Wie man die Epidemie berechnen kann

Computermodelle, mit denen man die Ausbreitung von Epidemien vorausberechnen kann, entwickelt die TU Wien gemeinsam mit ihrem Spin-Off-Unternehmen dwh. So lässt sich untersuchen, welche Maßnahmen wann sinnvoll sind.

Bereits zu Beginn der COVID-19-Epidemie war viel von einfachen Formeln zu lesen, mit denen man die Ausbreitung einer Krankheit zumindest in groben Zügen beschreiben kann. Das Forschungsteam von Niki Popper (TU Wien / dwh) verwendet allerdings eine komplexere und flexiblere Methode: „Wir arbeiten mit einem agentenbasierten Ansatz. Das heißt, wir simulieren das Verhalten vieler einzelner Menschen und können am Computer beobachten, wie diese virtuellen Agenten das Virus untereinander weitergeben“, erklärt Popper.

Reale Personen werden also durch „digitale Zwillinge“ am Computer repräsentiert und über den gesamten zeitlichen Verlauf der Epidemie hinweg verfolgt. Die virtuelle Person legt jeden Tag bestimmte Wege zurück – etwa zum Arbeitsplatz und wieder nach Hause. Simuliert wird Tag für Tag, welche Person welche Kontakte zu welchen anderen Personen hat.

Dynamische Netzwerke

Dadurch ergeben sich dynamische Netzwerke: Es gibt Menschen, mit denen eine Person regelmäßig Kontakt hat, etwa im Haushalt oder am Arbeitsplatz. Dazu kommt wechselnder Kontakt mit zufälligen Personen – etwa mit Kund*innen im Geschäft. Bei jedem einzelnen virtuellen Kontakt gibt es eine bestimmte Ansteckungswahrscheinlichkeit. So ergibt sich unter normalen Bedingungen zu Beginn eine exponentielle Ausbreitung der Infektion – nicht, weil man Exponentialfunktionen verwendet hätte, um die Epidemie zu beschreiben, sondern als natürliche Konsequenz des Modells, als Ergebnis der simulierten Zufallskontakte.

Berücksichtigt wird eine breite Palette von Bevölkerungsdaten. So ist etwa die Altersverteilung von entscheidender Bedeutung, weil sie einen wichtigen Einfluss auf die Zahl der Kontakte hat. Auch die genau räumliche Verteilung der Wohnorte ist wichtig. Im ländlichen Raum hängt die Wahrscheinlichkeit, dass eine Person eine andere ansteckt, stark vom räumlichen Abstand ihrer Wohnsitze ab. In einer Großstadt wie Wien ist dieser Zusammenhang schwächer, weil es dort eher die Möglichkeit besteht, sich über rein zufällige Kontakte anzustecken, etwa in öffentlichen Verkehrsmitteln.

Wenn man all das berücksichtigt, kann man simulieren, wie sich Quarantänemaßnahmen, Veranstaltungsverbote oder Schulschließungen auswirken.

Über den/die Forscher*In

Dr. Niki Popper arbeitet am Institut für Information Systems Engineering der TU Wien und ist gleichzeitig Geschäftsführer des TU Wien Spin-Off-Unternehmens dwh. Er forscht an Computermodellen zur Beschreibung komplexer Phänomene, wie etwa der Ausbreitung von Epidemien. Er ist Mitinitiator des Master Colleges für Angewandte Modellierung, Simulation und Decission Making COCOS an der TU Wien und des ausgezeichneten „Blended Learning Courses für Grundlagenmathematik“ an der TU Wien.
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