专利名称：一种城市级传染病模拟的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传染病模拟的方法和装置，尤其涉及一种城市级的传染病模拟的方法和装置。
背景技术：
传染病是由病原体(细菌、病毒等)引起的，能在人与人、动物与动物或人与动物之间相互传染的疾病，它是多种疾病的总称。许多传染病特别是一些烈性传染病的暴发和流行会造成巨大的人员伤亡和经济损失。一些流行病流行的典型例子包括14世纪流行于亚洲、欧洲和非洲北部的黑死病(鼠疫)，1918年的西班牙流感，2002年的SARS，2003年在亚洲地区反复爆发的高致病性禽流感。在传染病的防治研究中，传染病建模一直是非常重要。通过建立传染病模型来分析和模拟传染病的蔓延过程，可以查明影响传染病传播过程的关键参数，分析拟采取的免疫和干预措施(如接种疫苗，隔离感染者)的效果，为传染病 的防治决策提供科学的依据。传染病的传播过程是复杂动力学现象。而通过分析传染病的流行特征，建立数学模型来描述传染病的时空传播过程，预报传染病高峰的到来，评估各种干预措施效果等，对于有效防控传染病的爆发或流行具有重要的意义。与其它工程领域不同，研究人员不可能去做传染病传播的实验以获取数据，从医疗卫生部门得到的数据通常也是不完整和不充分的，所以对传染病模型的研究，主要是依靠机理分析建立模型，通过历史传染病爆发或流行数据对模型加以验证和改进。传染病动力学建模研究进展可以大致分为三个阶段。第一阶段是基于均匀网络假定的研究，主要是以SIR为代表的微分方程模型。此类模型的关键特征是对疾病传播真实情况进行高度简化，它假定人群在空间上均匀分布，不考虑个体差异且个体之间的交互是等概率的。因为不符合现实的假设，这类模型只能定性分析疾病传播的性质，而在定量分析方面存在固有的缺陷，主要作为理论分析的工具。第二阶段以时空分区模型的研究为主，该阶段人们已经认识到空间异构性对传染病的传播行为的重要影响，并考虑将其引入到传染病建模中。通过在经典的微分方程模型中引入空间维，不仅描述传染病在时间维的动力学特征，也可以建模传染病在地理空间上的传播过程。在此阶段，地理学和地理信息系统也在传染病时空模型研究中扮演了重要的角色。第三阶段是复杂系统科学在传染病建模中的应用，主要使用元胞自动机、复杂网络理论来开展研究，此方面是当前理论研究的热点。这些方法都没有专门针对城市尺度的特点来对传染病的传播进行模拟。
发明内容
本发明针对城市尺度、经呼吸道传播的典型传染病预防与控制需求，发明了一种城市级传染病模拟的方法和装置。首先对城市人群的分区分类方法进行了分析，综合考虑 理论成熟性、模型展示度以及可应用性，我们选择了 4p方程组形式的空间分区模型，并根据模拟需要对其进行了离散化处理，基于地理信息系统技术进行了传染病模拟结果的可视化。本发明的方法包括以下步骤I)进行城市分区和人群分类；2)建立描述p个区域疾病传播动力学过程的4p普通微分方程组；3)对方程组进行离散化得到差分方程组；
4)考虑其它城市的联系，将离散化后的差分方程组转化为开放方程组；5)解算方程组参数，利用点密度图和堆积条状图的方法进行感染人群的可视化表达。本发明的装置包括两个模块模型参数设置模块以及感染人群可视化模块。模型参数设置模块高斯模型和Logistic模型自动生成人口流量数据，并预置了一些常见传染病的流行特征参数。感染人群可视化模块提供点密度图和堆积条状图两种可视化方法来实现感染人群变化的可视化表达。本发明根据传染病的流行病学特征，基于人口在城市范围各区域间流动情况数据，预测模拟未来一段时间疾病在空间上的动态蔓延过程，可以在地图环境中可视化分析典型传染病的时空传播过程，为在城市级预防和控制传染病的传播提供决策支持。
图I是构建霍乱预测模型的流程图；图2是4个区域之间传染病传播的过程图3是利用点密度图对深圳市流感疾病感染人群进行可视化表达。图4是利用堆积条状图对深圳市流感疾病感染人群进行可视化表达。
具体实施例方式图I是进行城市级传染病模拟的流程图。由图可见，进行城市级传染病模拟的方法包括以下五个步骤I)进行城市分区和人群分类；2)建立描述p个区域疾病传播动力学过程的4p普通微分方程组；3)对方程组进行离散化得到差分方程组；4)考虑其它城市的联系，将离散化后的差分方程组转化为开放方程组；5)解算方程组参数，根据利用点密度图和堆积条图的方法进行感染人群的可视化表达。进行城市级传染病模拟的流程具体描述如下I)进行城市分区和人群分类假设研究范围由p个区域组成(如一个由P个街区组成的城市)。对于单个区域，假定各种条件，如人口分布、环境等是同构的。每个区域的人口分为 Susceptible、Exposed、Infected、Recovered 四类。分别用 Si (t), Ei (t),Ii (t)和民⑴表示每类包含的个体数量(i = 1,2,…，p)。区域i个体的总数Ni (t)=SiW+EiW+IiW+Mt)。假定个体在区域之间迀移过程中其状态不发生改变。令<，mf，^njj，分别表不从区域 i 迁移到区域 j 的 Susceptible、Exposed、Infected 和 Recovered的个体数量,
权利要求
1.ー种城市级传染病模拟的方法，其特征在于，包括步骤 1)进行城市分区和人群分类； 2)建立描述P个区域疾病传播动力学过程的4p普通微分方程组； 3)对方程组进行离散化得到差分方程组； 4)考虑其它城市的联系，将离散化后的差分方程组转化为开放方程组； 5)解算方程组參数，利用点密度图和堆积条状图的方法进行感染人群的可视化表达。
2.根据权利要求I所述的进行城市分区和人群分类方法，其特征在于，所述步骤I)包括 假设研究范围由P个区域组成(如ー个由P个街区组成的城市)。对于单个区域，假定各种条件，如人口分布、环境等是同构的。姆个区域的人口分为Susceptible、Exposed、Infected、Recovered四类。分别用Si (t)，Ei (t)，Ii (t)和Ri (t)表示姆类包含的个体数量(i = l,2,…,p)。区域i个体的总数Ni (t) = Si (t) +Ei (t) +Ii (t) +Ri (t) 假定个体在区域之间迁移过程中其状态不发生改变。令％丨，爪い分别表示从区域i迁移到区域j的 Susceptible、Exposed、Infected 和 Recovered 的个体数量，且wf = mft = mlu = mft = 0。
3.根据权利要求I所述的建立描述P个区域疾病传播动力学过程的4p普通微分方程组，其特征在于，所述步骤2)包含 建立的4p普通微分方程组形式为
4.根据权利要求I所述的对方程组进行离散化得到差分方程组，其特征在于，所述步骤3)中包含 不考虑人口的自然出生和死亡，对上述4P方程组进行离散化，得到差分方程组如下
5.根据权利要求I所述的考虑其它城市的联系，将离散化后的差分方程组转化为开放方程组，其特征在于，所述步骤4中包含 令ns(i, -, t), nE(i, -, t), n^i, -, t), nE(i, -, t)分别表示t时刻从城市外部进入区域 i 的 Susceptible、Exposed、Infected 和 Recovered 的个体数量，ns (-, i, t), nE(_, i, t),n1 (-, i, t), nE(-, i, t)分别表示t时刻从区域i移出到城市外部的Susceptible、Exposed、Infected和Recovered的个体数量。据此，差分方程组可以变为开放方程组
全文摘要
本发明涉及一种城市级传染病模拟的方法及装置，包括步骤1)进行城市分区和人群分类；2)建立描述p个区域疾病传播动力学过程的4p普通微分方程组；3)对方程组进行离散化得到差分方程组；4)考虑其它城市的联系，将离散化后的差分方程组转化为开放方程组；5)解算方程组参数，利用点密度图和堆积条状图的方法进行感染人群的可视化表达。本发明根据传染病的流行病学特征，基于人口在城市范围各区域间流动情况数据，预测模拟未来一段时间疾病在空间上的动态蔓延过程，可以在地图环境中可视化分析典型传染病的时空传播过程，为预防和控制传染病的传播提供决策支持。
文档编号G06F19/00GK102682188SQ201110061059
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者徐敏, 曹春香, 钟少波 申请人:中国科学院遥感应用研究所