Agent-based tracking of disease spread with dynamic models of travel behaviour in a pandemic

Die Kombination von agenten-basierten Verkehrsmodellen mit epidemiologischen Modellen erlaubt es die Ausbreitung einer Infektionskrankheit zu simulieren. Ziel dieses Projektes ist es, die Wirksamkeit von Eindämmungsmassnahmen am Beispiel von COVID-19 zu testen und dabei auch die von den Massnahmen ausgelösten Verhaltensänderungen zu berücksichtigen.

Ausgangslage

Ausbreitungsmodelle sind ein wesentliches Werkzeug, um Massnahmen zur Eindämmung einer Epidemie zu überprüfen und zu koordinieren. Deren Ergebnisse helfen den Entscheidungsträgern bei der Formulierung von Strategien für das Impfen und Testen oder bei der Festlegung von Massnahmen wie z.B. (quasi-)Quarantänen, welche kürzlich im Zuge der COVID-19 Pandemie angeordnet wurden. Historische epidemische Modelle basieren auf groben Annahmen des Infektionsprozesses wie der Ausbreitung eines Tröpfchens zwischen zwei Individuen über Raum und Zeit.

Einen anderen etablierten Ansatz für die Modellierung von Epidemien stellen agenten-basierte Simulationen des Alltags dar, mit welchen die Interaktion von Personen für ganze Regionen und Länder nachvollzogen werden kann. Diese Modelle erstellen soziale Netzwerke aufgrund der Begegnungen zwischen den Agenten. In Kombination mit einem epidemiologischen Modell lässt sich basierend auf der Information, wie lange sich welche Personen im gleichen Fahrzeug oder Gebäude aufgehalten haben, die Ausbreitung einer infektiösen Krankheit wie zum Beispiel der COVID-19 Pandemie simulieren. Die Infektionsketten der Agenten können verfolgt und damit auch deren Zustand über die Zeit erfasst werden. Der Ansatz kann die verschiedenen Verhaltensmuster der Agenten abbilden und erlaubt die Wirkung von Massnahmen zu vergleichen, die sich bezüglich der räumlichen und zeitlichen Ausprägung unterscheiden oder sich auf spezifische Personengruppen (z.B. bestimmte Alters- oder Berufsgruppen) beziehen. Agenten können mit jeglichen Attributen versehen werden, solange die zugrunde liegenden bedingten Wahrscheinlichkeitsverteilungen hinreichend bekannt sind.

Projektziel

In diesem Forschungsprojekt werden wir in Zusammenarbeit mit Forschenden der ETH Zürich (IVT, IED) und der Universität Basel (Tropeninstitut) Modelle entwickeln, um die Ausbreitung von COVID-19 mittels agenten-basierten Verkehrssimulationen zu reproduzieren. In einem zweiten Schritt nutzen wir das Modell, um die Effektivität verschiedener Massnahmen zu überprüfen. Für die Simulationen wird das agenten-basierte Verkehrsmodell MATSim mit der an der TU Berlin entwickelten Open Source Software Episim kombiniert.

Vorgehen

Im vorliegenden Forschungsprojekt werden bestehende Ansätze zur Simulation von Pandemien mit agenten-basierten Verkehrsmodellen weiterentwickelt, um Epidemien mit erhöhter räumlicher und zeitlicher Auflösung zu simulieren. Als Basis werden die bestehenden detaillierten agenten- und aktivitätsbasierten Verkehrsmodelle der Schweiz und des Grossraums Basel verwendet, welche in Zusammenarbeit mit Epidemiologen um die entsprechenden epidemischen Parameter ergänzt werden.

Nach einer sorgfältigen Erstkalibration der Modelle, welche zur Berücksichtigung neuer Erkenntnisse fortlaufend aktualisiert werden, wird das Ausgangsmodell um verschiedene mögliche Massnahmenpakete mit vier inkrementell verbesserten Versionen des Alltagsmodels ergänzt und neu simuliert. Die Wirksamkeit der Pakete wird mit einer Reihe von Kenngrössen gemessen, u.a. der Belegung der Intensivbetten, der aktuellen Fallzahlen, Krankheitstage und Quarantänetage. Die entsprechenden Konfidenzintervalle sind Teil der Ergebnisse.

Als zweites werden die Simulationsergebnisse mit dem Verlauf der Epidemie und den Ergebnissen klassischer SEIR-Modelle verglichen. Zur Verifizierung der beobachteten Entwicklung wird auf die belegten Zahlen der Krankheitsfälle und Intensivfälle zurückgegriffen. Massnahmen zur Eindämmung der Pandemie, die mit dem Simulationsmodell abgebildet werden, umfassen unter anderem die Verfolgung der Kontakte, die Verringerung des Übertragungsrisikos aufgrund von social distancing und erhöhter Hygiene (Hände waschen, Schutzmasken), Quarantäne und Einschränkungen im Personenverkehr. Um die Ergebnisse mit der Öffentlichkeit teilen zu können, insbesondere mit den Gesundheitsverwaltungen und der Politik, werden browser-basierte, benutzerfreundliche Webseiten entwickelt.

Publikationen

Calibration of a regional agent-based travel demand model to simulate the spread of COVID-19

Team

Projektpartner

Finanzierung / Projektbetreuung

Die FHNW

Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik FHNW

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