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流行病学建模中的全局敏感性分析。 (英语) Zbl 1524.92101号

概要:世界各地的运营研究人员广泛依赖定量模拟来模拟新冠肺炎疫情的其他方面。适当的不确定性量化和敏感性分析对于丰富建模过程和向决策者传达正确的知情见解至关重要。我们开发了一种方法,通过概率敏感性技术和机器学习工具的创新组合,获得对关键不确定性驱动因素、趋势分析和交互量化的见解。我们通过将其应用于最近在新冠肺炎大流行背景下使用的易感感染-再感染(SIR)模型家族的代表来说明该方法。我们关注意大利和美国早期疫情进展的数据。我们对相关和不相关输入进行分析。结果表明,隔离率和干预时间是关键的不确定性驱动因素,对总感染人数有相反的影响,并且参与了最相关的交互作用。

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92天30分 流行病学
90 C90 数学规划的应用
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全文: 内政部

参考文献:

[1] 亚历山大·A。;Gremaud,P.A。;Smith,R.C.,时间相关过程的基于方差的敏感性分析,可靠性工程和系统安全,196106722(2020)
[2] 阿勒泰,N。;Green,W.G.,OR/MS在灾害运营管理中的研究,《欧洲运筹学杂志》,175,475-493(2006)·Zbl 1137.90574号
[3] 阿普利,D.W。;Zhu,J.,《黑箱监督学习模型中预测变量影响的可视化》,英国皇家统计学会杂志。B系列:统计方法,82,1059-1086(2020)·Zbl 07554784号
[4] Baucells,M。;Borgonovo,E.,不变概率敏感性分析,《管理科学》,592536-2549(2013)
[5] 巴亚里,M.J。;保罗,R。;J.O.伯杰。;Sacks,J。;Cafeo,J.A。;Cavendish,J.,《计算机模型验证框架》,技术计量学,49,138-154(2007)
[6] 伯杰,D.W。;Herkenhoff,K.F。;Mongey,S.,《带有测试和条件检疫的SEIR传染病模型》,国家经济研究局,26901,1-30(2020)
[7] J.O.伯杰。;Smith,L.A.,《关于不确定性量化的统计形式主义》,《统计年鉴及其应用》,第6433-460页(2019年)
[8] O.伯曼。;Gavious,A。;Menezes,M.B.,《机场航站楼生物恐怖袭击的最佳应对》,《欧洲运筹学杂志》,219415-424(2012)·Zbl 1244.90261号
[9] 贝尔托齐,A.L。;Franco,E。;莫勒,G。;肖特,M.B。;Sledge,D.,建模和预测新型冠状病毒传播的挑战,美国国家科学院学报,11716732-16738(2020)
[10] Borgonovo,E.、Baucell,M.、Plischke,E.、Barr,J.和Rabitz,H.(2021a)。机器学习时代的趋势分析。SSRN公司,3867894,1-24。
[11] 博尔戈诺沃,E。;Hazen,G。;Plischke,E.,《全球敏感性度量及其估计的共同原理》,《风险分析》,361871-1895(2016)
[12] 博尔戈诺沃,E。;Hazen,G.B。;Jose,V.R.R。;Plischke,E.,概率敏感性度量作为信息值,《欧洲运筹学杂志》,289595-610(2021)·Zbl 1487.91071号
[13] 博尔戈诺沃,E。;Plischke,E.,《敏感性分析:最新进展综述》,《欧洲运筹学杂志》,3869-887(2016)·Zbl 1346.90771号
[14] Borgonovo,E.和Rabitti,G.(2021年)。筛选:从基本效果到平均尺寸。工作进行中·Zbl 1473.91001号
[15] Büyüktahtakón,E。;Des-Bordes,E。;Kíbísh,E.Y.,《一种新的流行病-物流模型:对西非埃博拉病毒病控制的见解》,《欧洲运筹学杂志》,2651046-1063(2018)·Zbl 1374.92140号
[16] 卡斯蒂略,E。;古铁雷斯,J.M。;Hadi,A.S.,离散贝叶斯网络中有效符号传播的新方法,网络,28,31-43(1996)·Zbl 0865.90062号
[17] Chang,S。;皮尔逊,E。;Koh,P.W。;杰拉尔丁,J。;B.红鸟。;Grusky,D.,新冠肺炎的流动网络模型解释了不公平现象并为重新开放提供了信息,《自然》,589,82-87(2021)
[18] 柯里,C.S。;福勒,J.W。;Kotiadis,K。;Monks,T。;Onggo,B.S。;Robertson,D.A.,《模拟建模如何帮助减少新冠肺炎的影响》,《模拟杂志》,第1483-97页(2020年)
[19] Dasaklis,T.K。;帕皮斯,C.P。;Rachaniotis,N.P.,《流行病控制和物流运作:Areview》,《国际生产经济学杂志》,第139393-410页(2012年)
[20] 德宁,J。;齐伦伯格,J。;斯皮茨纳,F.P。;维布拉尔,M。;Neto,J.P。;Wilczek,M.,推断新冠肺炎传播的变化点揭示了干预措施的有效性,科学,369,eabb9789(2020)
[21] 信息
[22] 东,E。;杜,H。;Gardner,L.,实时跟踪新冠肺炎的交互式网络仪表板,《柳叶刀传染病》,20533-534(2020)
[23] 多托里,M。;Fabricius,G.,动态网络上的SIR模型和传染病的地方病状态,《物理学a:统计力学及其应用》,434,25-35(2015)·Zbl 1400.92475号
[24] 杜,M。;Sai,A。;Kong,N.,霍乱疫情控制中多时段资源分配的数据驱动优化方法,《欧洲运筹学杂志》,2911106-1116(2020)·Zbl 1487.90657号
[25] Duijzer,L.E。;瓦恩·贾斯维尔德(W.van Jaarsveld)。;Dekker,R.,《早期非特定疫苗接种与后期特定疫苗接种相结合的益处》,《欧洲运筹学杂志》,271,606-619(2018)·Zbl 1403.92118号
[26] 邓森,D.B.,《大数据时代的统计:机器的故障》,《统计与概率快报》,136,4-9(2018)·Zbl 1489.62411号
[27] 染料,C。;盖伊,N.,《模拟SARS疫情》,《科学》,3001884-1885(2003)
[28] 埃夫隆,B。;Stein,C.,《方差的折刀估计》,《统计年鉴》,9586-596(1981)·Zbl 0481.62035号
[29] Enayati,S。;O.Y.奥扎尔特恩,《公平优化流感疫苗分配》,《欧洲运筹学杂志》,283714-725(2020)·Zbl 1431.92115号
[30] Eschenbach,T.G.,用于灵敏度分析的蜘蛛图与龙卷风图,接口,22,40-46(1992)
[31] 方,Y。;聂,Y。;Penny,M.,《新型冠状病毒疫情的传播动力学和政府干预的有效性:数据驱动分析》,《医学病毒学杂志》,92645-659(2020)
[32] Ferguson,N.、Laydon,D.、Nedjati-Gilani,G.、Imai,N.,Ainslie,K.和Baguelin,M.等人(2020年)。报告9——非药物干预(NPI)对降低新冠肺炎死亡率和医疗需求的影响。技术报告2020年3月16日,
[33] 费雷蒂,L。;Wymant,C。;肯德尔,M。;赵,A。;Nurtay,L.公司。;Abeler-Dörner,L.,《量化SARS-CoV-2传播建议通过数字接触追踪进行疫情控制》,《科学》,368,eabb6936(2020)
[34] Friedman,J.H.,《贪婪函数近似:梯度提升机器》,《统计年鉴》,291189-1232(2001)·Zbl 1043.62034号
[35] 范德盖格,L.C。;Renooij,S。;Coupe,V.M.H.,概率网络的敏感性分析,概率图形模型的进展,模糊性和软计算研究,214103-124(2007)·Zbl 1117.90068号
[36] 不确定性量化手册,(Ghanem,R.;Higdon,D.;Owhadi,D.(2016),Springer)·Zbl 1372.60001号
[37] Goldstein,A.、Kapelner,A.、Bleich,J.和Kapelnner,M.A.(2017年)。R包ICEbox:个人条件期望图工具箱。https://cran.r-project.org/web/packages/ICEbox/ICEbox.pdf
[38] 戈尔茨坦,A。;Kapelner,A。;布莱奇,J。;Pitkin,E.,《黑匣子内窥探:用个人条件期望图可视化统计学习》,《计算与图形统计杂志》,24,44-65(2015)
[39] 吉多蒂,R。;Monreale,A。;Ruggieri,S。;图里尼,F。;Giannotti,F。;Pedreschi,D.,黑箱模型解释方法调查,ACM计算调查,51,1-42(2018)
[40] Hart,J.L。;Gremaud,P.A.,《带因变量的Sobol指数的近似理论观点》,《国际不确定性量化杂志》,第8期,第483-493页(2018年)·Zbl 1498.62009号
[41] Hethcote,H.W.,传染病数学,SIAM Review,42,599-653(2000)·Zbl 0993.92033号
[42] Homma,T。;Saltelli,A.,非线性模型全局敏感性分析中的重要性度量,可靠性工程和系统安全,52,1-17(1996)
[43] Howard,R.A.,《决策分析:实践与承诺》,《管理科学》,34679-695(1988)
[44] IHME(2020)。新冠肺炎预测。http://www.healthdata.org/。
[45] Jansen,M.J.W.,模型输出方差设计分析,计算机物理通信,117,35-43(1999)·Zbl 1015.68218号
[46] Kaplan,E.H.,支持地方决策的COVID-19刮擦模型,《制造和服务运营管理》,22,645-655(2020)
[47] 卡普兰,E.H。;Craft,D.L。;Wein,L.M.,《天花袭击的应急响应:大规模疫苗接种案例》,美国国家科学院学报,9910935-10940(2002)
[48] 卡普兰,E.H。;Craft,D.L。;Wein,L.M.,《分析生物错误反应物流:天花案例》,数学生物科学,185,33-72(2003)·Zbl 1035.92039号
[49] 基林,M.J。;兰德,D.A。;Morris,A.J.,儿童流行病的相关模型,《英国皇家学会学报B:生物科学》,2641149-1156(1997)
[50] 西澳州科马克。;McKendrick,A.G.,《对流行病学数学理论的贡献——I.1927》,《数学生物学公报》,53,33-55(1991)·Zbl 0005.30501号
[51] 西澳州科马克。;McKendrick,A.G.,对流行病数学理论的贡献II。地方性问题。1932年,《数学生物学公报》,53,57-87(1991)
[52] 西澳州科马克。;McKendrick,A.G.,《对流行病学数学理论的贡献-II.地方病问题的进一步研究》,1933年,《数学生物学公报》,53,89-118(1991)
[53] Kleijnen,J.P.C.,《灵敏度分析模拟实验的设计和分析概述》,《欧洲运筹学杂志》,164287-300(2005)·Zbl 1068.90104号
[54] Kleijnen,J.P.C.,《模拟实验的设计与分析》(2015),施普林格国际出版公司·Zbl 1321.62006年
[55] 库查尔斯基,A.J。;罗素·T·W。;钻石,C。;刘,Y。;Edmunds,J。;Funk,S.,《新冠肺炎传播和控制的早期动力学:一项数学模型研究》,《柳叶刀传染病》,20553-558(2020)
[56] 库切伦科,S。;南卡罗来纳州塔兰托拉。;Annoni,P.,《含因变量模型的全局敏感性指数估计》,《计算机物理通信》,183937-946(2012)·Zbl 1261.62062号
[57] 林,Q。;赵,S。;高,D。;Lou,Y。;Yang,S。;Musa,S.S.,中国武汉2019年冠状病毒病(COVID-19)暴发的概念模型,个人反应和政府行动,《国际传染病杂志》,93,211-216(2020)
[58] Lipsitch,M。;科恩,T。;库珀,B。;罗宾斯,J.M。;马,S。;James,L.,《严重急性呼吸综合征的传播动力学和控制》,《科学》,3001966-1970(2003)
[59] 洛佩兹。;Rodó,X.,《社会禁闭的结束和新冠肺炎再次出现的风险》,《自然-人类行为》,746-755(2020)
[60] Lourenço,J.、Paton,R.、Ghafari,M.、Kraemer,M.,Thompson,C.和Simmonds,P.等人(2020年)。疫情传播的基本原则突出表明,迫切需要进行大规模血清学调查,以评估SARS-CoV-2疫情的阶段。MedRxiv预印本。
[61] 马萨诸塞州马拉。;Tarantola,S.,具有相关输入的模型基于方差的敏感性指数,可靠性工程和系统安全,107,115-121(2012)
[62] 马萨诸塞州马拉。;南卡罗来纳州塔兰托拉。;Annoni,P.,具有相关输入的模型输出全局敏感性分析的非参数方法,环境建模与软件,72,173-183(2015)
[63] Molnar,C.、Koenig,G.、Bischl,B.和Casalicchio,G.(2020年)。模型-认知特征重要性和依赖特征的影响-条件子组方法。ArXiv预打印ArXiv:2006.04628v2
[64] Morris,M.D.,《初步计算实验的因子抽样计划》,《技术计量学》,33,161-174(1991)
[65] 默多克·W·J。;辛格,C。;Kumbier,K。;Abbasi-Asl,R。;Yu,B.,可解释机器学习中的定义、方法和应用,美国国家科学院学报,11622071-22080(2019)·Zbl 1431.62266号
[66] Murray,J.D.,《数学生物学》(2003),Springer:Springer New York,NY,USA·Zbl 1006.92002号
[67] 恩索西,E.O。;贝克曼,R.J。;Marathe,M.V.,《模拟流感流行的基于个体模型的敏感性分析》,《公共科学图书馆·综合》,第7期,e45414页(2012年)
[68] 奥克利,J。;O'Hagan,A.,《复杂模型的概率敏感性分析:贝叶斯方法》,《皇家统计学会杂志》,B辑,66,751-769(2004)·Zbl 1046.62027号
[69] Owen,A.B.,《尺寸分布和正交试验函数》,《统计》,第13期,第1-17页(2003年)·Zbl 1017.62060号
[70] Owen,A.B.,Sobol指数和Shapley值,SIAM/ASA不确定性量化期刊,2245-251(2014)·Zbl 1308.91129号
[71] A.B.欧文。;Hoyt,C.,ANOVA平均维的有效估计,及其在神经网络分类中的应用,SIAM/ASA不确定性量化杂志,9708-730(2021)·Zbl 1464.62139号
[72] A.B.欧文。;Prieur,C.,On Shapley value for measurement importance of dependent inputs,SIAM/ASA Journal of Uncertainty Quantification,5,986-1002(2017)·Zbl 1386.65064号
[73] Pearson,K.,《关于斜相关和非线性回归的一般理论》,《进化论的数学贡献》,drapers公司研究回忆录,第十四卷(1905年),Dulau&Co.:Dulau and Co.London
[74] Peng,L.,Yang,W.,Zhang,D.,Zhugge,C.,&Hong,L.(2020年)。中国新冠肺炎疫情动态建模分析。MedRxiv预印本。
[75] Pichler,A。;Pangallo,M。;德尔里奥·查诺纳,R.M。;Lafond,F。;Doyne Farmer,J.,《生产网络与疫情传播:如何重启英国经济?》?,Covid Economics,23,79-151(2020)
[76] 正在审查中·Zbl 1473.91001号
[77] Puy,A.、Becker,W.、Lo Piano,S.和Saltelli,A.(2021)。总阶灵敏度估计器之战。ArXiv预打印ArXiv:2009.01147
[78] Rabitti,G。;Borgonovo,E.,A Shapley Owen相互作用值,SIAM/ASA不确定性量化期刊,710601075(2019)·Zbl 1426.91022号
[79] Rachaniotis,N.P。;Dasaklis,T.K。;Pappis,C.P.,《流行病控制中的确定性资源调度模型:案例研究》,《欧洲运筹学杂志》,216225-231(2012)
[80] 拉赫曼达德,H。;Sterman,J.,《扩散动力学中的异质性和网络结构:比较基于代理的模型和微分方程模型》,《管理科学》,54998-1014(2008)
[81] 拉科维奇,O。;希尔,M.C。;克拉克,M.P。;Weerts,A.H。;特林,A.J。;Uijlenhoet,R.,《局部敏感性分析的分布式评估(DELSA)及其在水文模型中的应用》,《水资源研究》,50,409-426(2014)
[82] 拉扎维,S。;Jakeman,A。;萨尔泰利,A。;Prieur,C。;Iooss,B。;Borgonovo,E.,《敏感性分析的未来:系统建模和政策支持的基本原则》,环境建模和软件,137104954(2021)
[83] 任,Y。;奥斯多涅斯,F。;Wu,S.,天花爆发后的最佳资源分配对策,计算机与工业工程,66325-337(2013)
[84] Renyi,A.,《关于统计相关性的度量》,匈牙利科学院数学学报,10441-451(1959)·Zbl 0091.14403号
[85] 兰波,L。;布鲁丘,C。;Dallot,S。;普莱德尔·D·R。;杰科特,E。;Soubeyrand,S.,《使用敏感性分析确定植物流行病传播的关键因素》,英国皇家学会开放科学,5171435(2018)
[86] Robertson,D.A.,《空间传播模型:分类和框架》,风险分析,39,225-243(2019)
[87] 萨尔泰利,A。;Aleksankina,K。;W·贝克尔。;芬内尔,P。;费雷蒂,F。;Holst,N.,《为什么这么多公布的敏感性分析是错误的:敏感性分析实践的系统回顾》,《环境建模与软件》,114,29-39(2019)
[88] 萨尔泰利,A。;Annoni,P.,《如何避免敷衍了事的敏感性分析》,环境建模与软件,251508-1517(2010)
[89] 萨尔泰利,A。;Bammer,G。;布鲁诺,我。;Charters,E。;Di Fiore,M。;Didier,E.,确保模型为社会服务的五种方法:Amanifesto,Nature,582,482-484(2020)
[90] 萨尔泰利,A。;D’Hombres,B.,敏感性分析没有帮助。从业者对严厉审查的批评,《全球环境变化》,20,2,298-302(2010)
[91] 萨尔泰利,A。;Ratto,M。;安德烈斯,T。;Campolongo,F。;Cariboni,J。;Gatelli,D.,《全球敏感性分析-入门》(2008),John Wiley&Sons·Zbl 1161.00304号
[92] 萨尔泰利,A。;Tarantola,S.,《关于数学模型中输入因素的相对重要性:核废物处置的安全评估》,《美国统计协会杂志》,97,702-709(2002)·Zbl 1073.62602号
[93] 北卡罗来纳州沙拉雷。;新南威尔士州Sabounchi。;Sayama,H。;MacDonald,R.,《埃博拉危机和相应的公共行为:系统动力学方法》,《公共科学图书馆·潮流》,8,1-18(2016)
[94] Sobol’,I.M.,非线性数学模型的灵敏度估计,数学建模和计算实验,1407-414(1993)·Zbl 1039.65505号
[95] Sobol’,I.M.,高维模型表示中的定理和示例,可靠性工程和系统安全,79,187-193(2003)
[96] 托拉比,S.A。;沙姆西,G.N。;Shakouri,G.H.,使用SIR流行病模型采购Q5 1296疫苗的期权合同,《欧洲运筹学杂志》,267,3,1122-1140(2018)·Zbl 1403.92121号
[97] 唐,B。;王,X。;李强。;布拉加齐,N.L。;唐,S。;Xiao,Y.,《2019-nCo传播风险评估及其对公共卫生干预的影响》,《临床医学杂志》,第9462页(2020年)
[98] 坦纳,M.W。;Sattenspiel,L。;Ntaimo,L.,使用随机规划寻找参数不确定性下的最优疫苗接种策略,数学生物科学,215144-151(2008)·Zbl 1147.92024号
[99] 特本斯,R.J。;汤普森,K.M.,《优先权转移和管理可根除传染病的动态》,《管理科学》,55,650-663(2009)
[100] Upadhyay,R.K。;Pal,A.K。;库马里,S。;Roy,P.,具有非线性发病率和治疗率的SEIR流行病模型的动力学,非线性动力学,96,2351-2368(2019)·Zbl 1468.92060号
[101] da Veiga,S.(2021)。基于核的ANOVA分解和Shapley效应——应用于全局敏感性分析。ArXiv预印本ArXiv:2101.05487v1
[102] Wang,H。;王,Z。;Dong,Y。;Chang,R。;徐,C。;Yu,X.,中国武汉2019年冠状病毒病病例数的阶段调整估计,细胞发现,6,1-8(2020)
[103] Wang,T。;Dyer,J.S。;Hahn,W.J.,使用连接函数对相关不确定性下决策的敏感性分析,《欧洲决策过程杂志》,5,117-139(2017)
[104] Wu,J.,《后费希尔实验:从物理到虚拟》,美国统计协会杂志,110,610-620(2015)·Zbl 1373.62589号
[105] Wu,J.T。;Leung,K。;Leung,G.M.,《2019-nCoV疫情在中国武汉爆发的潜在国内和国际传播预测:Amodelling研究》,《柳叶刀》,395689-697(2020)
[106] Yarmand,H。;常春藤,J.S。;Denton,B。;Lloyd,A.L.,《不确定性下地理上不同区域的最佳两阶段疫苗分配》,《欧洲运筹学杂志》,233208-219(2014)·Zbl 1339.90226号
[107] Zhang,Y。;你,C。;蔡,Z。;Sun,J。;胡,W。;周晓华,基于新随机动态模型的中国新型冠状病毒疫情预测,科学报告,10,1-10(2020)
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