We study how international flights can facilitate the spread of an epidemic to a worldwide scale. We combine an infrastructure network of flight connections with a population density dataset to derive the mobility network, and then we define an epidemic framework to model the spread of the disease. Our approach combines a compartmental SEIRS model with a graph diffusion model to capture the clusteredness of the distribution of the population. The resulting model is characterised by the dynamics of a metapopulation SEIRS, with amplification or reduction of the infection rate which is determined also by the mobility of individuals. We use simulations to characterise and study a variety of realistic scenarios that resemble the recent spread of COVID-19. Crucially, we define a formal framework that can be used to design epidemic mitigation strategies: we propose an optimisation approach based on genetic algorithms that can be used to identify an optimal airport closure strategy, and that can be employed to aid decision making for the mitigation of the epidemic, in a timely manner.


翻译:我们研究国际航班如何能促进流行病在全世界范围的传播。我们把飞行连接基础设施网络与人口密度数据集结合起来,以建立流动网络,然后我们界定流行病框架,以模拟疾病的传播。我们的方法是将一个区划的SEIRS模型与一个图形扩散模型结合起来,以捕捉人口分布的群集。由此形成的模型的特征是超人口SEIRS的动态,扩大或降低感染率,这也由个人的流动性决定。我们利用模拟来描述和研究类似于COVID-19最近蔓延的各种现实情景。关键是,我们确定了一个正式框架,可以用来设计流行病减缓战略:我们建议一种基于基因算法的优化方法,可以用来确定最佳机场关闭战略,并且可以用来帮助及时作出缓解流行病的决策。

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