播进程的影响,并给出防控策略建议.     

2019新型冠状病毒肺炎疫情传播能力及疫情控制效能的地域差异分析

2019年底武汉突发的新型冠状病毒疾病(COVID-19)疫情已进入"全球大流行"状态.本文基于Li等(New England Journal of Medicine,2020,382:1199-1207)关于2019年12月10日至2020年1月4日期间武汉最早的425例确诊病例数据,使用似然函数估计方法得到了COVID-19疫情的基本再生数为2.42,平均序列间隔为8.85天.为了刻画疾病瞬时传播能力的地域差异,利用湖北省内各地市和中国境内各省市的每日疫情报告数据(来自各省市卫生健康委员会网站),由统计模型得到了各地在2020年2月间的每日瞬时再生数估计值.进一步,基于瞬时再生数定义了一个新的疫情控制效能公式,定性评估了各地区采取的防控策略对COVID-19实时传播能力的影响.结果提示现阶段境外输入病例造成国内疫情复发的风险依然很大,COVID-19传播具有较明显的地域差异,但引起差异的因素值得后续进一步持续关注.     

面向COVID-19传播模式的多因素影响分析

目前,新型冠状病毒肺炎(COVID-19)的传播仍在持续,其传播模式以及影响传播行为的主要因素仍有待深入挖掘。鉴于此,本文从数据分析的角度,通过构造一个特殊的多源数据集(包括COVID-19历史数据、气象数据、人口迁徙数据和空间地理信息数据),以此建立多元Poisson.回归模型(类Poisson回归)来着重分析国内疫情的病毒传播模式及其影响因素。分析结果显示,湿度、平均每日风速、每日的降雨量等气象因素与COVID-19的传播模式显著相关,但与每日温度变化显著不相关。除此之外,COVID-19的传播速度及传播范围与武汉迁出目的地的人口比例、迁入武汉来源地的人口比例以及武汉与其他城市的空间距离均有一定的关联性。全文可视化及模型分析的R代码见:https://github.com/thwgithub/COVID-19 Rcodes.     

新型冠状病毒肺炎疫情下武汉及周边地区何时复工?数据驱动的网络模型分析

基于全国和湖北省新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情报告数据以及百度人口迁徙与分布大数据,本文构建武汉及周边15个疫情严重城市的COVID-19传播复杂网络模型,重点分析武汉及周边地区复工的可能时间节点和复工对二次暴发风险的影响.首先基于各个城市的累计病例数估计1月23日武汉的累计病例数,得到不同时期湖北省16个主要城市控制再生数的估计值,揭示了早期的传播风险较大和目前的传播风险小(控制再生数的值小于1).本文基于2019年同期的流动网络结构和流动量模拟整个网络模型,给出2020年2月17日、2月24日和3月2日的复工对各个城市疫情的影响.主要结论显示,在较强的防控措施和自我防护下,2020年3月2日复工将在一段时间内不会引起疫情的二次暴发.     

基于动力学模型的COVID-19疫情预测与控制策略研究

本文基于COVID-19的传播机理以及追踪隔离染病者的密切接触者、治疗等公共干预措施,建立了非自治的动力学模型,对湖北省疫情发展进行预测并评估相应控制策略的有效性.首先基于湖北省卫生健康委员会公布的数据,利用最小二乘法以及MCMC估计动力学模型中的待估计参数值.然后基于估计得到的参数值,验证模型预测的有效性,估计湖北省总病例数达峰时间,峰值规模以及流行时间.此外,研究发现湖北省每天的总病例数中隔离的潜伏者以及现存确诊者占比重较大,因此,加快对于隔离人群的筛查、对于确诊人群的治疗能够加快疫情的结束.最后对有效再生数进行敏感性分析,揭示了即使在疫情发展的后期,加强对密切接触者的追踪隔离依然是疫情控制最有效的措施.     

前言

正2020年初,一场病毒感染的肺炎疫情在中国武汉暴发,这是一种新型冠状病毒SARS-CoV-2引起的能在人际传播的疾病,2020年2月1 1日被世卫组织命名为COVID-19.面对疫情,全国人民团结一心全力抗击,无数白衣天使不惧危险奋战在挽救生命的第一线,无数科技工作者不辞辛苦拼搏在攻克COVID-19的征程上.在这些科技工作者中也不乏数学工作者的身影,他们根据医学原理和公开数据进行数学建模,通过动力学分析或统计学分析,结合优化算法等定量手段,试图揭示COVID-19的传播规律及其重要特征,评估治疗或防控     

COVID-19疫情时滞模型构建与确诊病例驱动的追踪隔离措施分析

新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情自暴发以来,众多研究者基于公开的疫情数据和经典的SEIR模型研究了疫情的发展趋势、传播风险等,为早期COVID-19疫情预测预警提供了重要的决策依据.本论文首先讨论在突发性传染病疫情发展期间,传染病数学模型是如何助力疫情防控的,能在公共卫生重大突发事件中发挥什么样的重要作用.然后集中介绍如何建立数学模型来刻画COVID-19疫情期间密切跟踪隔离措施的实施以及措施强度的变化,重点讨论有症状感染者和确诊病例驱动的追踪隔离措施在建模上的异同,最后得到确诊病例驱动的COVID-19时滞非自治传染病模型.主要结论揭示了确诊滞后不仅能有效延迟感染者类峰值到来的时间,而且使得其出现多峰,甚至最终感染规模可能增大的现象,但是我国强有力的综合防控策略能够有效减缓确诊滞后带来的不利影响.这为分析复杂疫情数据提供了新的重要的模型参考.     

非线性组合动态传播率模型与我国COVID-19疫情分析和预测

针对传统的流行性传染病学中基本传染数$R_0$难以准确估计以及单一模型预测精度低的缺陷,利用组合动态传播率替换基本传染数$R_0$,提出基于支持向量回归的非线性时变传播率模型并对我国COVID-19疫情进行分析和预测。首先,计算动态传播率的离散值;其次,使用多项式函数、指数函数、双曲函数和幂函数分别对动态传播率的离散值进行拟合并基于最佳滑窗期$k=3$构建相应的预测模型;接着,基于拟合优度等评价指标选择最佳的三种单一模型并对其预测结果进行非线性组合;最后,利用非线性组合动态传播率模型对湖北、全国除湖北和全国COVID-19疫情进行分析和预测。实证结果表明提出的非线性组合动态传播率模型对不同地区COVID-19疫情数据的预测误差均相对较小;对重点省市COVID-19疫情的拐点预测切实合理;湖北、全国除湖北与全国自2020年2月27日起后20天疫情预测曲线的拟合优度分别为98.53%、98.06%和97.98%。     

基于元胞自动机的SARS传播模型

根据SARS的局部性、潜伏性特征以及传染病个体传播的特点,人群接触通过近距离邻居发生,利用元胞自动机模型时间、空间上离散,以局部规则为基础,以同步更新为前提讨论整体性质的机制,将人群分为易感者,带菌者,病人,免疫者之后,以易感者对SARS的抵抗能力、病人或带菌者对SARS的传染能力、人群的大小为参数,建立了基于元胞自动机的SARS传播模型.得到的结果可为从传染动力学角度控制SARS的传播提供依据.     

境外输入与无症状感染病例对COVID-19疫情二次暴发的影响分析

随着COVID-19无症状感染者传播风险以及境外输入病例的增加,给我国"外防输入,内防反弹"的防控策略带来巨大压力.本文通过构建能够刻画无症状感染者传播和输入病例对疫情演化影响的离散随机COVID-19传染病动力学模型,创新地量化疫情再次暴发的风险指数,探究不同输入比例、不同的防控措施(接触数)下疫情再次暴发的风险.论文选取北京、上海和深圳三个地区的本地病例与输入病例等疫情数据,发展数据不确定性参数估计方法,辨识系统的未知参数.研究结果显示:深圳市发生二次暴发的风险要远低于北京和上海,北京的二次暴发的风险高于上海.特别地,以北京境外输入为例,我们得到当持续保持最严格的防疫措施,即接触数保持最小值时(接触数为1.07),无论境外输入病例未被隔离的比例有多大(实际输入病例的隔离率),均没有二次暴发的风险.如果防控措施适当放松,即接触数从最小值逐渐增大(接触数在三周时间增为3.1),则输入病例越多,二次暴发的概率越大.值得注意的是,当防控措施进一步放松(接触数在三周时间增为6.27),尽管输入病例完全隔离,发生二次暴发的概率可达到58.3%.考虑无症状感染输入的影响,我们得到了类似的结论.因此,在持续保持相对严格的防控措施,如保持社交距离、戴口罩等自我防护的同时,加强对入境人员的管理以及无症状感染者的筛查是防止发生二次暴发的关键,这为复杂疫情的防控和二次暴发的预测预警及风险评估提供了重要的定性、定量决策依据.     

基于SEIR模型的COVID-19疫情防控效果评估和预测

通过对COVID-19疫情在中国的传播情况进行分析，建立了一个SEIR流行病模型，模型中将确诊人群分成已收治和未收治两类.先从理论上分析了模型的无病平衡点及其稳定性、基本再生数等关键问题；再结合实际数据，对武汉封城前和封城后两个阶段疫情的发展趋势进行数值模拟和比较分析，讨论了模型中一些重要参数对确诊人数的影响；最后，针对上述理论分析和数值模拟的结果，对之前采取的一些控制策略作了分析评估，同时对疫情后期发展进行预测.     

新型冠状病毒肺炎疫情预测预报的非线性回归方法

本文介绍几种累计新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情预测预报中的非线性增长曲线,并说明Richards增长曲线在这次COVID-19疫情预测预报中的合理性和可行性;在此基础上,建立累计COVID-19疫情预测预报中的非线性回归点模型,并给出参数估计方法;对全国COVID-19疫情进行即时跟踪预测预报,包括数据校准、整体和分时间段的预测预报,同时获得全国COVID-19疫情随时间的预测预报结果,为进一步的疫情防控打下良好基础.     

新型冠状病毒肺炎疫情数据挖掘与离散随机传播动力学模型分析

新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情已经蔓延至全国各地,包括陕西省在内很多省份的早期疫情均以输入病例为主,后期的疫情在严格的防控措施下也已呈下降趋势.评价防控措施的有效性、分析人口流动对疫情的影响对于研究陕西省(或其他以输入病例为主的地区)疫情和未来应对突发性传染病有着重要的意义.根据陕西省卫生健康委员会(简称卫健委)公布的详实数据信息可以挖掘传播链(感染树),得到从发病到首诊、入院、确诊的中位持续时间,每日潜伏者类、感染者类、治疗者类的具体人数和感染者状态转移的空间分布.本文计算确定COVID-19疫情的控制再生数(1.48–1.69),并发展新的统计推断方法获得陕西省严控措施下的有效再生数;进而提出一个全新的融入了公共卫生干预和输入病例的离散随机COVID-19疫情传播模型,通过多源数据实现了模型的参数化,分析不同的流动模式、输入人口中感染者的比例对二次暴发风险的影响.主要结论显示,间歇性的人口流动、密切关注和有效隔离流动人口中的感染者能有效降低二次暴发的风险,为有序组织复工、复学提供决策支持.     

染病者有常数输入的传染病模型

讨论在隔离措施下易感者和染病者都有常数移民的传染病模型.给出了模型的地方病平衡点,证明了地方病平衡点的稳定性.     

新发传染病动力学模型——应用于2019新冠肺炎传播分析

针对新冠肺炎等新发传染病传播动力学模型的实际应用问题,提出了与确诊病例实时数据相关联的接触数,优化了新发传染病传播动力学模型,提升了模型的实用价值.把实时数据信息应用于模型参数估计,并将动力学模型应用于预估广州、武汉的新冠肺炎传播的峰值、最终规模、达峰时间.这类接触数可推广应用于其他一些新发传染病,揭示其暴发过程中不同时期的传播风险.本文数据来源于公开数据.     

两类禽流感模型的动力学分析

本文根据人类感染禽流感的两种可能途径,一是被带有禽流感病毒的禽感染;二是被感染禽流感病毒的人群感染,通过考虑人类易感者和禽类感染者以及人类易感者和人类感染者之间的传播关系,利用微分方程建立两类SI-SIR禽流感传染病模型.通过对模型的分析,得到疾病是否流行的阈值,即基本再生数,并利用Lyapunov函数以及La Salle不变原理证明两类模型平衡点的局部与全局渐近稳定性.     

基于FUDAN-CCDC模型对新冠肺炎的建模和确诊人数的预测

科学地预测疫情发展趋势对疫情防控至关重要.在新时滞动力学模型(TDD-NCP)的基础上,提出基于随机动力学的时滞卷积模型和离散卷积模型,并基于中国疾病预防控制中心的相关研究结果及公开数据以及Wallinga和Lipsitch的工作,反演出COVID-19的重要参数,拟合了武汉及上海市疫情发展趋势.     

SIR类型新型冠状病毒肺炎多阶段最优控制模型

新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情在全球范围传播,给人们的健康带来了严重的威胁。面对疫情发展预期数据,我们需要在有限医疗资源的情况下确定疫情传播参数,以指导主要防疫措施的实施力度。本文采用SIR类型的模型描述新冠肺炎疫情发展,并建立多阶段最优控制模型确定疫情传播参数。为了高效确定参数取值,我们建立多项式时间可计算的半定规划近似模型。基于世界卫生组织发布的数据,我们求解近似模型,得到描述给定时段内美国新冠肺炎疫情发展态势的疫情传播参数,并分析疫情防控策略。     

基于FTA方法的COVID-19疫情应急防控决策研究

鉴于新型冠状病毒肺炎(COVID-19)的易感染性与聚集性等特点,基于COVID-19的传播机制,应用故障树分析(FTA)方法,研究了具有不同特征的疫情突发事件风险决策问题,包括疫情突发事件的动态演化过程、多种情景以及应急方案对突发事件的影响。通过分析COVID-19疫情突发事件的演化过程,构建故障树来描述导致突发事件演变的条件与因素之间的逻辑关系,给出了不同的可行应急方案。利用FTA预估出疫情突发事件发生的概率,计算出可行应急方案的整体排序值,获得最优应急方案。最后通过一个COVID-19确诊患者的案例分析,验证了所提出的方法的可行性和有效性。