结合机器学习与微分方程的疫情预测模型获最佳论文奖

本文介绍了一种混合建模方法AutoODE,通过结合常微分方程与线性机器学习模型来预测COVID-19传播。该方法在感染和康复预测上显著优于传统分区模型和深度学习模型,平均绝对误差分别降低36.5%和57.4%。

在NeurIPS 2020公共卫生机器学习研讨会上,某中心与加州大学圣地亚哥分校的研究人员因提出COVID-19传播预测新方法获得最佳论文奖。

传统COVID预测采用两种方法:一是基于微分方程的分区模型,计算人群在易感、暴露、感染等状态间的转移;二是分析大量训练数据的深度学习模型。分区模型更擅长预测感染和康复,深度学习则更精于死亡预测。

论文提出的混合方法AutoODE结合了常微分方程(ODE)和简单线性机器学习模型。实验显示,该方法相比分区模型平均绝对误差降低36.5%,相比深度学习模型降低57.4%。

模型核心创新:

  • 采用SEIR模型变体,新增独立死亡类别
  • 通过数据自动学习ODE参数(传播率、潜伏率等),而非依赖固定统计值
  • 使用50×50邻接矩阵与相关性矩阵计算州内/跨州传播率
  • 引入低秩近似提升计算效率
  • 支持随时间变化的传播率识别,并基于时间距离加权训练数据

实验对比: 与6个深度学习模型和1个先进分区模型相比:

  • 死亡预测:深度学习略优,但差距微小
  • 感染和康复预测:AutoODE在所有三个7天预测周期均优于所有基线模型

该线性模型计算高效,可随新数据定期更新,为公共卫生决策提供实时支持。

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