Simulation und Validierung von agentenbasierten Modellen für die Ausbreitung von Epidemien

Abstract

Inhalt:<br />Die Beschreibung eines agentenbasierten Modells zur Simulation von Epidemien ist Ausgangspunkt der Arbeit. Bei der Entwicklung müssen viele Aspekte, wie beispielsweise das Verhalten von Sozialsystemen, individuelle persönliche Eigenschaften der Bevölkerung, medizinische Vorgänge und die Durchführung von ökonomischen Auswertungen beachtet werden.<br />Agentenbasierte Modelle sind aufgrund ihrer hohen Komplexität schwer zu validieren. Für jedes agentenbasierte Modell müssen erst individuelle Methoden gefunden werden, die unterstützend angewandt werden können. Aus diesem Grund ist ein großer Teil dieser Arbeit der Recherche und Beschreibung von Validierungsmethoden gewidmet. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Beschreibung von Methoden zur Validierung von agentenbasierten Modellen und möglicher Anwendungen für das vorgestellte Modell.<br />Im praktischen Teil der Abeit wird das Modell mit Hilfe von gegebenen Parametern auf Daten der Influenza-Saison 2006/07 kalibriert wird. Für ein besseres Verständnis der Auswirkungen von Parametern auf die Ergebnisse werden Parameterstudien durchgeführt und beschrieben.<br />Zusätzlich werden auch Impfszenarien durchgeführt.<br />Abgeschlossen wird die Arbeit durch die Darstellung der Ergebnisse der Kalibrierung und der Durchführung von Impfstrategien sowie der Anwendung von geeigneten Ergebnisse:<br />Unter den gegebenen Annahmen ist die Reproduktion der Daten aus 2006/07 nicht möglich. Wird von mehr infizierten Personen ausgegangen, so ist es möglich die Parameter zu kalibrieren und somit die skalierten Daten zu reproduzieren. Ausgehend von diesen Szenarien werden mögliche Impfszenarien simuliert und dargestellt. Mit einem richtig kalibrierten Modell ist es möglich, Impfszenarien zu simulieren und Informationen für die Entscheidung der Sinnhaftigkeit solcher Szenarien zu geben. Methoden zur Validierung von agentenbasierten Modellen wurden gefunden und zum Teil auch angewandt. Die Literaturrecherche lieferte neben vielen Validierungstechniken, die mehr oder weniger gut angewandt werden können, auch einen strategischen Ansatz zur Validierung von agentenbasierten Modellen. Zusätzlich kann zum Validieren des Systems VOMAS eingesetzt werden, welches ein Multiagenten-System ist, das zur Überwachung von agentenbasierten Modellen dient.<br />Conclusio:<br />Da eine Kalibrierung auf die vorliegenden Daten nicht möglich ist, liegt die Vermutung nahe, dass sowohl die Daten als auch die Struktur des Systems nochmals hinterfragt werden sollten. Um etwaige Fehler zu finden wird weiterhin eine stetige Validierung des Modells in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern notwendig sein. Dies ist notwendig, um das Modell korrekt zu parametrisieren. Die Ergebnisse in dieser Diplomarbeit zeigen, dass ein richtig parametrisiertes Modell (1) dabei hilft, den Infektionsprozess von Infektionskrankheiten genauer zu verstehen, (2) helfen kann, ökonomische Berechnungen anzustellen, (3) helfen kann, zukünftige Epidemieverläufe vorauszusagen und (4) zum Testen von etwaigen Impfstrategien in der Bevölkerung dienen kann.<br />

Content:<br />The main part of this thesis is the description of an agent-based model for epidemics. When developing a model many aspects as the behaviour of social systems, individual personal properties in the population, medical processes and the realization of economical examinations have to be observed.<br />Agent-based models have to deal with high complexity which is why it is difficult to validate them. For every agent-based model individual methods that can be applied should be found. That is why a big part of this work deals with the research and description of validation methods.<br />The focus is validation for agent-based models and possible application for the model.<br />Furthermore, a practical part can be found in this thesis in which the calibration on data from the influenza-season 2006/07 takes place. For a better understanding the impact of parameters on the results is shown.<br />Finally, results of the calibration and vaccination strategies are shown and validation methods are carried out.<br />Results:<br />Under the made assumptions a reproduction of the data of 2006/07 is not possible. If we doubt the data and calibrate on more infected people, the scaled data can be reproduced by the model. Based on these fundamental scenarios possible vaccination scenarios are simulated and presented. A calibrated model is able to provide information for decision makers on the application of vaccines. Validation methods for agent-based models are found and partly applied. The literature research delivers a wealth of different validation techniques, which can be adapted more or less well. There is also a strategical approach found to validate agent-based models. In addition a system called VOMAS can help to validate the model. This system is a monitoring multi-agent system.<br />Conclusion:<br />Due to the failure of calibrating on the original data, it is very likely that the data and detailed information on the spreading process of the model should be questioned. To find mistakes a constant validation in cooperation with partners should be conducted during the further modelling process. This is essential for a correct parameterization of the model. The results of this work show, that a correct parameterized model can (1) help to understand the infection process of infectious diseases, (2) help to do economic evaluations, (3) help to predict future epidemic spreading progress and (4) help to test further vaccination policies in the population.