SIR模型是是一种
传播模型,是
信息传播过程的
抽象描述。是传染病模型中最经典的模型,其中S表示
易感者,I表示感染者,R表示移出者。
SIR模型的提出与定义
传染病模型有着悠久的历史,一般认为始于1760年Daniel Bernoulli在他的一篇论文中对接种预防
天花的研究。真正的确定
性传染病数学模型研究的前进步伐早在20世纪初就开始了,Hamer、Ross等人在建立传染病数学模型的研究中做出了大量的工作,直到1927年Kermack与McKendrick在研究流行于伦敦的
黑死病时提出了的SIR仓室模型,并于1932年继而建立了
SIS模型,在对这些模型的研究基础上提出了传染病动力学中的阈值理论。Kermack与McKendrick的SIR模型是传染病模型中最经典、最基本的模型,为
传染病动力学的研究做出了奠基性的贡献。
模型中把
传染病流行范围内的人群分成三类:S类,易感者(Susceptible),指未得病者,但缺乏
免疫能力,与感病者接触后容易受到感染;I类,感病者(Infective),指染上传染病的人,它可以传播给S类成员;R类,移出者(Removal),指被隔离,或因病愈而具有免疫力的人。
SIR模型的数学模型
在传染病
动力学中,主要沿用的由Kermack与McKendrick在1927年用动力学的方法建立了SIR传染病模型。SIR模型仍被广泛地使用和不断发展。SIR模型将总人口分为以下三类:易感者(susceptibles),其数量记为s(t),表示t 时刻未染病但有可能被该类疾病传染的人数;染病者(infectives),其数量记为i(t),表示t时刻已被感染成为病人而且具有传染力的人数;恢复者(recovered),其数量记为r(t),表示t时刻已从染病者中移出的人数。设总人口为N(t),则有N(t)=s(t)+i(t)+r(t)。
SIR模型的建立基于以下三个假设:
⑴不考虑人口的出生、死亡、流动等种群动力因素。人口始终保持一个常数,即N(t)≡K。
⑵一个病人一旦与易感者接触就必然具有一定的传染力。假设 t 时刻单位时间内,一个病人能传染的易感者数目与此环境内易感者总数s(t)成正比,比例系数为β,从而在t时刻单位时间内被所有病人传染的人数为βs(t)i(t)。
⑶ t 时刻,单位时间内从染病者中移出的人数与病人数量成正比,比例系数为γ,单位时间内移出者的数量为γi(t)。
基于以上三个假设条件,感染机制如下所示:
在以上三个基本假设条件下,可知:当易感个体和感染个体充分混合时,感染个体的增长率为 ,易感个体的下降率为 ,恢复个体的增长率为 。易感者从患病到移出的过程可以用微分方程表示如下:
解得微分方程的解为(和表示初始值),其中是传染期接触数.
s(t)、i(t)的求解十分困难,可利用
相轨线分析讨论解i(t)、s(t)的性质,将单位化(即占总人数的比例),则变化曲线如图3所示,其中箭头表示了随着时间t的增加s(t)和i(t)的变化趋向。
分析图像可以得到以下结论:
为保证传染病不蔓延,需要满足。为了达到这个目的,一方面,可以提高阈值,需降低,即减小日接触率,可通过提高卫生水平的方式;增大日治愈率,可以通过提高医疗水平的方式。另一方面,也可以通过群体免疫来提高,从而降低,使病情不蔓延。
基于微分方程组求解的SIR模型可以根据已有数据比较准确地拟合曲线,并利用
相轨线分析得出使传染病不蔓延的措施,理论依据充分。
但是应注意到,模型对人群的分类不够细致,没有明确考虑隔离的因素。而现实中对疑似病人的隔离是控制疫情传播的有效手段。模型没有引入
反馈机制,在预测过程中,单纯依据已有数据预测未来较长一段时间的数据,必然会使准确度降低。此外,微分方程组求解较为困难,且对初值比较敏感,这对模型的稳健性是一个很大的影响。
应用于信息传播领域
应用于信息传播的研究,SIR模型可以描述如下:最初,所有的节点都处于易感染状态,对应个体不知道信息的情况。然后部分节点接触到此信息,变为感染状态。这些节点试着感染处于易感染态的节点,或者进入恢复状态。感染一个节点,即传递信息或者影响节点对某事的态度。恢复状态,即免疫,处于恢复状态的节点不再参与信息的传播。