Mechanistic simulators are an indispensable tool for epidemiology to explore the behavior of complex, dynamic infections under varying conditions and navigate uncertain environments. ODE-based models are the dominant paradigm that enable fast simulations and are tractable to gradient-based optimization, but make simplifying assumptions about population homogeneity. Agent-based models (ABMs) are an increasingly popular alternative paradigm that can represent the heterogeneity of contact interactions with granular detail and agency of individual behavior. However, conventional ABM frameworks are not differentiable and present challenges in scalability; due to which it is non-trivial to connect them to auxiliary data sources easily. In this paper we introduce GradABM which is a new scalable, fast and differentiable design for ABMs. GradABM runs simulations in few seconds on commodity hardware and enables fast forward and differentiable inverse simulations. This makes it amenable to be merged with deep neural networks and seamlessly integrate heterogeneous data sources to help with calibration, forecasting and policy evaluation. We demonstrate the efficacy of GradABM via extensive experiments with real COVID-19 and influenza datasets. We are optimistic this work will bring ABM and AI communities closer together.


翻译:分子模拟模型(ABM)是一个日益流行的替代模型,可以代表与颗粒细节和个人行为力的接触互动的异质性。然而,常规的反弹道导弹框架在可缩放性方面是无法区分的,也是目前存在的挑战;因此,很容易将其与辅助数据源连接起来是非三重性的。在本文件中,我们采用了格拉德ABM,这是对反弹道导弹的一种可缩放、快速和可变的新设计。格拉德ABM在几秒钟内对商品硬件进行模拟,能够快速前向和反向模拟。这使得它可以与深层神经网络合并,并且无缝地整合各种数据源,以帮助校准、预报和政策评估。我们通过与真正的COVID-19和流感进行广泛的实验来展示格拉德ABM的功效。

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