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本文通过对猪流感病毒扩散与传播的分析,讨论了人群中不同性质的五种人群,分别为正常人,疑似患者,患者,治愈人群,死亡人群的变化情况,通过在考察的人数很多,考察的时间有限度的情况下,离散时间连续处理,使得模型简单明了,并以此建立流行病动力学仓室模型,通过求解微分方程来解决问题,得出单位时间内正常人数的变化、单位时间内疑似患者人数的变化、单位时间内确诊患者人数的变化、单位时间内隔离或治疗数的变化、单位时间内治愈者人数的变化、单位时间内死亡人数的变化规律。这样不但将5类人相互间的关系清晰的表达出,而且还清楚的知道应该控制那条路线,各变量间关系明确,结合一定的数据可以很方便计算出。 在讨论参数对计算结果的敏感性时,我们运用了比较的思想,利用MATLAB软件,在各参数不同的情况下,针对入院治疗和隔离时间的不同及隔离强度的不同,设定符合条件的参数,以总人数不变为条件,解出流行病的扩散与传播随时间变化的曲线。并与实际情况进行对比,得到了较好的仿真结果。 关键词 MATLAB仿真 线性拟合 动力学仓室模型 微分方程 流动速率
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流行病毒的扩散与传播的控制问题
摘 要
本文通过对猪流感病毒扩散与传播的分析,讨论了人群中不同性质的五种人群,分
别为正常人,疑似患者,患者,治愈人群,死亡人群的变化情况,通过在考察的人数很
多,考察的时间有限度的情况下,离散时间连续处理,使得模型简单明了,并以此建立
流行病动力学仓室模型,通过求解微分方程来解决问题,得出单位时间内正常人数的变
化、单位时间内疑似患者人数的变化、单位时间内确诊患者人数的变化、单位时间内隔
离或治疗数的变化、单位时间内治愈者人数的变化、单位时间内死亡人数的变化规律。
这样不但将 5 类人相互间的关系清晰的表达出,而且还清楚的知道应该控制那条路线,
各变量间关系明确,结合一定的数据可以很方便计算出。
在讨论参数对计算结果的敏感性时,我们运用了比较的思想,利用 MATLAB 软件,
在各参数不同的情况下,针对入院治疗和隔离时间的不同及隔离强度的不同,设定符合
条件的参数,以总人数不变为条件,解出流行病的扩散与传播随时间变化的曲线。并与
实际情况进行对比,得到了较好的仿真结果。
关键词
MATLAB 仿真 线性拟合 动力学仓室模型 微分方程 流动速率
博梦工作室 凡舞提供
2
一、问题的重述
去年,猪流感在墨西哥爆发,引起全世界人的关注。流行病毒的扩散与传播的控制
问题得到各国领导人和世界卫生组织的重视。各国都采取各种措施预防猪流感病毒的传
播和蔓延。假设该病毒的潜伏期为 d1 至 d2 天,得病患者经治疗经过 d3 天可以治愈,
严重的可能引起患者死亡。该病毒可通过直接接触、口腔飞沫进行传播、扩散。设人群
中每人每天的接触人数为 r。人群中的人可以分为 5 类:确诊患者、疑似患者、治愈者、
死亡人和正常人,可控制参数是隔离措施强度,即潜伏期内的患者及疑似患者被隔离的
百分数。
1、建立流行病病毒扩散与传播的控制模型;
2、利用所建立的模型针对如下数据进行模拟
条件 1. d1=2, d2=7, d3=20, r=15;
条件 2.已经知道出事发病人数为 50 人,疑似患者 280 人;
条件 3.隔离强度 p=75%
条件 4.患者 2 天后入院治疗;疑似患者 2 天后被隔离.
试给出患者人数随时间变化的曲线图,并标识图中的一些特殊点的具体数据,分析
结果的合理性.
3、若将 2 中条件 4 改为患者 1 天后入院治疗,疑似患者 1 天后隔离,模拟结果如何变
化?
4、若将 2 中条件 3 改为隔离强度 p=90%模拟结果如何变化?
分析问题中参数对计算结果的敏感性.
针对以上数据给政府部门写一个不超过 400 字的建议报告.
二、问题分析
本模型建立的目的是,通过建立模型,来预测未来猪流感感染人数的趋势,从而更
好的预防传染病的传播。在研究猪流感的传播时,我们的考察对象是人群,而人群由一
个个实体构成,因而在计算受感染的人数时,随时间的变化应是离散的。然而在研究时
考察的人数很多,考察的时间也有限度,我们可假设感染人数随时间的变化是连续的,
这样一来,可使模型简单化,可求得人群在 5 类人的状态变化关系。在考虑地区总人数
不变时,由于人群中的人只有确诊患者、疑似患者、治愈者、死亡人和正常人 5 类,我
可构造 5 个仓室分别代表 5 类人,仓室间的连线表示各类人流向,以此建立流行病动力
学仓室模型,通过求解微分方程来解决问题,得出单位时间内正常人数的变化、单位时
间内疑似患者人数的变化、单位时间内确诊患者人数的变化、单位时间内隔离或治疗数
的变化、单位时间内治愈者人数的变化、单位时间内死亡人数的变化规律。这样不但将
5 类人相互间的关系清晰的表达出,而且还清楚的知道应该控制那条路线,可减少病毒
的传播,最终使染病的人越来越少。
在已得到病毒扩散与传播的控制模型的基础上,我们将后几问所要求的问题放入模
型就可得到患者人数随时间变化的曲线图,我们可以根据这些图得出模型结果的变化。
这样一来,就可以根据这些模型结果的变化而采取相应的应对措施。
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3
三、模型假设
1、假设在疾病传播期内所考察地区总人数 N 视为常数,自然死亡与人口出生持平,也
认为本地区流入的人数与流出的人数相等。
2、假设治愈者将不会再感染即二度感染患病。
3、假设没有被隔离的疑似患者都将被感染,没有被治疗的患者都将死亡。
4、得到的关于中国与全世界的相关数据是真实可靠的。
5、将猪流感的所有可能的传播途径视为与传染源直接接触。
6、假设被隔离者完全断绝与外界的接触不再具有传染性。
7、患者死亡后不在具有传染性。
8、假设疑似患者不具有传染性。
四、符号说明
1
q
人群中正常人所占比例;
2
q
人群中疑似病人所占比例;
3
q
人群中患者所占比例;
4
q
人群中死亡人所占比例;
5
q
人群中治愈者所占比例;
6
q
人群中被隔离治疗的人所占的比例;
1
v
正常人转化成疑似患者的速率;
2
v
疑似患者被隔离治疗的速率;
3
v
疑似患者未被隔离而变成患者的速率;
4
v
患者被送往隔离治疗的速率;
5
v
患者未治疗而死亡的速率;
6
v
隔离治疗区的人治疗无效而死亡的速率;
7
v
隔离治疗区的人被治好的速率;
r
人群中每人每天接触人数;
p
隔离措施强度;
0
N
人群基数;
1
疑似患者日隔离治疗系数;
2
患者被日隔离治疗系数;
患者日死亡系数;
疑似患者转变成患者的系数;
1
日治愈系数;
2
日治愈无效死亡系数;
f
d
病毒潜伏期;
c
d
得病患者治愈期;
k
无潜伏期病毒扩散系数;
g
无治愈期治疗系数;
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4
五、模型的建立
问题一
根据模型假设,在疾病传播期内所考察地区总人数 N 视为常数,自然死亡与人口出
生持平,也认为本地区流入的人数与流出的人数相等。所以,疫区总人口数不变即人口
守恒。把疫区所有的人分为 6 类:
正 常 人:易感染者,初使人数:
0 1 0
(0)
M q N
;
疑似患者:症状类似感染,但不确认到底是否患病,初使人数:
0 2 0
(0)
S q N
;
确诊患者:感染源,确认患病,具有传染性,初使人数:
0 3 0
(0)
W q N
;
被隔离者:被隔离正在接受治疗,不再具有传染性。初使人数:
0 6 0
(0)
L q N
;
被治愈者:病愈,将不再具有传染性,初使人数:
0 5 0
(0)
D q N
;
死 亡:没有被治愈好,病发身亡。初使人数:
0 4 0
(0)
J q N
;
随着时间
t
的变化,对于各类型人,
t
时刻总有:
1 2 3 4 5 6
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1
q t q t q t q t q t q t
构造流行病动力学仓室图如图 1.1,图中人群分成六个部分,依次为正常人(易感
染者)、疑似患者、确诊患者、隔离治疗的人、治愈者(病愈免疫)、死亡。箭头表示各
类人的流向。
根据以上分析,以微分方程的方法作为理论基础,结合采取的措施不同的情况,我
们建立微分方程得出单位时间内正常人数的变化、单位时间内疑似患者人数的变化、单
位时间内确诊患者人数的变化、单位时间内隔离或治疗数的变化、单位时间内治愈者人
数的变化、单位时间内死亡人数的变化规律,从而得到病毒扩散与传播的控制模型。
首先,确定图 1.1 中各通道的流动速率如公式(1)所示:
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