Symulacja komputerowa i analiza epidemii chorób przenoszonych

Lasocki K, Nowicki
T. Symulacja/ komputerowa
i analiza epidemii chorób przenoszonych drogą pokarmową
Artykuły
poglądowe
review papers
159
Symulacja komputerowa i analiza epidemii chorób
przenoszonych drogą pokarmową
Computer simulation and analysis of the epidemics of food-borne diseases
Krzysztof Lasocki 1/, Tadeusz Nowicki 2/
1/
2/
Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii w Warszawie
Instytut Systemów Informatycznych, Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie
Wprowadzenie. W pracy pokazano wyniki uzyskane w ramach realizacji
finansowanego ze środków NCBiR projektu rozwojowego Nr OR00000909
oraz jego kontynuacji w ramach projektu PBS1/A7/6/2012. Pokazuje się tu
sposób modelowania i analizy procesów związanych z rozprzestrzenianiem
się epidemii chorób przenoszonych drogą pokarmową.
Introduction. This paper shows the results obtained from the
implementation of the development project no OR00000909 funded by
NCBiR and its continuation in the project no PBS1/A7/6/2012. It shows
the modeling and analysis of processes associated with the spread of the
epidemics of food-borne diseases.
Cel pracy. Pokazanie sposobu badania charakterystyk procesów
związanych z rozprzestrzenianiem się epidemii chorób przenoszonych drogą
pokarmową.
Aim. To show how to test the characteristics of the processes associated
with the spread of epidemics of food-borne diseases.
Materiał i metody. Posługując się modelami procesów biznesowych
analizuje się rozprzestrzenianie się epidemii chorób przenoszonych drogą
pokarmową. Uwzględnia się fakt działań w tym zakresie służb sanitarnych.
Pokazywany jest sposób uzyskiwania różnego typu charakterystyk
związanych z działaniami służb sanitarnych w czasie trwania epidemii.
Wyniki. Wynikiem prac są modele i symulacja procesów działań
służb sanitarnych w trakcie trwania epidemii chorób przenoszonych
droga pokarmową. Pozwala to na analizę działań służb sanitarnych
w przeciwdziałaniu rozprzestrzenianiu się chorób przenoszonych droga
pokarmową. Modele stanowią jednocześnie opis formalny działań służb
sanitarnych.
Wnioski. Pokazano, że metoda modelowania i analizy procesów
biznesowych służyć może analizie złożonych działań służb sanitarnych.
Pozwala to na optymalizację działania służb sanitarnych oraz oszacowanie
środków niezbędnych do prawidłowego ich funkcjonowania.
Słowa kluczowe: epidemie chorób przenoszonych drogą pokarmową,
symulacja procesów, optymalizacja działań służb sanitarnych
© Probl Hig Epidemiol 2013, 94(2): 159-162
www.phie.pl
Nadesłano: 20.05.2013
Zakwalifikowano do druku: 15.06.2013
Wprowadzenie
Modele i analiza epidemii chorób opisywane
są dość bogato od lat w literaturze światowej [1-4].
W ramach realizacji projektów finansowanych przez
NCBiR badane były i są procesy epidemii przenoszonych drogą pokarmową [5]. Bada się w nich między
innymi charakterystyki związane z działaniami podejmowanymi przez służby sanitarne w czasie trwa-
Material & methods. Using formal models and methods the epidemic
of food-borne diseases is investigated. The activities of sanitary inspection
are taken into account. It is shown how to obtain various characteristics
related to operations of inspection operations during the epidemic of
food-borne diseases.
Results. The result of work there are models of processes related to the
activities of sanitary inspection during the epidemics of food-borne diseases.
This allows the analysis of the activities of sanitary inspection in preventing
the spread of food-borne illnesses. The models are also a formal description
of the activities of sanitary inspection.
Conclusions. It is shown that the method of modeling and analysis of
business processes can help in the investigation of complex operations
made by state sanitary inspection. This allows to optimize the performance
of sanitary inspection activity and to determine the sanitary inspection
budget necessary for proper functioning.
Key words: food-borne disease epidemics, processes simulation, investigation
of epidemic processes
Adres do korespondencji / Address for correspondence
dr hab. inż. Tadeusz Nowicki, prof. nadzw. WAT
Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Systemów Informatycznych
00-908 Warszawa, ul. Kaliskiego 2
tel. +48 22 683-9429, e-mail: [email protected]
nia epidemii. Analizowane są różnego typu modele
epidemii tych chorób.
W pracy charakteryzowane są wyniki uzyskane
z badań związanych z rozprzestrzenianiem się chorób
przenoszonych droga pokarmową przy wykorzystaniu
modeli działań służb sanitarnych w trakcie rozprzestrzeniania się epidemii tego typu chorób. W ramach
podjętych badań opracowano szereg modeli formalnych działań przeciwepidemicznych.
160
Badanie i analiza procesów związanych
z epidemiami chorób przenoszonych drogą
pokarmową
W realizowanych projektach scharakteryzowano
pojęcie bezpieczeństwa żywności w świetle międzynarodowych i krajowych unormowań prawnych oraz
dokonano analizy czynników wpływających na stan
bezpieczeństwa żywności. Przy obecnym założeniu,
że do skażenia żywności, może dojść głównie przy
udziale czynników biologicznych, pierwszoplanowym
zadaniem było wytypowanie głównych potencjalnych
czynników biologicznych stanowiących największe
zagrożenie dla żywności, zarówno w zakresie przypadkowego, jak i intencjonalnego jej skażenia. Dokonano
analizy zagrożeń biologicznych żywności, żywienia
i wody w łańcuchu żywieniowym człowieka oraz sposobów ich monitoringu. W oparciu o dane statystyczne,
dotyczące częstości występowania chorób zakaźnych
przewodu pokarmowego oraz zatruć pokarmowych
w Polsce na przestrzeni ostatnich 10 lat, określono
główne czynniki chorobotwórcze, jak również przyczyny i dynamikę powstawania ognisk epidemicznych
tych chorób i zatruć. Oceniono także wiarygodność
aktualnie obowiązującego systemu monitorowania
tego rodzaju schorzeń. Analiza światowych i krajowych
danych literaturowych pozwoliła wytypować główne
patogeny, stanowiące przyczynę przypadkowych skażeń żywności i powstawania zakaźnych chorób przewodu pokarmowego, a także czynników biologicznych,
które mogą być stosowane w intencjonalnym skażeniu
produktów żywnościowych.
W charakterystyce powstawania i szerzenia się
zatruć i zakaźnych chorób przenoszonych drogą
pokarmową uwzględniono rolę czynnika biologicznego, a także opis reguł postępowania obejmujących:
źródło zakażenia i drogi szerzenia, okres wylęgania
i wrota zakażenia, zapobieganie i zwalczanie, poprzez
unieszkodliwienie źródła zakażenia, przecięcie dróg
szerzenia oraz zasad postępowanie podczas epidemii.
Opisano także metody i sposoby zarządzania w przypadku powstania epidemii. Dokonano też analizy
aktualnych procedur reagowania kryzysowego na
wypadek wystąpienia zagrożeń skażenia czynnikami
biologicznymi żywności na wszystkich etapach łańcucha pokarmowego człowieka. Opracowano algorytmy
postępowania kryzysowego w przypadku skażenia
żywności patogenami lub toksynami biologicznymi,
oraz w przypadku użycia drobnoustrojów chorobotwórczych lub toksyn biologicznych do skażenia
wody.
Opracowano procedury niezbędne do przygotowania modeli formalnych zagrożeń, w tym opracowania matematycznych założeń modelowania przebiegu
epidemii zakaźnych chorób przewodu pokarmowego
zatruć pokarmowych, które objęły:
Probl Hig Epidemiol 2013, 94(2): 159-162
1. Proces monitorowania (badań) obszaru z punktu
widzenia możliwości wystąpienia zakażenia (epidemii),
2. Proces analizy wystąpienia zakażenia (epidemii)
w określonym obszarze,
3. Proces analizy możliwych źródeł zakażenia (epidemii),
4. Proces ustalania faktu losowego wybuchu epidemii,
5. Proces ustalania faktu intencjonalnego (terrorystycznego) wybuchu epidemii,
6. Proces ustalania wielkości substancji z patogenem,
7. Proces planowania działań służb sanitarnych
w związku z zakażeniem (epidemią),
8. Proces realizacji (znane są pewne dotychczasowe
efekty rozprzestrzeniania się zakażenia [epidemii] oraz skutki działań przeciwepidemicznych)
działania służb sanitarnych,
9. Proces działań ratowniczych (w zakresie minimalnym dotyczącym działań służb sanitarnych)
w stosunku do osób, które uległy zakażeniu,
10. Proces kontroli stanu po wybuchu, w czasie trwania i po ustąpieniu zakażenia (epidemii).
Dokonano także analizy możliwości modelowania
sieci wodno-kanalizacyjnej i wykorzystania modeli
sieci w procedurach decyzyjnych. W ramach pracy
przygotowany został opis głównych metod modelowania sieci wodnych/wodociągowych.
Jedną z ważnych prac projektowych było opracowanie modeli rozwoju epidemii i ich wykorzystanie
do prognozowania skutków rozwoju choroby. Dokonano przeglądu modeli wykorzystywanych do opisu
rozprzestrzenia się epidemii. Opracowano modele
szczegółowe rozprzestrzenia się epidemii poprzez
kontakt z zakażoną żywnością. Uruchomiono i przetestowano symulator programowy NES odnoszący się
do modelu rozwoju epidemii chorób przenoszonych
drogą pokarmową oraz prac inspektorów sanitarnych
podejmowanych w trakcie rozwoju i trwania epidemii.
Dokonano opisu działania symulatora funkcjonującego w ramach większego systemu informatycznego
opartego o technologie systemu Aurea BPM powstającego na potrzeby projektu. Ustalono standard
przekazywania danych ze środowiska AUREA BPM
do symulatora i sposób wywoływania go oraz na końcu
odczyt uzyskanych w wyniku przeprowadzenia serii
eksperymentów wyników symulacyjnych.
Opracowano zadania optymalizacji harmonogramowania prac inspektorów sanitarnych przydzielonych do realizacji wywiadów z osobami, jakie zgłoszone zostały jako te, które uległy zachorowaniu oraz
do realizacji kontroli potencjalnych źródeł szerzenia
epidemii.
Lasocki K, Nowicki T. Symulacja komputerowa i analiza epidemii chorób przenoszonych drogą pokarmową
Baz Wiedzy
SYSTEM WSPOMAGANIA ĆWICZEŃ SYMULACYJNYCH
ORAZ DOSKONALENIA PROCEDUR
Systemy
Wspomagania
Decyzji
Celem projektu PBS1/A7/6/2012 jest opracowanie systemu informatycznego wspomagania ćwiczeń
symulacyjnych oraz doskonalenia procedur w działaniach organów nadzoru sanitarnego w przypadkach
zatruć i chorób zakaźnych przenoszonych drogą pokarmową. Mając na uwadze uzyskane i opisane w poprzednim punkcie wyniki zauważono, że korzystając
z dotychczasowych doświadczeń można wykonać
oprogramowanie systemu, który byłby podstawą:
•organizacji ćwiczeń symulacyjnych dla organów
nadzoru sanitarnego powodujących lepsze przygotowanie inspektorów do zwalczania potencjalnych
wystąpień zatruć lub epidemii chorób przenoszonych droga pokarmową, oraz w aspekcie przebiegu
tych ćwiczeń
•analizy procesów wspomagania decyzyjnego
w działaniach przeciwepidemicznych,
•doskonalenia procedur stosowanych w działaniach
organów nadzoru sanitarnego w przypadkach chorób zakaźnych przenoszonych drogą pokarmową.
Stosowane dotąd modele pozwalały na badanie
charakterystyk rozprzestrzeniania się epidemii chorób przenoszonych drogą pokarmową. W przypadku
użycia ich do ćwiczeń symulacyjnych powinny ulec
znaczącej modyfikacji z punktu widzenia sposobów
przygotowania i organizacji tego typu ćwiczeń.
W projekcie rozbudowane będą więc modele
dynamiczne opisujące procesy tworzenia i rozprzestrzeniania się epidemii oraz procesy funkcjonowania
służb sanitarnych. Modele te tworzone będą z wykorzystaniem metodologii Forrester’a opisu dynamiki
procesów. Uszczegółowione zostaną również procesy
w środowisku wspomagania, symulacji i analizy procesów biznesowych. Procesy te będą podstawą do opracowania systemu typu workflow, w którym uwzględnione
zostaną przepływy dokumentów charakterystycznych
dla działań organów sanitarnych. Uwzględnione też
będą charakterystyki czasowo kosztowe tych działań.
Dla potrzeb symulatora rozprzestrzeniania się chorób
przenoszonych drogą pokarmową skonstruowany
zostanie model danych o populacji, terenie i rozpatrywanych chorobach przenoszonych drogą pokarmową.
Da to podstawę dalszych działań zmierzających do
opracowania scenariuszy ćwiczeń organów sanitarnych. Scenariusze te odnosić się będą do założonych
wariantów ćwiczeń.
W trakcie ćwiczeń powstać mogą pewne sytuacje
decyzyjne, wiec działanie symulatora musi być wstrzymane na czas podejmowania decyzji i dalej symulator
musi uwzględniać w swym działaniu skutki tych decyzji. Opracowane zostaną wymagania na podsystem
AAR (After Action Review). Jego realizacja jest istotna
z punktu widzenia działania symulatora i sposobów
wizualizacji wyników związanych z prowadzeniem
ćwiczeń. Symulator musi mieć te cechę, że na podstawie przebiegu ćwiczenia i ustalonego kroku tych
ćwiczeń powinien pokazywać wszelkie informacje
odnoszące się do rozprzestrzeniania się zachorowań
oraz decyzji podejmowanych przez zespoły podgrywki i zespoły ćwiczące. Pozwala to na sprawną analizę
i ocenę ćwiczeń dokonywana przez osoby prowadzące
ćwiczenia. Zmusza to projektantów symulatora rozwoju zachorowań lub epidemii chorób przenoszonych
droga pokarmową do budowy mechanizmów pozwalających na dokonywanie przeglądu wstecz wszelkich
potrzebnych działań symulatora.
Opracować należy liczne warianty ćwiczeń symulacyjnych, metody oceny wyników przebytych
ćwiczeń, zestawy danych opisujące obszar, w którym
symuluje się rozwój epidemii choroby przenoszonej
droga pokarmową, charakterystyki populacji ludzi w
danym obszarze, rozmieszczoną tam sieć dystrybucji
żywności, itd.
Opracowany system przeznaczony będzie do
wykorzystania przez służby nadzoru sanitarnego do
prowadzenia szkoleń i doskonalenia procedur działania personelu w terenie, na poziomie powiatowych
i granicznych stacji sanitarno-epidemiologicznych,
a także do prowadzenia ćwiczeń zgrywających na poziomie wojewódzkich stacji sanitarno-epidemiologicznych. Opis struktury systemu wspomagania ćwiczeń
symulacyjnych dedykowanych dla służb sanitarnych
przedstawiony został na rycinie 1.
Interfejs
użytkownika
Budowa środowiska wspomagania ćwiczeń
symulacyjnych służb sanitarnych
161
Populacja
i Teren
SYMULATOR
Pulpit
użytkownika
Procedury,
Normy,
Instrukcje
Wzory
dokumentów
MODELE
DYNAMICZNE
WSPARCIE
REALIZACJI
PROCEDUR
(BPM)
Mapa
cyfrowa
Powiadomienia
i wizualizacje
Zespół przygotowania
ćwiczeń
Wzorce
postępowania
w sytuacji
kryzysowej
OBIEG
DOKUMENTÓW
Ćwiczenia
Monitoring,
analiza i ocena
po działaniach
Scenariusze
ćwiczeń
Rejestry
Dane do
ćwiczeń
AAR
Podgrywka
Raporty
Interfejs
mobilny
Zespół ćwiczący
Zespół podgrywający
Ryc. 1. Struktura systemu wspomagania ćwiczeń symulacyjnych dedykowanych dla służb sanitarnych
Fig. 1. Structure of the support system simulation exercises dedicated
to health services
162
Wniosek
Wyniki projektów realizowanych przez krajowe
środowiska akademickie i instytuty badawcze pozwalają na dokonanie analizy i optymalizację działania służb sanitarnych. Ponadto służą powstaniu
środowiska programowego do wspomagania ćwiczeń
Probl Hig Epidemiol 2013, 94(2): 159-162
symulacyjnych skierowanych do służb sanitarnych
dla kształtowania sprawnego działania tych służb
w sytuacjach powstania zagrożenia epidemiami chorób
przenoszonych drogą pokarmową.
Praca finansowana jest ze środków NCBiR przeznaczonych na realizację projektu PBS1/A7/6//2012.
Piśmiennictwo / References
1. Bailey NTJ. The Mathematical Theory of Infectious Diseases.
Griffin, London 1975.
2. Kermack WO, McKendrick AG. Contributions to the
mathematical theory of epidemics. Proc R Soc Lond A, 1933;
141:94-122.
3. Murray JD. Mathematical biology. I. An introduction.
Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York 1993.
4. Murray JD. Mathematical biology. II. Spatial models,
Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York 2001.
5. Bertrandt J, Lasocki K (red). Modelowanie i symulacja
procesów oraz określenie komputerowo wspomaganych
procedur w zakresie zarządzania ryzykiem bezpieczeństwa
żywności i żywienia. BELStudio, Warszawa 2012.