- Код статьи
- S0132347425010043-1
- DOI
- 10.31857/S0132347425010043
- Тип публикации
- Статья
- Статус публикации
- Опубликовано
- Авторы
- Том/ Выпуск
- Том / Номер выпуска 1
- Страницы
- 26-39
- Аннотация
- Изучение процессов распространения эпидемий и создание соответствующего алгоритмического и программного обеспечения для математического моделирования относятся к актуальному направлению исследований. Целью данной работы является разработка инструментария для символьных вычислений в задачах построения управляемых компартментальных моделей динамических систем. В качестве языка программирования используется язык Julia с применением библиотек научных вычислений. Разработан программный комплекс, который реализует функциональность для моделирования компартментальных систем на основе схем взаимодействий между компартментами. Построены и изучены управляемые компартментальные модели эпидемиологии, а именно, SIRU-модель, SEIRU-модель и SIDARTHEU-модель. Управляющие воздействия задаются в виде дополнительных правил, интенсивность перехода в которых является изменяющимся параметром. В разработанном программном обеспечении реализован предметноориентированный язык для построения компарметальных моделей на основе схемы взаимодействий. Предложен алгоритм имитационной реализации компартментальных моделей с учетом управления. Проведены вычислительные эксперименты по моделированию управляемых систем распространения эпидемий, выполнен сравнительный анализ траекторной динамики имитационных моделей и соответствующих дифференциальных моделей. Полученные результаты могут найти применение при решении задач моделирования эпидемиологических, экологических, физикохимических и других процессов на основе одношаговых взаимодействий.
- Ключевые слова
- управляемые компартментальные модели динамические системы компьютерная алгебра алгоритм реализации имитационной модели язык программирования Julia программное обеспечение для символьных вычислений
- Дата публикации
- 17.09.2025
- Год выхода
- 2025
- Всего подписок
- 0
- Всего просмотров
- 17
Библиография
- 1. Кулябов Д.С., Королькова А.В. Компьютерная алгебра на Julia // Программирование. 2021. № 2. С. 44–50. https://doi.org/10.31857/S0132347421020084
- 2. Korol’kova A.V., Gevorkyan M.N., Fedorov A.V., Shtepa K.A., Kulyabov D.S. Symbolic studies of Maxwell’s equations in space-time algebra formalism // Programming and Computer Software. 2024. V. 50. № 2. P. 166–171.
- 3. Bittner B., Sreenath K. Symbolic Computation of Dynamics on Smooth Manifolds // In: Goldberg K., Abbeel P., Bekris K., Miller L. (eds) Algorithmic Foundations of Robotics XII. Springer Proceedings in Advanced Robotics. 2020. V. 13. Springer, Cham. P. 336–351. https://doi.org/10.1007/978-3-030-43089-4_22
- 4. Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Компонентное моделирование сложных динамических систем. СПб.: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2020.
- 5. Banshchikov A., Vetrov A. Application of software tools for symbolic description and modeling of mechanical systems // CEUR Workshop Proceedings. 2. ser. ”ICCSDE 2020 — Proceedings of the 2nd International Workshop on Information, Computation, and Control Systems for Distributed Environments”. 2020. P. 33–42.
- 6. Банщиков А.В. Применение компьютерной алгебры для анализа гироскопической стабилизации равновесий орбитального гиростата // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математическое моделирование и программирование. 2021. Т. 14. № 2. С. 70–77. https://doi.org/10.14529/mmp210207
- 7. Демидова А.В., Дружинина О.В., Масина О.Н., Петров А.А. Разработка алгоритмического и программного обеспечения моделирования управляемых динамических систем с применением символьных вычислений и стохастических методов // Программирование. 2023. № 2. С. 54–68.
- 8. Bezanson J., Karpinski S., Shah V., Edelman A. Julia: A fast dynamic language for technical computing, 2012. https://arxiv.org/abs/1209.5145
- 9. Strauss R.R., Bishnu S., Petersen M.R. Comparing the performance of Julia on CPUs versus GPUs and JuliaMPI versus Fortran-MPI: A case study with MPASOcean (Version 7.1) // EGUsphere. 2023. V. 2023. P. 1–22.
- 10. Демидова А.В., Дружинина О.В., Масина О.Н., Петров А.А. Построение компартментальных моделей динамических систем с применением программного комплекса символьных вычислений на языке Julia // Программирование. 2024. № 2. P. 33–44.
- 11. Brauer F. Mathematical epidemiology: Past, present, and future // Infectious Disease Modelling. 2017. V. 2. P. 113–127.
- 12. Кабанихин С.И. Оптимизационные методы решения обратных задач иммунологии и эпидемиологии // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2020. Т. 60. № 4. С. 590–600.
- 13. Patlolla P., Gunupudi V., Mikler A.R., Jacob R.T. Agent-Based Simulation Tools in Computational Epidemiology // 4th International Workshop, International Conference on Innovative Internet Community Systems (I2CS ’04). Berlin/Heidelberg: Springer, 2004. P. 212–223.
- 14. Аль-Азази А., Скворцов А.В., Масленников Б.И. Компартментная модель распространения эпидемического заболевания (на примере туберкулеза-ВИЧ) // Вестник ТвГТУ. 2013. Вып. 23. № 1. С. 3–9.
- 15. Котин В.В., Червяков Н.М. Неопределенность начальных условий в SEIR-модели с вакцинацией // Биомедицинская радиоэлектроника. 2019. № 6. С. 40–47. https://doi.org/10.18127/j15604136-201906-07
- 16. Martcheva M. An introduction to mathematical epidemiology. Springer, 2015.
- 17. Романюха А.А. Математические модели в иммунологии и эпидемиологии инфекционных заболеваний. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. 293 с.
- 18. Gromov D.V., Bulla I., Romero-Severson E.O., Serea O.S. Numerical optimal control for HIV prevention with dynamic budget allocation // Mathematical Medicine and Biology. 2016. V. 35. № 4. P. 469–491.
- 19. Hamelin F., Iggidr A., Rapaport A., Sallet G. Observability, Identifiability and Epidemiology A survey, 2021.
- 20. Котин В.В., Сычугина А.С. Оптимизация программного управления процедурами вакцинации // Биомедицинская радиоэлектроника. 2016. № 7. C. 25–30.
- 21. Котин В.В., Литун Е.И., Литун С.И. Оптимизация последовательного режима вакцинации и оценка областей достижимости // Биомедицинская радиоэлектроника. 2017. № 9. C. 29–34.
- 22. Жуков В.В., Котин В.В. Эффективность, контроль и оптимальность вакцинации // Биомедицинская радиоэлектроника. 2018.№ 10. C. 52–56.
- 23. Овсянникова Н.И. Поиск оптимального управления в модели эпидемии // Журнал СВМО. 2009. Т. 11. № 2. С. 119–126.
- 24. Hansen E., Day T. Optimal control of epidemics with limited resources // J. Math. Biol. 2011. V. 62. № 3. P. 423–451. https://doi.org/10.1007/s00285-010-0341-0
- 25. Zhou Y., Wu J., Wu M. Optimal isolation strategies of emerging infectious diseases with limited resources // Math. Biosci. Eng. 2013. V. 10.№ 5–6. P. 1691–1701. https://doi.org/10.3934/mbe.2013.10.1691
- 26. Zhou P., Yang X.L., Wang X.G. et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin // Nature. 2020. V. 579. № 7798. P. 270–273. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2012-7
- 27. Yang Z., Zeng Z., Wang K. et al. Modified SEIR and AI prediction of the epidemics trend of COVID-19 in China under public health interventions // J. Thorac. Dis. 2020. V. 12. № 3. P. 165–174. https://doi.org/10.21037/jtd.2020.02.64
- 28. Карпенко А.П. Современные алгоритмы поисковой оптимизации. Алгоритмы, вдохновленные природой. 2-е изд. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016.
- 29. Demidova A.V., Druzhinina O.V., Masina O.N., Petrov A.A. Synthesis and computer study of population dynamics controlled models using methods of numerical optimization, stochastization and machine learning // Mathematics. 2021. V. 9. Iss. 24. P. 3303. https://doi.org/10.3390/math9243303
- 30. Nowakova J., Pokorny M. Intelligent Controller Design by the Artificial Intelligence Methods // Sensors. 2020. V. 20. № 16. P. 4454. https://doi.org/10.3390/s20164454
- 31. Lekone P.E., Finkenstadt B.F. Statistical Inference in a Stochastic Epidemic SEIR Model with Control Intervention: Ebola as a Case Study // Biometrics. 2006. V. 62. P. 1170–1177.
- 32. Pertsev N.V., Leonenko V.N. Discrete stochastic model of HIV infection spread within a heterogeneous population // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2012. V. 27. P. 459–477.
- 33. Шабунин А.В. SIRS-модель распространения инфекций с динамическим регулированием численности популяций: исследование методом вероятностных клеточных автоматов // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2019. Т. 27. № 2. С. 5–20.
- 34. Allen L.J.S. An Introduction to Stochastic Epidemic Models // Mathematical Epidemiology / Ed. by F. Brauer, P. van den Driessche, J. Wu. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2008. P. 81–130. https://doi.org/10.1007/978-3-540-78911-6_3
- 35. Клочкова Л.В., Орлов Ю.Н., Тишкин В.Ф. Математическое моделирование стохастических процессов распространения вирусов в среде обитания людей // Препринты ИПМ им. М.В.Келдыша. 2020. № 114. 17 с. https://doi.org/10.20948/prepr-2020-114https://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2020-114
- 36. Овсянникова Н.И. Стохастическая модель динамики эпидемии // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2016. № 224(2). С. 107–114.
- 37. Геворкян М.Н., Демидова А.В., Велиева Т.Р., Королькова А.В., Кулябов Д.С., Севастьянов Л.А. Реализация метода стохастизации одношаговых процессов в системе компьютерной алгебры // Программирование. 2018. № 2. С. 18–27.
- 38. Korolkova A., Kulyabov D. Onestep stochastization methods for open systems // EPJ Web of Conferences. 2020. V. 226. P. 02014. https://doi.org/10.1051/epjconf/202022602014