支持生物事件仿真的人工人口生成方法研究.pdf

1、我國是一個人口眾多、公共衛(wèi)生條件相對落后的發(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”仍舊對我國造成了嚴重的生命財產損失。這次疫情也暴露了我國應對突發(fā)生物事件、維護國家生物安全的能力存在諸多不足。
　　現階段，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開始使用生物劑進行恐怖活動，生物恐怖襲擊也是威脅我國社會穩(wěn)定的重要因素。盡管國際社會不斷呼吁嚴格禁止研發(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、每一次都嚴重影響了我國健康安全和社會發(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)傳染病的威脅將會一直存在。除此之外，各地生物實驗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亟待加強。
　　近年來，隨著高性能計算技術和大數據處理技術的發(fā)展，針對各種形式生物事件的仿真研究逐漸成為生物安全領域研究的熱點，也是國家生物安全能力建設的重要基礎。國外研究機構已建立多個投

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、制定生物事件應急預案等做出了很大貢獻。而國內相關研究總體仍處在初期階段，從原始數據的采集，虛擬環(huán)境的搭建，到傳染病傳播模型、氣溶膠擴散模型的建立，都與國外先進研究水平存在不小差距。
　　生成人工人口是構建大多數生物事件仿真系統(tǒng)的重要基礎工作。人工人口是基于人口統(tǒng)計數據，在計算機中建立的在統(tǒng)計學意義上與現實人口相符的虛擬人口，而不是對現實人口的一對一拷貝。作為基于個體的計算機仿真模型的

5、重要基礎，人工人口被廣泛用于傳染病傳播模擬、交通流量仿真、戰(zhàn)場模擬、政策模擬等多種研究領域。根據研究目的的不同，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。
　　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據的合成重構法和組合優(yōu)化法。二者都能生成符合人口統(tǒng)計分布的人工人口，但都需要離散樣本數

6、據作為支撐，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)計樣本數據，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據的新型人工人口生成方法，但這些方法大都針對西方家庭提出。西方家庭成員結構相對簡單，我國則存在多世代同居的復雜多代戶家庭，導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，本研究重點解決多代戶家庭的成員分配問題。
　　針對上述問題，本文主要

7、開展了以下三個方面的研究工作：
　　(1)系統(tǒng)建立了生成人工人口所需的基礎數據
　　主要分為兩類，即人口統(tǒng)計數據和地理信息數據。本文所使用的人口統(tǒng)計數據主要來自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)計情況，除此之外，本文還使用了中國綜合社會調查中的一部分數據作為普查資料的補充。本文所使用的地理信息數據包括北京市鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道邊界地圖和北京市格網化人口分布數據，這些數據均由權威科研機構生成，可通過公開渠道獲

8、得。另外，本文還使用了LandScan全球人口分布數據。這些數據提供了生成人工人口所需的基本信息，人口統(tǒng)計數據包含多種人口屬性的統(tǒng)計分布，可用于生成人工人口的社會屬性，地理信息數據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)計數據生成了基本的虛擬個體集合與虛擬家庭集合?？缮傻膶傩园▊€體年齡、性別、住戶類型、所屬區(qū)縣，以及家庭成員數

9、、世代數、所屬區(qū)縣。然后根據統(tǒng)計信息定義了個體之間的夫妻關系與母子關系，在基于這兩種個體關系體構建出僅由一代親屬或者兩代親屬組成的基本家庭單位。最后根據虛擬家庭的成員數和世代數，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，本文進一步生成了虛擬集體戶，并基于地理信息數據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據包含個體和家庭兩個層面的數據。通過分析虛擬個體的夫妻關系和母子關系屬性，驗證了上述方法能夠比較合理的擬合個體屬性分布。通過與隨機分配家庭成員的結果做對比，驗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，通過對比Landscan人口分布情況，檢驗了基于格網化人口分布數據定義人工人口靜態(tài)地理位置的結果。通過進行生物劑氣溶膠大氣擴散的危害評估研究，驗證了人工人口數據的可用性。分析結果顯示，本研究能夠較好地解決我

11、國人工人口的構建問題。
　　精細化人工人口生成研究是當前國際上人工社會研究的一大熱點。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據，第二是多代戶家庭成員結構復雜。本文針對這兩個問題，創(chuàng)新性地提出基于統(tǒng)計數據構建基本家庭單位，進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據，同時能生成比較合理的家庭成員結構。使用該方法生成的人工人口數據不僅可以支持生物事件的仿真