Modeling the spatiotemporal nature of the spread of infectious diseases can provide useful intuition in understanding the time-varying aspect of the disease spread and the underlying complex spatial dependency observed in people's mobility patterns. Besides, the county level multiple related time series information can be leveraged to make a forecast on an individual time series. Adding to this challenge is the fact that real-time data often deviates from the unimodal Gaussian distribution assumption and may show some complex mixed patterns. Motivated by this, we develop a deep learning-based time-series model for probabilistic forecasting called Auto-regressive Mixed Density Dynamic Diffusion Network(ARM3Dnet), which considers both people's mobility and disease spread as a diffusion process on a dynamic directed graph. The Gaussian Mixture Model layer is implemented to consider the multimodal nature of the real-time data while learning from multiple related time series. We show that our model, when trained with the best combination of dynamic covariate features and mixture components, can outperform both traditional statistical and deep learning models in forecasting the number of Covid-19 deaths and cases at the county level in the United States.


翻译:对传染病传播的时空性质进行建模,可以提供有用的直觉,了解疾病传播的时间变化方面和在人的流动模式中观察到的潜在复杂的空间依赖性。此外,县一级多相关时间序列信息可以用来对单个时间序列作出预测。除了这一挑战外,实时数据往往偏离单式高斯分布假设,并可能显示一些复杂的混合模式。我们为此开发了一个基于深层次学习的时间序列模型,用于预测概率,称为自动侵蚀性混合密度动态扩散网络(ARM3Dnet),将人的流动性和疾病作为动态定向图示的传播过程。高斯混合模型层的实施是为了考虑实时数据的多式性质,同时学习多个相关时间序列。我们显示,我们的模型,在接受动态变量和混合成分的最佳组合培训时,可以超越传统统计模型和深层学习模型,用以预测美国县一级的Covid-19死亡人数和案例。

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