基于高斯扩散的传染病气溶胶传播建模仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于高斯扩散的传染病气溶胶传播建模仿真方法及系统，其包括：创建人工人口，以所述人工人口的地理信息为依据构建接触网络；对所述接触网络中的目标区域进行网格化，计算携带病原体的气溶胶扩散，并匹配人口和网格；基于气溶胶扩散结果以及人员在网格中的分布，计算各个人工人口的感染状况，进行人与人之间的疾病传播仿真。本发明专利技术能满足针对气溶胶传播扩散的传染病的防控需求，可以广泛在突发公共卫生事件应急处理技术领域中应用。在突发公共卫生事件应急处理技术领域中应用。在突发公共卫生事件应急处理技术领域中应用。

【技术实现步骤摘要】
基于高斯扩散的传染病气溶胶传播建模仿真方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种突发公共卫生事件应急处理
，特别是关于一种基于高斯扩散的传染病气溶胶传播建模仿真方法及系统。

技术介绍

[0002]传染性疾病的暴发给人类的健康社会的稳定发展带来了巨大的威胁。为保障全体人类的健康和社会的正常发展，研究传染性疾病的传播模式具有重要的意义。通过气溶胶扩散进行传播是传染性疾病病原体的一种普遍传播模式。比如：新冠肺炎、流感等都可以通过气溶胶进行传播。但是目前缺乏针对大范围气溶胶传播的传染病建模仿真方法的研究。
[0003]气溶胶在科学上的广义概念是指悬浮在气体(如空气)中所有固体和液体颗粒(直径0.001～100微米)。其液态粒子称为雾，小于1微米的粒子称尘。自然界中，人类赖以生存的空气中微粒无处不在，构成一个宏大的“气溶胶世界”。气溶胶传播是指飞沫混合在空气中，形成气溶胶，吸入后导致感染。致病病原体通过气溶胶的形式在城市中的传播极具危害。人体吸入空气中悬浮的足量病原体后，具有感染疾病的风险。一旦人感染了疾病，就会进入疾病的病程，从感染到发病，再到死亡或者康复。在这期间，传染性疾病还具有人传人的传播模式。在城市范围中，这通过气溶胶传播的传染性疾病具有重大的危害。针对上述传染性疾病的防控需求，急需构建一种针对气溶胶传播的传染病仿真模拟系统。通过这个系统可以开展基于气溶胶传播的传染病扩散传播实验，从而研究传染病特点并研究相应的处置决策方案。
[0004]然而，目前传染性疾病仿真中，主要通过人与人的接触网络实现传染病的传播。人与人之间的疾病传播主要基于疾病传播模型，比如经典的SI模型、SIS模型和SIR模型等。这些模型其中主要的思想是基于马尔科夫随机过程。在SIR模型中，每个人员任意时刻处于三种状态之一：易感状态、感染状态、免疫状态。SEIR模型在SIR模型的基础上新增了潜伏者。

技术实现思路

[0005]针对上述如何对大范围气溶胶扩散的传染性疾病进行建模仿真问题，本专利技术的目的是提供一种基于高斯扩散的传染病气溶胶传播建模仿真方法及系统，以满足针对气溶胶传播扩散的传染病的防控需求。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种基于高斯扩散的传染病气溶胶传播建模仿真方法，其包括：创建人工人口，以所述人工人口的地理信息为依据构建接触网络；对所述接触网络中的目标区域进行网格化，计算携带病原体的气溶胶扩散，并匹配人口和网格；基于气溶胶扩散结果以及人员在网格中的分布，计算各个人工人口的感染状况，进行人与人之间的疾病传播仿真。
[0007]进一步，所述创建人工人口包括：
[0008]依靠人口普查数据和官方统计的年度数据定义每个人在家庭中的角色；
[0009]根据真实的人口统计信息生成虚拟Agent，每个Agent包含多个属性，每个人口
Agent具有异质性。
[0010]进一步，所述构建接触网络包括：
[0011]以所述人工人口的地理信息为依据，以复杂网络建模为基础，建立人员的接触网络；
[0012]接触网络中，节点代表人员Agent，连边代表人员的接触关系。
[0013]进一步，所述对所述接触网络中的目标区域进行网格化，包括：
[0014]基于所在地区的经纬度，按照预先设定的网格化尺度，对目标区域进行网格化；
[0015]网格化的区域需要完全覆盖目标区域。
[0016]进一步，所述计算携带病原体的气溶胶扩散，包括：
[0017]通过预先给定的气溶胶扩散源信息、网格化信息及气象信息，采用高斯烟团模型计算气溶胶扩散状况，得到不同时刻各个网格点上的气溶胶浓度，通过可视化的方式将高斯烟团模型计算的二维矩阵进行展示；
[0018]所述气溶胶扩散源信息包括扩散源的位置，即所处网格化后的地理位置(x,y,z)，源强q；所述气象信息包括风速u，风向；网格化信息包括网格化经纬度范围，网格化经纬度间隔。
[0019]进一步，所述计算各个人工人口的感染状况，包括：
[0020]根据气溶胶扩散结果，得到空气中病原体浓度，进而计算单个时间片段内人员吸入的病原体数量；
[0021]通过吸入的病原体数量以及病原体的半数感染数量计算人员的感染概率；如果人员感染，则进入相应的病程。
[0022]进一步，所述人与人之间的疾病传播仿真包括：
[0023]基于SEIR模型并结合无症状感染者的病程特征，采用具有无症状患者的疾病病程模型SEI
s
I
a
RD，该疾病病程模型中有易感、潜伏、有症状、无症状、康复和死亡6个状态，开始所有人都处于易感状态；
[0024]当一个处于易感状态的人A，与一个具有传播能力的人进行接触后，A有概率ω直接具有免疫能力，从而进入恢复状态；
[0025]有概率P进入潜伏状态，有概率1
‑
P
‑
ω还是处于易感状态；
[0026]如果进入潜伏状态，潜伏期过后，A会以θ的概率进入无症状感染状态，否则，A将进入有症状的感染状态；
[0027]如果进入了有症状状态，A将以概率λ进入死亡；否则，A将完全恢复；
[0028]如果进入了无症状状态，A将以概率η恢复；否则，A将死亡。
[0029]一种基于高斯扩散的传染病气溶胶传播建模仿真系统，其包括：接触网络构建模块，创建人工人口，以所述人工人口的地理信息为依据构建接触网络；网格化模块，对所述接触网络中的目标区域进行网格化，计算携带病原体的气溶胶扩散，并匹配人口和网格；仿真模块，基于气溶胶扩散结果以及人员在网格中的分布，计算各个人工人口的感染状况，进行人与人之间的疾病传播仿真。
[0030]一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法中的任一方法。
[0031]一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个
或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述方法中的任一方法的指令。
[0032]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0033]本专利技术针对大范围气溶胶传播的传染病进行建模仿真，通过网格化的方式，计算气溶胶的扩散以及气溶胶对人员的感染情况，然后通过接触网络实现人与人的传播，有效满足针对气溶胶传播扩散的传染病的防控需求。
附图说明
[0034]图1是本专利技术实施例中建模仿真流程图；
[0035]图2是本专利技术实施例中人口模型和接触行为网络示意图；
[0036]图3是本专利技术实施例中网格化及气溶胶扩散示意图；
[0037]图4是本专利技术实施例中传染性疾病模型示意图；
[0038]图5是本专利技术实施例中武汉市地理信息可视化图；
[0039]图6是本专利技术实施例中气溶胶扩散可视化图；
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高斯扩散的传染病气溶胶传播建模仿真方法，其特征在于，包括：创建人工人口，以所述人工人口的地理信息为依据构建接触网络；对所述接触网络中的目标区域进行网格化，计算携带病原体的气溶胶扩散，并匹配人口和网格；基于气溶胶扩散结果以及人员在网格中的分布，计算各个人工人口的感染状况，进行人与人之间的疾病传播仿真。2.如权利要求1所述基于高斯扩散的传染病气溶胶传播建模仿真方法，其特征在于，所述创建人工人口包括：依靠人口普查数据和官方统计的年度数据定义每个人在家庭中的角色；根据真实的人口统计信息生成虚拟Agent，每个Agent包含多个属性，每个人口Agent具有异质性。3.如权利要求1所述基于高斯扩散的传染病气溶胶传播建模仿真方法，其特征在于，所述构建接触网络包括：以所述人工人口的地理信息为依据，以复杂网络建模为基础，建立人员的接触网络；接触网络中，节点代表人员Agent，连边代表人员的接触关系。4.如权利要求1所述基于高斯扩散的传染病气溶胶传播建模仿真方法，其特征在于，所述对所述接触网络中的目标区域进行网格化，包括：基于所在地区的经纬度，按照预先设定的网格化尺度，对目标区域进行网格化；网格化的区域需要完全覆盖目标区域。5.如权利要求1所述基于高斯扩散的传染病气溶胶传播建模仿真方法，其特征在于，所述计算携带病原体的气溶胶扩散，包括：通过预先给定的气溶胶扩散源信息、网格化信息及气象信息，采用高斯烟团模型计算气溶胶扩散状况，得到不同时刻各个网格点上的气溶胶浓度，通过可视化的方式将高斯烟团模型计算的二维矩阵进行展示；所述气溶胶扩散源信息包括扩散源的位置，即所处网格化后的地理位置(x,y,z)，源强q；所述气象信息包括风速u，风向；网格化信息包括网格化经纬度范围，网格化经纬度间隔。6.如权利要求1所述基于高斯扩散的传染病气溶胶传播建模仿真方法，其特征在于，所述计算各个人工人口的感染状况，包括：根据气溶胶扩散结果，得到空气中病原体浓度，进而计算单个时间片段内人员吸...

【专利技术属性】
技术研发人员：方立群，刘玮，徐强，陈津津，陈浩荣，吕辰龙，蒋宝贵，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院军事医学研究院，
类型：发明
国别省市：