支持生物事件仿真的人工人口生成方法研究.pdf

1、我國是一個(gè)人口眾多、公共衛(wèi)生條件相對(duì)落后的發(fā)展中國家，突發(fā)生物事件一直是威脅群眾生命安全和社會(huì)穩(wěn)定的重要問題。2003年暴發(fā)的SARS疫情至今仍然令人談“非”色變。作為“非典”疫情的重災(zāi)區(qū)，盡管我國政府舉全國之力，全民眾志成城抗擊疫情，“非典”仍舊對(duì)我國造成了嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。這次疫情也暴露了我國應(yīng)對(duì)突發(fā)生物事件、維護(hù)國家生物安全的能力存在諸多不足。
　　現(xiàn)階段，我國仍面臨多種形式的生物威脅。美國2001年發(fā)生的“炭疽郵件”事件

2、和2013年發(fā)生的“蓖麻毒素郵件”事件說明恐怖主義分子已經(jīng)開始使用生物劑進(jìn)行恐怖活動(dòng)，生物恐怖襲擊也是威脅我國社會(huì)穩(wěn)定的重要因素。盡管國際社會(huì)不斷呼吁嚴(yán)格禁止研發(fā)使用生物武器，但某些國家生物武器的研究活動(dòng)依舊禁而不止，作為歷史上生物武器的主要受害國，我國仍需要時(shí)刻警惕潛在的生物武器威脅。最近幾年頻頻發(fā)生的新發(fā)突發(fā)傳染病疫情也是我國面臨的主要生物威脅之一，從2003年的SARS疫情到之后的H5N1禽流感、甲型H1N1流感和H7N9禽流感，

3、每一次都嚴(yán)重影響了我國健康安全和社會(huì)發(fā)展，而2014年西非地區(qū)暴發(fā)的埃博拉疫情雖然沒有對(duì)我國造成多大影響，但也充分說明突發(fā)新發(fā)傳染病的威脅將會(huì)一直存在。除此之外，各地生物實(shí)驗(yàn)室的泄露問題也可能是引發(fā)生物事件的主要因素。因此，我國的生物安全能力建設(shè)亟待加強(qiáng)。
　　近年來，隨著高性能計(jì)算技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)各種形式生物事件的仿真研究逐漸成為生物安全領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，也是國家生物安全能力建設(shè)的重要基礎(chǔ)。國外研究機(jī)構(gòu)已建立多個(gè)投

4、入使用的生物事件仿真系統(tǒng)，為優(yōu)化傳染病防控策略、制定生物事件應(yīng)急預(yù)案等做出了很大貢獻(xiàn)。而國內(nèi)相關(guān)研究總體仍處在初期階段，從原始數(shù)據(jù)的采集，虛擬環(huán)境的搭建，到傳染病傳播模型、氣溶膠擴(kuò)散模型的建立，都與國外先進(jìn)研究水平存在不小差距。
　　生成人工人口是構(gòu)建大多數(shù)生物事件仿真系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)工作。人工人口是基于人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)中建立的在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上與現(xiàn)實(shí)人口相符的虛擬人口，而不是對(duì)現(xiàn)實(shí)人口的一對(duì)一拷貝。作為基于個(gè)體的計(jì)算機(jī)仿真模型的

5、重要基礎(chǔ)，人工人口被廣泛用于傳染病傳播模擬、交通流量仿真、戰(zhàn)場(chǎng)模擬、政策模擬等多種研究領(lǐng)域。根據(jù)研究目的的不同，所需生成的人工人口屬性也各不相同。用于生物事件仿真的人工人口一般需要模擬個(gè)體年齡、性別、所屬家庭、家庭位置等人口屬性。而本文的主要目的就是研究支持生物事件仿真的人工人口生成技術(shù)。
　　在已有研究中，傳統(tǒng)的人工人口生成方法主要是基于樣本數(shù)據(jù)的合成重構(gòu)法和組合優(yōu)化法。二者都能生成符合人口統(tǒng)計(jì)分布的人工人口，但都需要離散樣本數(shù)

6、據(jù)作為支撐，也因此限制了這兩種方法的適用范圍。尤其是在我國，由于缺乏公開的人口統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)，所以不可能直接使用傳統(tǒng)的方法來生成我國的人工人口。一些研究者也提出了不使用樣本數(shù)據(jù)的新型人工人口生成方法，但這些方法大都針對(duì)西方家庭提出。西方家庭成員結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，我國則存在多世代同居的復(fù)雜多代戶家庭，導(dǎo)致二者人工人口的生成方法也存在較大差異。因此，為精確生成我國人工人口，本研究重點(diǎn)解決多代戶家庭的成員分配問題。
　　針對(duì)上述問題，本文主要

7、開展了以下三個(gè)方面的研究工作：
　　(1)系統(tǒng)建立了生成人工人口所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
　　主要分為兩類，即人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)。本文所使用的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來自2010年第六次人口普查資料，這份資料給出了多種人口基本屬性的統(tǒng)計(jì)情況，除此之外，本文還使用了中國綜合社會(huì)調(diào)查中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)作為普查資料的補(bǔ)充。本文所使用的地理信息數(shù)據(jù)包括北京市鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道邊界地圖和北京市格網(wǎng)化人口分布數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)均由權(quán)威科研機(jī)構(gòu)生成，可通過公開渠道獲

8、得。另外，本文還使用了LandScan全球人口分布數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)提供了生成人工人口所需的基本信息，人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包含多種人口屬性的統(tǒng)計(jì)分布，可用于生成人工人口的社會(huì)屬性，地理信息數(shù)據(jù)則主要用來生成人工人口的空間分布屬性。
　　(2)提出了基于基本家庭單位分配多代戶家庭成員的人工人口生成方法
　　首先基于收集到的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)生成了基本的虛擬個(gè)體集合與虛擬家庭集合?？缮傻膶傩园▊€(gè)體年齡、性別、住戶類型、所屬區(qū)縣，以及家庭成員數(shù)

9、、世代數(shù)、所屬區(qū)縣。然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)信息定義了個(gè)體之間的夫妻關(guān)系與母子關(guān)系，在基于這兩種個(gè)體關(guān)系體構(gòu)建出僅由一代親屬或者兩代親屬組成的基本家庭單位。最后根據(jù)虛擬家庭的成員數(shù)和世代數(shù)，將基本家庭單位組合后分配到不同的虛擬家庭中，完成家庭成員的分配過程。另外，本文進(jìn)一步生成了虛擬集體戶，并基于地理信息數(shù)據(jù)為家庭戶和集體戶分配了地理位置，從而得到了人工人口的靜態(tài)地理位置分布。
　　(3)驗(yàn)證了人工人口生成方法的合理性
　　使用上述方法

10、生成的北京市人工人口數(shù)據(jù)包含個(gè)體和家庭兩個(gè)層面的數(shù)據(jù)。通過分析虛擬個(gè)體的夫妻關(guān)系和母子關(guān)系屬性，驗(yàn)證了上述方法能夠比較合理的擬合個(gè)體屬性分布。通過與隨機(jī)分配家庭成員的結(jié)果做對(duì)比，驗(yàn)證了基于基本家庭單位分配多代戶家庭成員的合理性。另外，通過對(duì)比Landscan人口分布情況，檢驗(yàn)了基于格網(wǎng)化人口分布數(shù)據(jù)定義人工人口靜態(tài)地理位置的結(jié)果。通過進(jìn)行生物劑氣溶膠大氣擴(kuò)散的危害評(píng)估研究，驗(yàn)證了人工人口數(shù)據(jù)的可用性。分析結(jié)果顯示，本研究能夠較好地解決我

11、國人工人口的構(gòu)建問題。
　　精細(xì)化人工人口生成研究是當(dāng)前國際上人工社會(huì)研究的一大熱點(diǎn)。相比于國外已有研究工作，生成我國的人工人口需要解決兩大問題，第一是缺乏公開可用的人口樣本數(shù)據(jù)，第二是多代戶家庭成員結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文針對(duì)這兩個(gè)問題，創(chuàng)新性地提出基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建基本家庭單位，進(jìn)而完成家庭成員分配過程的人工人口生成方法。該方法不需要使用人口樣本數(shù)據(jù)，同時(shí)能生成比較合理的家庭成員結(jié)構(gòu)。使用該方法生成的人工人口數(shù)據(jù)不僅可以支持生物事件的仿真