考虑环境差异的SIQR传染病模型研究

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古往今来,传染病始终威胁着人类的生命和社会的发展。近几年,新型冠状肺炎病毒的肆虐给全世界带来了巨大的灾难。如何正确预测传染病的传播规律、合理控制传染病的爆发规模和速度显得尤为重要。传染病动力学是通过建立数学模型并进行分析传染病的传播规律的一种研究方法。因此,对于传染病动力学的深入研究具有十分重要的现实意义。本文建立了一类考虑环境差异相互影响的SIQR(Susceptible-Infectious-Quarantine-Recovered)传染病模型,并针对封闭空间和开放空间分别进行了分析和讨论。首先,在封闭空间中,不同的环境因素会对传染病的传播起到干预影响。本文构建了一类具有环境差异的SIQR封闭传染病模型。基于校园这一特殊的封闭环境,将人群分为卫生条件好群体和卫生条件差群体,计算了模型的平衡点和基本再生数。同时,以长沙某高校出血性结膜炎作为仿真算例,讨论了不同参数对传播状况的影响。研究结果发现,隔离措施可以有效降低最大感染人数和最终规模,选取适当的隔离措施,使隔离率达到一定阈值,感染规模就可以控制在较低范围,加大隔离力度可以大幅度缩短传染病的持续时间。其次,在开放空间中,考虑到人群数量的动态变化,建立了一类具有环境差异的SIQR开放传染病模型,计算了模型的平衡点和基本再生数,证明了模型平衡点的稳定性。通过数值模拟描绘出平衡点稳定性图像,从而验证了理论分析的正确性。同时,以巴西早期新冠肺炎疫情作为仿真算例,讨论了该模型中各个不同参数变化对传播状况的影响。研究结果发现,传染率越大,传染病传播的速度和规模也将增大,但随着治愈率的增大,传播的风险就将随之减小。通过改变环境影响因素,对传染病的抑制起到了积极作用。当隔离级别达到一定程度时,系统的感染爆发规模可以得到有效控制,但是继续提高隔离率会不断增加控制成本,对于疫情的控制效果却不再明显。本文分析了一类具有环境差异的SIQR传染病模型,研究表明,在研究传染病传播动力学问题的时候考虑环境差异的因素是非常有价值的。在实际传染病传播的过程中,本研究可以为制定防控策略提供参考。
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