基于多agent动态复杂网络的病毒传播模型与仿真研究

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病毒传播网络与其他社会网络一样是动态变化的网络,人们在病毒传播网络的前期研究中主要集中在静态社会网络上,最近几年社会网络动态特性对病毒传播的影响研究得到广泛的关注。很多因素导致社会网络中结点的加入、退出和移动以及结点间边的形成、维持、断开和重连等网络演化行为,网络的动态变化又影响个体的行为和状态发生演化并进一步影响网络的动态变化,形成耦合演化。现实社会网络是节点和链接相互作用推动社会网络动态演化,病毒传播动态演化的驱动力是个体的自主行为及其交互。研究病毒在复杂社会系统的传播有必要将agent方法和复杂网络方法两者结合起来进行研究。把agent看成既是网络中的节点又具有自主行为。通过在agent模型中增加社会网络功能,使得agent可以精确表达病毒在个体之间传播扩散时自主行为的同时,也可以用agent复杂网络结构表示个体间的互动关系和多种传播网络的互动关系。研究能够描述艾滋病传播中多传播途径网络的动态演化、个体自主行为、政策干预与疾病传播之间的关系的多agent动态复杂网络模型是利用仿真与模拟方法深入研究艾滋病传播机理的基础。本文为构建多agent动态复杂网络疾病传播模型进行了主要关键算法的研究和仿真分析。基于复杂系统理论、复杂网络理论,阐述了多agent系统和复杂网络结合研究疾病传播的理论基础、结合机理和建模方法。提出一个多agent二维网格的动态网络疾病传播仿真模型,研究疾病在人群中传播扩散过程中个体的自主规避行为对疾病传播影响的动态过程。为了在模型中包含更多的疾病状态和人群类别,扩展了经典的疾病传播SIR模型,在标准的SIR模型基础上增加更多的病程状态。在二维规则网络上,通过增加个体自主规避行为来控制agent的移动范围构建适应疾病传播的动态社会网络。仿真结果给出了与其他方法一致的结论,同时该模型较好地反映了动态社会网络和个体自主性行为对疾病传播的影响。构建了反映HIV在同性之间的动态传播过程的agent动态小世界网络仿真模型。模型中agent考虑了HIV病程发展的不同阶段、感知到感染危险采取的规避策略和对疾病检测干预政策响应的规则;适应HIV传播的社会网络的动态特性,在小世界网络基础上通过增加个体之间的偶然关系和固定关系,个体的出生、死亡、迁入和迁出等构建了动态变化的小世界网络。利用国内外文献中的HIV疾病传播的参数和构建的agent动态小世界网络仿真模型进行了同性HIV传播的仿真分析,表明该模型较好地反映了动态社会网络和个体自主性行为对HIV传播的影响。提出了HIV传播中同性和异性行为构成的混合传播网络生成模型。形成HIV病毒传播的网络包括异性传播网络、同性传播网络和吸毒传播网络,三种网络通过桥梁人群构成混合网络。研究混合型HIV传播模型是深入研究艾滋病传播机理的基础。在配置模型的基础上提出了一种具有动态变化特征的异性传播网络和同性混合传播网络的快速生成模型,算法可快速、灵活和鲁棒地生成给定网络尺寸和幂律度分布指数的混合复杂网络,以支持病毒动态传播社会网络的构建。利用生成算法对混合网络的演化过程进行了仿真分析分析,并与标准模型结果进行了比较,证明模型是有效的。本文为了描述艾滋病传播过程中具备动态演化、个体自主行为、政策干预等特点的多agent动态复杂网络模型进行了关键技术的研究,并为深入研究艾滋病传播机理打下了技术基础。
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