复杂网络上多病毒共同传播动力学行为研究

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为了理解病毒之间的相互作用,从而有效地预防和控制传染病的传播,越来越多的人开始关注多病毒共同传播的动力学行为。本文构建了复杂网络上多病毒共同传播模型,通过数值模拟和分子动力学模拟研究了同一类传染病下多个病毒共同传播的动力学行为,以及不同类传染病共同传播行为,并得到了一些重要的结论。论文主要内容和结论如下。首先,从世界卫生组织中找到了各个国家的流感亚型病毒数据进行分析,发现了流感病毒之间的同步爆发现象。为了理解和解释这一现象,我们构建了多病毒共同传播的SIRS模型并给出了节点的动力学方程。数值模拟结果表明:耦合强度小于零时,节点之间出现了同相同步现象。为了定量的衡量节点的同步情况,我们计算了不同耦合强度下节点的同步序参量,并发现随着耦合强度的增加节点的相位从不同步到同相同步的现象。同时,实际数据中流感病毒的同步序参量均在0.7到0.8附近,与数值模拟结果基本符合。在此基础上考虑网络结构和网络大小对模型的影响,构建了复杂网络上多病毒共同传播的动力学模型。数值结果表明:节点之间的同相同步现象不随网络大小和网络结构的改变而改变。此外,利用分子动力学模拟(molecular dynamics simulation,MD)的方法研究了同一类传染病下的两个及三个病毒在同一人群中的传播行为,所得结论与平均场模型的结论一致。然后,在多病毒共同传播的时滞SIRS模型的基础上,我们构建了一类SIRS传染病与一类SIS传染病耦合传播模型并给出了节点的动力学方程。数值模拟结果表明:随着耦合强度的增加,节点的动力学行为由周期振荡逐渐到振荡死亡的现象。同时,利用MD方法模拟了不同类传染病在同一人群中的传播行为,结果表明不同类传染病之间的振荡死亡现象不随网络结构的改变而改变。最后,我们将模型推广到三个SIRS传染病与两个SIS传染病共同传播的研究上,数值模拟既能得到同类病毒之间的同相同步现象,也能发现不同类传染病之间的振荡死亡现象。为了简化多病毒耦合传播的复杂过程,本论文转换思路提出了能研究同类和不同类传染病共同传播的模型。其优点是能简便的模拟数量较多的传染病耦合传播行为,并能写出其动力学方程,为复杂网络上多病毒耦合传播的研究提供了新的思路,进一步推动了传染病模型的研究。
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