We present an Extended Kalman Filter framework for system identification and control of a stochastic high-dimensional epidemic model. The scale and severity of the COVID-19 emergency have highlighted the need for accurate forecasts of the state of the pandemic at a high resolution. Mechanistic compartmental models are widely used to produce such forecasts and assist in the design of control and relief policies. Unfortunately, the scale and stochastic nature of many of these models often makes the estimation of their parameters difficult. With the goal of calibrating a high dimensional COVID-19 model using low-level mobility data, we introduce a method for tractable maximum likelihood estimation that combines tools from Bayesian inference with scalable optimization techniques from machine learning. The proposed approach uses automatic backward-differentiation to directly compute the gradient of the likelihood of COVID-19 incidence and death data. The likelihood of the observations is estimated recursively using an Extended Kalman Filter and can be easily optimized using gradient-based methods to compute maximum likelihood estimators. Our compartmental model is trained using GPS mobility data that measures the mobility patterns of millions of mobile phones across the United States. We show that, after calibrating against incidence and deaths data from the city of Philadelphia, our model is able to produce an accurate 30-day forecast of the evolution of the pandemic.


翻译:我们提出了一个扩大卡尔曼过滤器框架,用于系统识别和控制高分辨率流行病模式;COVID-19紧急情况的规模和严重程度突出表明,需要以高分辨率准确预测该流行病的状态; 广泛使用机械部门模型来进行这种预测,并协助制定控制和救济政策; 不幸的是,许多这类模型的规模和随机性质往往使得难以估计其参数; 利用低等级移动数据校准高维COVID-19模型的目标,我们采用了一种可移植最大可能性估计方法,将巴伊西亚推断工具与机器学习的可缩放优化技术结合起来; 拟议的方法使用自动后向差异来直接计算COVID-19事件和死亡数据的可能性的梯度; 使用扩展卡尔曼过滤器估计观测的可能性,并且使用以梯度为基础的方法对最大可能性估算器进行最优化。 我们的分区模型是使用全球定位系统移动数据加以培训,用全球定位系统测量巴伊西亚州测得工具与机器学习的可缩放优化技术相结合; 拟议的方法使用自动后向后差异差异法直接计算COVID-19事件和死亡数据的梯度,我们从30个城市的精确度测算数据,然后对30个城市测算。

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