基于GIS和Agent的昆明市进城务工人员艾滋病传播模拟研究

摘要:文章基于Agent建模技术,以昆明市进城农民工为研究对象,得出昆明市进城务工群体中HIV/AIDS的时空传播模型,根据其影响因素,掌握人群对性病/艾滋病健康教育的需求,为其如何进行艾滋病预防及如何对其进行健康教育工作提供科学依据,最终做好艾滋病的有效预防和控制。

关键词:高危人群;SEIR模型;社会网络;艾滋病传播

中图分类号:R512文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)27-0026-03

20世纪80年代被喻为威胁人类健康的第四大杀手――艾滋病毒开始肆虐全球,至今带来极大的危害。长期以来,建立制止艾滋病蔓延的手段等,一直是各国有关专家和官员关注的课题。建立传染病的传播模型,并将其用于模拟传染病的传播过程,将有助于把握传染病的时空传播规律,为相关决策部门控制传染病的蔓延提供科学依据。基于Agent的模拟方法是一种很好的研究疾病传播过程的仿真,它通过建立起Agent的行为模型,研究疾病依附在Agent上,随着Agent的活动、移动而传播扩散开去的传染过程和规律。

1昆明市艾滋病流行现状及进城务工人群现状

1.1昆明市艾滋病流行现状

图1是在昆明CDC调研得到的按传播途径统计图,年限从2000年1月到2009年1月,图中很清楚地看到昆明市以注射血液传播和异性之间的性传播为主,而性传播正在成为主要的传播途径,异性、同性都呈上升趋势。

1.2昆明市进城务工人群现状

三低群体(低文化、低收入、低保障)――农民工,在艾滋病传播中处于高危位置,是一个特殊的群体,也具有其自身的传播特点。昆明流动人口中约有70多万农民工,建筑工地农民工约30余万人,主要集中在昆明各建筑工地,他们正处于性活跃期,又远离家乡和亲人,容易发生不安全,造成艾滋病在人群中流行,农民工已成为艾滋病传播的高危人群。农民工没有吸食的经济来源,其血液传播和母婴传播不突出。

2艾滋病传播模型总体设计

GIS的发展和应用成熟,其空间分析功能为流行性传染病的研究提供了新的方法和工具,应用GIS技术可以对空间人口比例(智能体比例)进行不同颜色显示,对总人口数(智能体数)进行统计及对智能体活动的环境(数字地图)进行预处理等。Agent模型建立在人工智能的发展之上,是对元胞自动机、计算机仿真理论的一种拓展,它将每一个智能体放在一个开放的环境中去学习、适应和生存,在很大程度上符合人类活动的现实,是个体、空间和时间相结合的最佳切入点。

Agent建模技术,将现实世界中的研究对象作为一个智能体,即从现实世界中去获取属性数据,通过规则库的建立,经由模拟平台在时间上的动态模拟,来实现对现实世界的最大程度上的还原,最后在通过决策支持和应急响应系统的完善,完成对研究对象的表达和描述。HIV/AIDS的扩散传播正是在个体与环境之间、个体与其它个体这间主动交往、相互作用的过程中产生和发展的,运用Agent建模技术对艾滋病时空传播机制的模拟是最佳的选择。

3艾滋病传播模型详细设计

3.1Agent的活动范围

在模型中,所设定的环境是一个封闭的2维格网空间。每个格网只能容纳一个Agent,而每个Agent所在的网格是随机选择的。假设一个Agent的vision值为10,Agent所在的位置为(20,20)。如果视野范围内都未被其他Agent占领。则Agent可移动到的位置(x,y)满足以下关系:

(x-50)2+(y-50)2≤42=16 (1)

3.2潜在配对对象

为了模型变得简单,避免两Agent所找到的潜在配对对象冲突的现象。我们假定男性主动去配对和解对,所以潜在对象必须是女性。于是潜在配对对象需要满足如下条件:年龄在20～60之间;未配对的女性;在当前Agent的视界范围之内。当前Agent在满足上面条件的Agent中任意选择一个作为潜在对象。

3.3Agent相互间的交互

配对过程就是Agent和他所找到的潜在的配对对象配对的过程。寻找到潜在对象后,如果说寻找到的潜在配对对象有配对意向(couple Tendency),那么两Agent配对,设置两Agent配对相关属性:配对状态(is Coupled)为配对中(true),设置配偶(parterner)为潜在配对对象。同时,潜在配对对象为无。这时已配对时间(couple Length)会随时间变化。与此同时,模型假设Agent这时不会移动寻找其他的对象发生性关系。当已配对时间超过两Agent中的任一个的关系维持时间(commitment),这时就需要对两Agent进行解对(uncouple)。同时,修改Agent的配对相关属性。配对状态为未配对,配偶设为无,配对时间清零。

3.4HIV的传播

Agent之间通过发生性关系传染。要发生传染,需要同时满足如下条件:在配对中,且有一个Agent已经感染Aids病毒;至少有一个Agent要求不使用安全套;满足单次性关系传染的概率。

在模型中,每单位时间对在配对的Agent检查一次。如果满足传染条件,则发生传染。在模型中,对每一个Agent都有一个年检次数的属性。如果Agent已经被感染,那么他去做年检的时候就会被检测出来。另外,当Agent患艾滋病的时间超过潜伏期后,就算Agent不去做检查,他仍然有一定的概率因为其他并发症而去医院做检查,从而得知该Agent已经患病。对知道患病的Agent,模型假设其在发生性关系时一定会使用安全套。同时假设,如果发生性关系时使用了安全套,那么就不会发生传染。

3.5Agent的死亡移出

一个Agent的死亡有两种情况:Agent的年龄达到了他的寿命;Agent感染了Aids病毒后发病。在本模型中,假设Agent感染了病毒可能在9～12年后发病后死亡。

4模型的实现与验证调试

4.1模型的实现

Farmer Agent模型类封装了抽象农民工Agent的行为和执行规则,Farmer Context仿真模型类继承自Sim ModelImpl,实现了Sim-Model接口,负责仿真的建立和运行。通过定义是否被传染、是否在某个期间内和接触距离是否小于临界值等指标、对艾滋病仿真主体的状态转换规则和行为规则进行定义。艾滋病传播中Agent的行为规则由每个Agent根据其不同状态、设定范围内Agent状态、两者接触状况以及接触环境状况等规则来确定。每个时间步长(1t),会判断当前所有Agent的状态,并依次根据各个主体不同状态做出相应的一系列动作,通过调用相关函数来实现。行为规则的参数定义、条件函数选择、以及参数取值的约束条件设定等都通过图形化界面来实现,并可以方便地进行对现有行为规则的修改、扩充与删减。指标通过定量化变量来量化表达。参数初始值则通过对已有艾滋病研究资料的总结、抽象等简化处理的方法来确定。

当模型运行时,用户可以设定这些参数或者使用系统的默认参数。当模型开始运行时,系统读取这些参数,通过随机数的方法设定每Agent的参数。然后把设定人数的Agent随机分配到二维空间中。然后单位时间内Agent会按照其自身的行为规则移动、配对、解对、传染、检测的过程。同时,图表也会对当前Agent信息做统计。在模型中,每个Agent有其相应的视野范围。如果未配对,他将在自己的视野范围里面自由移动。如果他有配对的倾向,则会在他的视野内寻找潜在的可能的配偶。这时,如果Agent也有这方面的要求,那么他们就可能走在一起,这样他们就可能发生性关系。如果其中一方已经是艾滋病的携带者,并且尚未被检测出来。同时,双方发生关系时,有一方不愿意使用安全套。这时就有约1%的可能性发生传染。

模型运行组图:

4.2模型的验证调试

对模型的验证,最终表现在模型能否预计系统的基本性能,当模型和实际系统都以同样的输入参数或输入策略运行时,应具有大致相同的输出响应。如果某些输入变量作一定范围内的变动时,模型应能估计出实际系统在同一情况下的输出变化,由此可以确认模型和实际系统具有相同的内部结构,或者说具有相同的输入/输出变换性能。

由于流动人口的变动、艾滋病人不愿意透露病情和疾控部门对艾滋病人的保护,无法收集到真实的农民工感染的数据,所以建立的模型大部分参数都是自行设定,通过不断调试修改逼近实际,所以模型是没法得到验证。

5结论与展望

(1)昆明市进城务工人中,艾滋病主要靠通过间无保护的性接触传播,女性比男性更易感染。与其它人群相比,由于农民工相对收入较低、文化程度较低等原因,具有相对更高的传播率。

(2)性传播的主要决定因素是安全套的使用率和性伴数量。

(3)商业性性工作者流动性极强,管理上处于无政府状态,宣传上也是盲点。

(4)由于流动人口的变动、艾滋病人不愿意透露病情和疾控部门对艾滋病人的保护,无法收集到真实的农民工感染的数据,所以建立的模型大部分参数都是自行设定,通过不断调试修改逼近实际,所以模型是没法得到验证。

(5)离开家乡时间、业余活动和社会支持等对农民工艾滋病传播也有影响,期望以后相关研究能把参数扩展和细化。

(6)随着复杂系统、计算机技术和GIS技术的发展,由于Repast在仿真程序中的优越性能,用它构建的各能体模型和GIS的集成可以在社会的各个方面发挥重要作用。但目前的集成方法还存在许多不足之处,需在以后的研究中继续努力。

(7)期望通过全人类的合作,尽早研发出艾滋病疫苗。

参考文献

[1] 方美琪,张树人.复杂系统建模与仿真[M].中国人民大学出版社,2005.

[2] 陈鹏.基于多智能主体的人群流动形态动态模拟研究[D].博士论文,2006.

[3] 杨昆,李江荣,等.艾滋病传播的智能体与GIS的集成模型研究[J].云南师范大学学报(哲学社会科学版),2008,40(4).

[4] 董红斌,王建华.多Agen技术研究[J].计算机应用研究,1999,(10).

作者简介:徐兰声(1985-),女,临沧师范高等专科学校助教,硕士,研究方向:艾滋病传播模拟。