SARS传染扩散的动力学随机模型

基于对每个病人的感染、发病和传染随机过程主要特征的模拟, 构建了SARS传播的系统动力学随机模型. 以越南的数据为参考, 进行了Monte Carlo实验. 初步结果表明, 感染率及其随时间的变化是影响SARS传播的最重要因素. 在感染历史已知及未来感染率得到控制的条件下, 模型可以预测疫病发展态势和随机起伏大小.     

流行病传播模型与SARS

本文讨论流行病传播模型的发展历史,认为它主要经历了决定论模型、原胞自动机模型和复杂网络模型这三个阶段,同时简要介绍了本课题组和其他课题组分别运用决定论模型、原胞自动机模型或复杂网络模型模拟北京市的SARS传播过程的一些例子,拟说明这三个阶段中取得的认识进展都有利于对SARS传播建立模型、进行预测、探讨规律,然而不同的模型又各具特点.在复杂网络模型模拟的介绍中重点叙述近年来的重要认识,即网络的"小世界性"、"无标度性"、"高团簇性"对流行病传播的影响,并且报道了本课题组在模拟SARS传播时得到的相应结果.     

2011年3月11日日本地震海啸数值模拟

为了有效利用数值模拟的方法来更好的预测海啸,利用美国国家地质调查局(US Geological Survey,USGS)给出的震源机制及断层参数,对日本仙台地震海啸进行数值模拟,运用模拟结果对沿岸海啸灾害分布进行分析,以期给出更为合理的海啸预警方案.数值模型由震后表面变形模拟和基于二维浅水波方程的海啸传播程序两部分组成,模拟结果表现了海啸传播过程的特征,与岸边观测点对于海啸到达时间及波高的记录基本吻合.使用该模型在地震发生后对于海啸到达的地区及其波高进行预测,可以给出更准确的海啸预警,降低海啸对人类造成的损失.     

中国内地SARS输入输出流的疾病传播网络分析

关注传染病流行中个体在健康-受感染-发病-就诊-康复过程的时空变化模式以及区域之间的信息流与物质流的交互作用, 基于2002~2003年中国内地SARS流行病学调查数据, 选取SARS流行的3个典型个体空间位置信息: 工作单位或住址、发病地点以及报告单位, 定义SARS传播输入输出流, 并在此基础上构建了SARS输入流与输出流传播网络模型, 对SARS传播输入输出流的时空分布特征、节点特征参数的空间分布与时序变化以及网络结构特征等进行了全面系统的分析. 结果表明: (1) 北京和广东是输出病例和自传播病例最为严重的地区, 对于北京自传播病例的防控措施重点应是在SARS流行的后期; (2) 中国内地SARS传播网络具有明显的输出流聚集性质, 形成了以北京和广东为中心的两个输出聚集区域; (3) 广东是SARS传播扩散的起源中心与早期大部分区域感染病例的主要输入来源, 但没有对其周围形成显著辐射蔓延状况, 而北京直到流行中后期才与周围各区域产生输入输出的交互, 但却有显著空间辐射扩散能力; (4) 广东在整个SARS流行期具有大幅度的传播辐射范围, 而北京及其周围区域在流行中后期形成另一大幅度传播辐射范围, 尤其在后期河北等周围区域的辐射范围甚至略超北京; (5) 输入流网络辐射强度较低且辐射范围属中等水平, 而输出流网络辐射强度较高且辐射范围基本覆盖全国, 并且表现出逐渐增强的聚集性结构特征. 基于SARS传播输入输出流及其传播网络的分析有助于揭示SARS流行的潜在时空传播规律与整体时空演化特征, 为防控措施提供更有效的理论支持.     

中国内地SARS输入输出流的疾病传播网络分析

关注传染病流行中个体在健康-受感染-发病-就诊-康复过程的时空变化模式以及区域之间的信息流与物质流的交互作用,基于2002~2003年中国内地SARS流行病学调查数据,选取SARS流行的3个典型个体空间位置信息:工作单位或住址、发病地点以及报告单位,定义SARS传播输入输出流,并在此基础上构建了SARS输入流与输出流传播网络模型,对SARS传播输入输出流的时空分布特征、节点特征参数的空间分布与时序变化以及网络结构特征等进行了全面系统的分析.结果表明:(1)北京和广东是输出病例和自传播病例最为严重的地区,对于北京自传播病例的防控措施重点应是在SARS流行的后期;(2)中国内地SARS传播网络具有明显的输出流聚集性质,形成了以北京和广东为中心的两个输出聚集区域;(3)广东是SARS传播扩散的起源中心与早期大部分区域感染病例的主要输入来源,但没有对其周围形成显著辐射蔓延状况,而北京直到流行中后期才与周围各区域产生输入输出的交互,但却有显著空间辐射扩散能力;(4)广东在整个SARS流行期具有大幅度的传播辐射范围,而北京及其周围区域在流行中后期形成另一大幅度传播辐射范围,尤其在后期河北等周围区域的辐射范围甚至略超北京;(5)输入流网络辐射强度较低且辐射范围属中等水平,而输出流网络辐射强度较高且辐射范围基本覆盖全国,并且表现出逐渐增强的聚集性结构特征.基于SARS传播输入输出流及其传播网络的分析有助于揭示SARS流行的潜在时空传播规律与整体时空演化特征,为防控措施提供更有效的理论支持.     

北方季风边缘区洞穴石笋δ18O序列预测初步研究

基于时域组合模型建立了中国北方季风边缘区万象洞及黄爷洞石笋δ¹⁸O时间序列的动态模型, 并对未来20年的降水变化趋势进行了预测. 研究结果表明, 时域组合模型较好地提取了时间序列的周期信息, 用其拟合实测数据精度较高; 用其预测时间序列的变化情况, 和现代气象观测记录相吻合, 具有一定的可信度. 同时通过中国北方季风边缘区树轮的预测结果对比显示, 该地区在2012~2013年前后降水最少, 随后20年里将呈现先升后降的变化趋势.     

严重急性呼吸综合征(SARS)的传播与控制动力学

严重急性呼吸综合征(SARS)是隐含大量未知因素的严重疾病. 提出一种简单的动力学模型以评估SARS流行的可能性和控制措施的有效性. 基于此模型, 分析了SARS在北京的流行数据. 数据拟合结果表明, 在北京导致SARS爆发的基本传染数为2.16, 而控制措施导致有效传染数下降. 应指出的是, 响应时间和控制措施的力度对流行病的爆发和持续时间有显著影响.     

基于率相关模型的多孔介质应变局部化基本理论

研究了引入率相关模型含液多孔介质应变局部化双重内尺度律的特征以及相互作用, 此时材料应变局部化分析结果的正则性得到保证, 但同时也出现了双重内尺度律参数的相互作用问题, 且内尺度律预测也成为问题分析的难点. 提出了引入率相关模型后内尺度律预测的一个基本方法, 并进行了多孔材料的稳定性分析. 同时也讨论了不同情况下实波速存在的条件以及给定渗透系数对应的实波速存在波数区间. 最后通过数值算例对理论预测的正确性进行了验证.     

呼吸道传染病气溶胶传染致病机理及预测方法

近十多年来,多次爆发的呼吸道传染病反复说明了控制呼吸道传染病的重要性.病人呼出的微生物气溶胶包含大量携带病原体的飞沫和飞沫核,它们是呼吸道传染病传播的重要载体.本文就病人呼出气溶胶的蒸发、散布特性及微生物在其中的凋亡特性展开了讨论,总结了呼出气溶胶散布机理以及预测方法的研究进展,特别是2003年严重急性呼吸综合征(SARS)爆发后的多学科综合研究进展.阐述了飞沫传播、短距离空气传播和长距离空气传播疾病的传播特性、致病机理和相关的风险预测模型,并根据致病机理给出了感控预防措施.本综述更新了目前对呼吸道传播疾病的理解,为制定呼吸道传染病的预防和控制措施打下基础.     

亚洲非典型肺炎暴发流行规律的研究

非典给亚洲许多国家, 尤其中国, 带来了巨大损失. 有关其暴发流行规律尚不完全清楚. 拟通过根据政府发布的SARS病例信息, 寻找能揭示其暴发流行规律的数学模型, 并分析地区间差异. 鉴于非典病例数随着防治措施的加强应逐渐减少, 我们假设病人累积数可能符合种群动态研究中著名的逻辑斯蒂模型(Logistic model), 即病例数增长率应与病人累积数呈线性负相关. 研究结果表明, 中国大陆(包括北京、河北、天津、山西、内蒙古)、香港以及新加坡的非典病例数增长率与病人累积数呈显著线性负相关. 各地基本传染指数(R₀)为2~5.6. 河北、天津的R₀显著高于山西、内蒙古、北京、香港、新加坡. 亚洲地区非典暴发流行规律可用逻辑斯蒂模型描述. 非典病例数与病人累积数呈显著线性负相关的主要因素是政府有利的防控措施. 使用该模型, 基本传染指数(R₀)和最大病例数可以较好地提前估计.     

塔克拉玛干沙漠风沙土潜水极限蒸发强度的理论分析

潜水蒸发是塔克拉玛干沙漠地区浅层地下水的主要消耗项.潜水极限蒸发强度是在给定的土壤和潜水埋深条件下单位时间内土壤最大可能输送到地表的水量,是建立潜水蒸发计算模型的重要参数和控制条件.利用实测的土壤含水率和土壤水吸力数据,根据Van Genuchten提出的水分特征曲线公式,采用最小二乘法拟合了塔克拉玛干沙漠地区土壤的水分特征曲线方程.采用瞬时剖面法现场测定了非饱和土壤导水率,建立了该区非饱和土壤导水率的计算公式.在对非饱和土壤导水率的计算公式进行概化的基础上,根据非饱和土壤水稳定流理论,推导出计算潜水极限蒸发强度的准解析解.研究结果表明:采用Van Genuchten提出的水分特征曲线公式描述塔克拉玛干沙漠地区土壤水分特性,效果较好;潜水极限蒸发强度随潜水埋深的增大而呈幂函数关系递减.     

建筑物非线性变形动态预测的数据机理:自记忆模型

综合考虑建筑物沉降变形时间序列的单调增长的特殊性和非线性特征,利用动态数据反演建模方法和自记忆性方程,提出了一种随机与动力相结合的建筑物非线性变形预测的数据机理:自记忆模型.该方法将观测到的建筑物沉降位移时序数据视为描写建筑物变形非线性动力系统的特解,运用反演动力模式方法导出系统的微分方程,通过引入记忆函数,将制约动力系统的微分方程推演成一个差分-积分方程,从而建立建筑物沉降非线性变形预测的动力系统自记忆模型.由于该模型用历史资料估计记忆系数,蕴含了历史资料中对预测有用的信息,所以能很好地预测出系统极值,克服了以统计为基础的预报模型在做多步预测时预测值偏向平均值的缺点,较以往单一的确定论或随机统计论预测方法具有更高的拟合精度和预测准确率.将该方法用于实际工程建筑物沉降变形预测,证明了该模型的有效性及可行性.     

不同国家和时段COVID-19控制策略效果评价:基于自适应PSO-SEIR模型

新型冠状病毒肺炎(COVID-19)在超过100个国家和地区相继暴发.目前,疫情依然在蔓延,如何快速控制疫情已成为各国面临的首要问题.本文基于常规粒子群(particle swarm optimization, PSO)算法,提出了一种采用自适应权重的PSO算法,对SEIR(susceptible-exposed-infected-recovered)改进模型的关键参数进行反演计算.利用中国大陆、意大利、西班牙和德国的确诊、治愈和死亡数据进行模拟及预测,发现所得结果与实际值的相关系数R2均在0.93以上,验证了算法有效性.再利用反演求得的不同阶段各国疫情防控中的关键参数,分析并评估疫情控制中的有效策略及其所占比重,发现送医时间为降低患者数量的首要因素,隔离率次之,且隔离率影响程度随送医时间缩短而提高.当送医时间从13 d缩短至1 d时,即使不考虑隔离率和人群防护意识的作用,有效再生数依然可以从3.9下降至1.4.通过研究有效控制疫情的重大事件,发现增加临床诊断和建立方舱医院使湖北省患者就医时间从16 d逐渐降至1～2 d.各国防疫效果主要受患者就医时间差异的影响,侧面佐证了加快患者收治速度和建立方舱医院的重要性.此外,当人群的防护意识指数从0.25上升至0.69时,所研究国家的确诊人数均可下降近1/3.本文对防疫影响因素进行研究分析,可为疫情尚未得到控制的地区制定有效的防控措施提供理论指导,并对未来可能出现的类似疫情的防控政策制定提供参考.     

SARS:启动全球科学家系统的按钮

今年3月初,美国的传染病专家们紧张关注着一种前所未闻的人类传染病在亚洲一些地区蔓延并传播到加拿大.这种疾病被称为SARS(severe acute respiratory syndrome),国内俗称非典型性肺炎.事实上,国内第一例SARS患者2002年11月出自广东佛山;第二、三例患者2002年12月出自广东河源.河源的患者一下子感染了8人,包括身边的医护人员和家属;连开救护车的司机和在救护车上护送的医护人员也病倒了.此时中国广州胸科研究所的钟南山院士已经感觉到,无论从临床症状还是从传染能力方面看,这种病都不像是一般的疾病,它的传染性和致命性都很强.2003年1月21日,以钟南山为首的专家组起草了一份有关中山市不明原因肺炎的调查报告,首次将这种病命名为"非典型性肺炎",即现在统称为SARS的疾病.自2003年1月下旬起,这种疾病就在广东蔓延开来,随后进入香港以及世界的部分其他地区;4月份又引发了北京市SARS疫情的爆发,并波及华北和全国14个省区市.对于全世界的专家来说,SARS的爆发提出了一个严峻的课题,因为人类对这种新型的致命传染病既无有效的诊断和治疗方法,更无预防疫苗.     

基于全基因组比较的SARS冠状病毒种系进化分析

SARS(severe acute respiratory syndrome)冠状病毒已被世界卫生组织确认为SARS传染病的病原体, 它的全基因组测序工作分别由中国、加拿大、美国等国的研究小组完成. 然而它的起源仍是一个谜. 为了探寻SARS冠状病毒的来源, 基于FDOD(function of degree of disagreement)方法, 对12个SARS冠状病毒分离株和12种以往发现的冠状病毒进行了全基因组比较, 构造出种系进化无根树. 结果表明, 这两类病毒(分别由12个SARS冠状病毒分离株和12种以往发现的冠状病毒构成)虽然都来自冠状病毒属, 但它们位于两个不同的进化分支上. 冠状病毒属中的3个组被准确地重构. 根据得到的结果, 推测SARS冠状病毒更类似于第一组中的冠状病毒. 根据种系进化树的拓扑结构和各SARS冠状病毒分离株与造成香港Metropole饭店疫情的SARS冠状病毒株之间的联系, 推测各SARS冠状病毒分离株分别位于进化树上两个大的分支, 这为SARS的流行病学研究提供了辅助信息.     

部分苯酚衍生物生物降解性的2D和3D-QSBR研究

应用B3LYP/6-311G**水平计算得到的量子化学参数,在实验数据的基础上,建立了部分苯酚衍生物生物降解性能(二氧化碳生成量(PCD))的定量结构-生物降解性相关模型(2D-QSBR),该模型包括分子平均极化率(α)和熵(SΘ)两个参数,其中α对PCD的影响更为显著,模型的相关系数R2=0.933,交叉验证相关系数q2=0.894.该结果优于midix,6-31G*计算水平下得到的2D模型,此外,应用基于分子模拟技术的比较分子相似性指数(CoMSIA)方法,建立了3D-QSBR模型,模型的R2=0.964,q2=0.716,化合物的氢键供受体特性对降解能力的影响较为显著,其次是化合物的疏水性.结果表明,2D和3D-QSBR模型都具有良好的稳定性和预测能力,可以预测同类化合物的PCD值.     

稳态声空化泡的高精度测量技术

根据稳态声空化泡的周期颤动特征, 提出了一种高精度测量气泡大小随时间演化过程的方法.这种方法运用了可数字移相的脉冲激光照明技术和长距离显微技术, 通过激光器、声光调制器、脉冲发生器和长距离显微镜等实验仪器来实现. 一系列不同相位的气泡图像直接显示了声空化泡半径的时间演化规律. 实验结果与Rayleigh-Plesset 气泡动力学模型很好地拟合, 同时还得到重要的模型参数——声空化泡的平衡半径.     

基于Gogny相互作用的壳模型计算

在壳模型的框架下引入了密度依赖的Gogny相互作用以研究有限核的核结构性质.文中详细地讨论了密度依赖核力的性质和在壳模型中的运用.通过迭代求解的方法可以得到任意模型空间下的两体矩阵元和单粒子能.经过p壳和sd壳的计算我们发现Gogny相互作用可以在跨度较大的核区内有效计算能谱和结合能等核结构信息.并且在各套Gogny参数中D1S的表现最好,与实验数据进行对比能给出很好的计算结果.     

HIV模型的统计诊断

描述HIV的数学模型是一组非线性常微分方程,其中包括CD4+T细胞再感染率和死亡率,HIV病毒死亡率等多个重要未知参数,准确估计这些参数有助于正确了解患者病情发展,以采用个人化治疗方案.针对此模型已提出多个参数估计方法,包括基于数值解的非线性最小二乘,截面似然及两步估计.另一方面,由于客观因素影响,各观测数据对于参数估计的影响大小不同,找出对参数估计影响大的观测值,进一步分析其原因具有重要意义.基于HIV模型的两步估计,构造了用于影响分析的非参数Cook型统计量,并给出其大样本分布.通过模拟数据和临床数据分析发现:(1)所构造统计量可以检测中度以上偏移.(2)相对于内点,边界点对HIV模型的参数估计影响更大.基于以上结论,建议对HIV模型进行参数估计时,对边界点应加以格外关注.提出的方法也可以推广到其他线性常微分方程模型的统计诊断问题中.     

雌二醇衍生物的HQSAR研究

应用基于分子全息的QSAR方法, 对30种雌二醇衍生物与羔羊子宫雌激素受体作用的lgRBA值建立了相关模型, 研究了碎片区分参数及碎片长度对模型质量的影响. 最佳全息条件下产生的模型的相关系数r²为0.991, 交叉验证相关系数q_LOO² 为0.897. 结果表明所建模型具有良好的拟合效果, 同时具有较高的预测能力.