To represent the complex individual interactions in the dynamics of disease spread informed by data, the coupling of an epidemiological agent-based model with the ensemble Kalman filter is proposed. The statistical inference of the propagation of a disease by means of ensemble-based data assimilation systems has been studied in previous work. The models used are mostly compartmental models representing the mean field evolution through ordinary differential equations. These techniques allow to monitor the propagation of the infections from data and to estimate several parameters of epidemiological interest. However, there are many important features which are based on the individual interactions that cannot be represented in the mean field equations, such as social network and bubbles, contact tracing, isolating individuals in risk, and social network-based distancing strategies. Agent-based models can describe contact networks at an individual level, including demographic attributes such as age, neighbourhood, household, workplaces, schools, entertainment places, among others. Nevertheless, these models have several unknown parameters which are thus difficult to estimate. In this work, we propose the use of ensemble-based data assimilation techniques to calibrate an agent-based model using daily epidemiological data. This raises the challenge of having to adapt the agent populations to incorporate the information provided by the coarse-grained data. To do this, two stochastic strategies to correct the model predictions are developed. The ensemble Kalman filter with perturbed observations is used for the joint estimation of the state and some key epidemiological parameters. We conduct experiments with an agent based-model designed for COVID-19 and assess the proposed methodology on synthetic data and on COVID-19 daily reports from Ciudad Aut\'onoma de Buenos Aires, Argentina.


翻译:为了代表由数据传播的疾病动态中复杂的个人互动关系,提出了将基于流行病学制剂的模型与全方位卡尔曼过滤器混合在一起的建议。在以前的工作中已经研究了通过基于全方位的数据同化系统传播疾病的统计推论。所使用的模型大多是代表通过普通差异方程式进行的平均领域演进的零散模型。这些技术使得能够监测从数据中感染的传播并估计流行病学方面感兴趣的若干参数。然而,有许多重要的参数是以个人互动为基础的,而这些互动无法在中位实地方程式中得到体现,例如社交网络和泡泡、联系性追踪、隔离处于风险中的个人以及基于社交网络的调和策略。基于代理的模型可以描述个人层面的联系网络,包括诸如年龄、邻里、住户、工作场所、学校、娱乐场所等等人口特征。然而,这些模型有一些未知的参数因此难以估算。在这项工作中,我们提议使用基于共位的州级数据同化技术来校准一个基于代理商的模型,使用每日流行病学观察数据、接触性追踪、隔离处于风险中的个人,以及基于社会网络的调控战略。这增加了将数据用于使用基流流数据到数据,从而将数据转化为数据转化为数据对基数据对基数据加以调整。

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