In this paper we introduce a space-dependent multiscale model to describe the spatial spread of an infectious disease under uncertain data with particular interest in simulating the onset of the COVID-19 epidemic in Italy. While virus transmission is ruled by a SEIAR type compartmental model, within our approach the population is given by a sum of commuters moving on a extra-urban scale and non commuters interacting only on the smaller urban scale. A transport dynamic of the commuter population at large spatial scales, based on kinetic equations, is coupled with a diffusion model for non commuters at the urban scale. Thanks to a suitable scaling limit, the kinetic transport model used to describe the dynamics of commuters, within a given urban area coincides with the diffusion equations that characterize the movement of non-commuting individuals. Because of the high uncertainty in the data reported in the early phase of the epidemic, the presence of random inputs in both the initial data and the epidemic parameters is included in the model. A robust numerical method is designed to deal with the presence of multiple scales and the uncertainty quantification process. In our simulations, we considered a realistic geographical domain, describing the Lombardy region, in which the size of the cities, the number of infected individuals, the average number of daily commuters moving from one city to another, and the epidemic aspects are taken into account through a calibration of the model parameters based on the actual available data. The results show that the model is able to describe correctly the main features of the spatial expansion of the first wave of COVID-19 in northern Italy.
翻译:在本文中,我们引入了一个空间依赖的多尺度模型,根据不确定的数据描述一种传染病在意大利的传播空间的分布,特别有兴趣模拟COVID-19流行病在意大利的爆发。虽然病毒传播是由SEIAR型的区际模型所决定的,但在我们的方法中,人口是由在城市外移动的通勤人员和非通勤人员在城市规模较小的城市规模上互动的总和所决定的。基于动能方程式的通勤人员大规模空间规模的交通动态与非通勤人员在城市规模上的传播模式相结合。由于适当的缩放限制,用于描述在特定城市地区上下班人员动态的动能式运输模式与作为非通勤人员流动特征的传播方程式相吻合。由于在流行病早期阶段所报告的数据高度不确定,初始数据和流行病参数中随机输入的内容都包括在模型中。一个强大的数字方法旨在应对多种规模的存在和不确定性的量化进程。在我们模拟中,我们认为一个现实的地理范围是19级运输模式,描述了在特定城市地区的通勤人员的实际地理范围,向另一个典型城市的移动数据,从一个普通数字,从一个数字向另一个典型城市的移动,从一个普通数字,从一个数字,从一个数字到一个数字到一个数字,从一个数字到一个数字,从一个数字到一个数字,从一个数字到一个数字,从一个数字,从一个数字到一个数字从一个数字到一个数字到一个数字到一个数字到一个数字到一个数字,从一个数字到一个数字的移动到一个数字,从一个数字,从一个数字到一个数字到一个数字的移动到一个数字到一个数字,从一个数字到一个数字,从一个数字到一个数字到一个数字到一个数字的移动到一个数字,从一个数字,从一个数字到一个数字到一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字到一个数字,从一个数字,从一个数字到一个数字到一个数字,从一个数字到一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字到一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字到一个数字,从一个数字,从一个数字,从一个数字到一个数字,从一个