[论文解读] Reduced mobility of infected agents suppresses but lengthens disease in biased random walk

Genki Ichinose, Yoshiki Satotani+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2018

thermodynamics and calorimetric analyses被引用 4

一句话总结

本研究在具有偏向性随机游走和感染者移动性降低的二维连续空间中构建了基于代理的SIR模型。研究发现，尽管移动性降低通过限制传播抑制了最终疫情规模，但同时也因传播速度减慢而延长了疾病持续时间，凸显了隔离政策在控制疫情时的权衡取舍。

ABSTRACT

Various theoretical models have been proposed to understand the basic nature of epidemics. Recent studies focus on the effects of mobility to epidemic process. However, uncorrelated random walk is typically assumed as the type of movement. In our daily life, the movement of people sometimes tends to be limited to a certain direction, which can be described by biased random walk. Here, we developed an agent-based model of susceptible-infected-recovered (SIR) epidemic process in a 2D continuous space where agents tend to move in a certain direction in addition to random movement. Moreover, we mainly focus on the effect of the reduced mobility of infected agents. Our model assumes that, when people are infected, their movement activity is greatly reduced because they are physically weakened by the disease. By conducting extensive simulations, we found that when the movement of infected people is limited, the final epidemic size becomes small. However, that crucially depended on the movement type of agents. Furthermore, the reduced mobility of infected agents lengthened the duration of the epidemic because the infection progressed slowly.

研究动机与目标

• 研究感染者在二维空间中具有偏向性随机游走和移动性降低时，对流行病动力学的影响。
• 探讨移动性偏差、感染半径与恢复率在最终疫情规模和消亡时间上的相互作用。
• 评估在现实的空间移动情景下，感染者移动性降低是否抑制或延长疾病传播。
• 通过分析疫情抑制与持续时间之间的权衡，为隔离策略提供洞见。

提出的方法

• 代理在具有周期性边界条件的二维连续空间中执行偏向性随机游走，偏好向右移动。
• 感染者具有降低的移动性（更低的扩散系数σI）和降低的方向持久性（更低的εI），以模拟身体虚弱。
• 通过基于代理的模拟实现SIR模型，状态转换为：当在半径r内接触时，S→I；感染后经过指数分布的恢复时间，I→R。
• 当易感者与感染者之间的距离在r以内时发生接触，感染概率基于接近程度和持续时间而定。
• 通过广泛模拟改变参数：感染半径r、种群规模N、移动性参数σI和εI，以及初始感染人数I0。
• 关键指标包括最终疫情规模（康复者数量）和消亡时间（无感染者剩余的时间）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有偏向性移动的二维空间中，感染者移动性降低如何影响疫情的最终规模？
• RQ2 代理移动中的方向性偏差是否改变移动性降低对疾病传播的影响？
• RQ3 在不同感染者移动条件下，疫情持续时间（消亡时间）如何变化？
• RQ4 种群密度与隔离在抑制疫情爆发方面的有效性之间存在何种关系？
• RQ5 在移动性降低的条件下，感染半径如何影响疫情抑制与持续时间延长之间的平衡？

主要发现

• 感染者移动性降低显著抑制了最终疫情规模，当感染者以与其他代理相同的速度仅沿一个方向移动时（σI = 0, εI = 1），疫情规模最小。
• 尽管抑制了传播，但感染者移动性降低导致疫情消亡时间延长，原因是感染的空间传播速度变慢。
• 当种群规模较小时（N ≤ 300），最小接触情况（σI = 0, εI = 1）因接触机会稀少而使消亡时间最短。
• 对于较大的种群（N > 600），当最终疫情规模最小时，消亡时间反而增加，证实了抑制与持续时间之间的权衡。
• 在中等感染半径（r）时，消亡时间达到峰值，对应中等规模疫情，因为全种群传播导致恢复更快。
• 高移动性（σI = 1, εI = 1）即使在r较小时也增加了最终疫情规模，而最小接触情况（σI = 0, εI = 1）在r增加时表现出最慢的疫情规模增长。