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书名：传染病监测预测与优化控制
定价：75.0
ISBN：9787030441690
作者：黄顺祥
版次：3101
出版时间：2016-01
内容提要：
传染病是威胁人类生命健康*大杀手之一，一直备受关注。新的传染病不断出现，一些老的传染病时有卷土重来之势，生物战、生物恐怖导致传染病疫情暴发的可能性不可轻视。传染病监测、疫情预测与控制三者相互关联，如何基于实际监测结果快速、准确地进行疫情预测？如何基于传染病疫情监测与预测结果进行科学控制？又如何通过监测、预测与控制三者的相互反馈信息，提出*优控制方案使疫情发展引起的损失和控制代价*小？如何实现传染病一体化防控？以上都是传染病疫情防控领域的科学技术难题。本书从传染病监测、疫情预测和疫情优化控制三个方面较系统和深入地论述了传染病疫情防控中的若干关键科学问题，其中大部分属于原创性研究成果，在本书中首次公开。
目录：
前言
第1章 绪论(1)
1.1 引言(1)
1.1.1 传染病基本概念(2)
1.1.2 人类对传染病的认识与控制历程(2)
1.1.3 疫情防控意义(8)
1.2 历史上重大传染病事件(9)
1.2.1 天花的消灭(9)
1.2.2 鼠疫大流行(10)
1.2.3 SARS暴发(11)
1.2.4 人感染高致病性禽流感(H5Nl亚型禽流感)(11)
1.2.5 新型流感疫情频发(12)
1.3 传染病的特点(14)
1.3.1 病原体(14)
1.3.2 传染性(14)
1.3.3 流行性(14)
1.3.4 感染后免疫性(15)
1.4 传染病流行的基本条件与病程规律(15)
1.4.1 基本条件(15)
1.4.2 流行过程的影响因素(16)
1.4.3 病程规律(17)
1.5 传染病监测预测与优化控制系统框架(19)
1.5.1 技术体系(19)
1.5.2 系统架构(20)
1.5.3 系统集成(22)
1.6 小结(22)
参考文献(23)
第2章 致病微生物监测(25)
2.1 致病微生物监测概述(25)
2.1.1 监测原理(25)
2.1.2 监测技术现状与发展(29)
2.2 高效生物气溶胶采集器的研制(36)
2.2.1 基于矿物油膜的大容量气液生物气溶胶采样器(37)
2.2.2 自动静电场采样器(37)
2.3 生物气溶胶实时监测技术(39)
2.3.1 硅纳米线生物传感器的研制(40)
2.3.2 特异性单克隆抗体的制备(42)
2.3.3 基于SiNW-FET生物传感器的生物气溶胶实时监测系统46
参考文献(56)
第3章 传染病疫情监测(60)
3.1 传染病疫情调查(60)
3.1.1 疾病分布(61)
3.1.2 流行病学调查(65)
3.2 疫情分析原理(67)
3.2.1 调查数据分析(67)
3.2.2 疫情分析(68)
3.3 病程模型(70)
3.3.1 多项式分布病程模型(71)
3.3.2 Poisson分布病程模型(74)
3.3.3 Gamma分布病程模型(74)
3.3.4 对数正态分布病程模型(77)
3.3.5 正态分布病程模型(78)
参考文献(81)
第4章 传染病疫情预测(82)
4.1 传染病模型概述(82)
4.1.1 传统动力学模型(82)
4.1.2 统计学模型(84)
4.1.3 时空交互模型(89)
4.2 具有控制变量的传染病模型(99)
4.2.1 状态方程(99)
4.2.2 模型参数化方法(100)
4.2.3 模型求解方法(101)
4.3 具有免疫期的传染病模型(101)
4.3.1 状态方程(101)
4.3.2 模型参数化方法(102)
4.3.3 模型求解方法(102)
4.4 空间非均匀性传染病模型(102)
4.4.1 两分区模型(103)
4.4.2 多分区模型(107)
4.5 传染病模型参数反演方法(108)
4.5.1 SEIRS-CV模型参数反演方法(109)
4.5.2 SEIRS-SI模型参数反演方法(113)
4.6 传染病疫情预测实例(115)
4.6.1 SARS疫情模拟预测(116)
4.6.2 甲型HIN1流感疫情模拟预测(120)
4.6.3 常规流感疫情模拟预测(130)
4.6.4 SHEM模型模拟试验(131)
参考文献(133)
第5章 传染病疫情优化控制(135)
5.1 条件及问题的提法(135)
5.2 解决方法(137)
5.3 传染病疫情优化控制模型(139)
5.3.1 疫情预防代价函数(139)
5.3.2 发病者医治成本函数(140)
5.3.3 死亡者社会代价函数(140)
5.3.4 总代价函数(140)
5.4 优化控制求解方法(140)
5.5 传染病疫情优化控制模拟事例(143)
参考文献(145)
在线试读：
第1章 绪论
在世界迅速全球化的今天，以传染病为主的生物危害正以惊人的速度蔓延，全球任何一个角落暴发的传染病都可能引发全球警觉（王慧娜，2011）。目前，传染病仍是当今世界范围内引起人类死亡的重要原因，而且人类正面临着与传染病抗争的新形势：新传染病的出现、旧传染病的复燃、致病微生物对抗生素耐药性的增加，都严重威胁着人类健康。同时，随着国际政治、经济的发展，重大公共卫生事件频发，蔓延迅速，严重影响了人类社会的正常生活。2002年1 1月，严重急性呼吸综合征(SARS)在中国广东首先暴发，并于2003年3月初输入北京，随之在北京迅速扩散，同期也引起在世界范围内的暴发流行，其中，广州、香港、北京及台湾地区SARS疫情尤为严重。据世界卫生组织估计，SARS对全球经济造成了约300亿美元的损失。2009年4月，甲型HIN1流感疫情在全球暴发，6月1 1日世界卫生组织宣布其预警级别为流感警戒*高级6级。甲型HIN1流感除了造成直接的人员伤亡和巨额医疗费用外，也间接地严重影响了社会经济、民众心理和社会安定。
传染病监测、预测与控制是传染病防控工作的核心内容。致病微生物气溶胶实时应急监测、传染病疫情快速准确预测和疫情优化控制均属世界性难题。环境中致病微生物气溶胶浓度低，易扩散，有效采样难；常规生物气溶胶监测技术灵敏度低、检测时间长，难以进行生物气溶胶实时在线甄别和痕量监测；常规疫情预测模型参数宏观粗略，不能清晰地反映与环境、防控措施之间的复杂关系，预测精度低，难以为疫情防控决策提供具体建议，不能用于防控措施的评价与优化；传染病疫情错综复杂，难以建立定量描述防控措施与防控效果之间复杂关系的优化控制模型，且当该模型与非线性动力学方程组相耦合时，常规优化算法无法实现快速求解。应用单分子水平生物传感技术对致病微生物进行快速、痕量监测；根据监测结果，构建预警指标体系，进行疫情准确预测；根据预测结果，提出疫情预警；根据预警信息，提出传染病疫情控制方案，并对控制方案进行优化，使疫情控制代价*小。因此，重大传染病监测、预测与优化控制是一个复杂的系统工程，既是本领域内需要突破的科学技术难题，又是当前亟须解决的重大实际问题。
1.1 引言
传染病肆虐人类的历史达数千年，是对人类危害*大的疾病。近年来，全球传染病发病率大幅度回升，流行、暴发事件不断，一些被认为早己得到控制的传染病卷土重来，同时又新发现了数十种传染病(WHO，2007)。1995年全世界共死亡5200万人，其中1700万人丧生于各种传染病；传染病仍是人类的**杀手，人类正面临着种种传染病长期而严峻的威胁。传染病的预防和控制仍是世界各国乃至全球的一个突出重点。面对传染性强、致病率高、传播迅速的传染病，要想有效控制，不仅要重视病原微生物及其发病机理、传播途径等定性和微观研究，还要重视传染病模型在揭示其发展过程、传播规律和发展趋势的定量及宏观控制方面的作用。寻求对传染病能有效预测和控制的*优策略，研究传染病监测预测与优化控制基本理论，对有效控制传染病、阻止传染病蔓延、减少对人民群众的健康危害和社会的经济损失，具有十分重要的现实意义。
1.1.1 传染病基本概念
传染病(infectious diseases)是指由病毒、细菌和真菌等病原体或原虫、蠕虫等寄生虫感染人或其他生物体后所产生且能在人群或相关生物种群中引起流行的疾病(杨绍基，2008)。传染性病原体中大部分是致病微生物，主要包括细菌、病毒、立克次体、衣原体、支原体、螺旋体、真菌等。
多年来，人们从不同角度对传染病进行分类，以满足不同研究方向以及传染病管理与控制的需要。临床医学研究通常按主要临床表现和受影响的器官将传染病分为消化道感染、呼吸道感染、中枢神经系统感染、心血管系统感染等；微生物学研究常按病原微生物的类别将传染病分为细菌性感染、病毒性感染、寄生虫感染、立克次体感染、衣原体感染等；由于传播途径是研究和有效控制传染病的重要切入点，因此按传播途径对传染病进行分类也是人们常用的方法，一般可分为接触传播、经水和食物传播、空气传播和媒介传播等，在本书的传染病监测预测与控制研究中，主要针对空气传播传染病。
1.1.2 人类对传染病的认识与控制历程
传染病一直伴随着人类的生存和发展，威胁着人类的健康。从某种意义上说，人类的历史也是一部与传染病斗争的历史。在这场似乎没有尽头的斗争中，人类对传染病和人体自身有了越来越深入的认识，积累了大量的传染病预防和控制的经验。
1. 对传染病发生的认识历程
人类对传染病的认识过程大致可分为三个阶段。
**阶段，引发对传染病的认识与寻求治疗的基础阶段。
人类在中古时代就已经观察到某些疾病的传染现象，并将这类疾病看成是特殊的疾病，如瘟疫，这是对传染病*初的认识。公元前116年，古希腊医生猜测沼泽地区的空气中存在许多微小动物，能侵入人体而发生疾病；两千多年前，我国中医认识到有些发热性疾病与一般因受寒引起的热性病不同；明代末期，我国著名医学家吴有性明确提出关于温病的病因、传播途径、传染方式、流行特点和治疗原则，形成了初步的传染病学理论(赵书刚，2007)；1546年，弗拉卡斯托罗出版了《关于传染病》一书，**次提出了“传染病”的概念(Beretta，2003)；1673年，列文？虎克制造并使用光学显微镜来观察细菌，这为科学家弄清传染病的病因提供了关键的技术手段。但18世纪之前，人类还处于对传染病的认识、思考阶段，还没有具备积极预防和预测传染病大规模暴发的能力。
第二阶段，传染病的有效控制和主动预防阶段。
18～20世纪初，传染病仍是导致人类死亡的主要疾病。经过大量科学家的努力，20世纪中后期，安全饮用水的供应、抗生素的发明和使用、疫苗的出现和计划免疫的实施、卫生知识的普及等措施成为现实，使得传染病得到了有效的控制。这个阶段是传染病医学及其控制理论与应用研究的重要阶段。
1)病原机制
19世纪末至20世纪初，由于显微镜的发明和病原微生物的发现，结束了传染病认识与防治的经验时期，人类开始进入能初步控制和预防传染病的阶段。19世纪，法国科学家巴斯德在研究葡萄酒腐败变酸的问题时，发现微生物发酵是其主要原因，由此联想到一些疾病可能与微生物有关，转而研究传染病。1878年，他明确指出传染病本质上是由于某些微小生物的存在，而且他通过显微镜观察到了这些微生物。巴斯德的工作表明：细菌是传染病的根源，细菌的传播会造成传染病的蔓延，如果能查明细菌寄生处从而消灭它们，就能战胜传染病。这就是*初确立的“细菌学说的病因论”(张文根，1998)。之后，德国医学家罗伯特，科赫发明了固体培养基，阐明了细菌分裂方法并创建了细菌染色方法，从而揭开了炭疽杆菌、伤寒杆菌、结核杆菌、霍乱弧菌等病原细菌的真面目，证明这些细菌是引起这些疾病的真正根源。罗伯特，科赫进一步提出了判断某种微生物是否为一种传染病的病原微生物的原则——“科赫氏法则”（曹茂开和汪美先，1991）。这不仅避免了人类关于传染病的表述危机，而且预示着传染病学真正成为一门科学。
2)消毒**技术
继细菌之后，人类逐渐发现了各种与传染病相关的病原微生物，随后开始了杀灭病原微生物、迸行治疗及预防传染病的预防医学的研究和发展。1848年，世界上*大、人口*多的城市——伦敦暴发严重霍乱疫情，病死人数超过14 000人；1853年，霍乱卷土重来，约翰？史劳通过将发病案例逐个标在伦敦地图上的方法，得出地下水源严重污染是造成伦敦霍乱原因的结论。1859年，伦敦地下排水系统开始改造，地下水污染现状得以治理，同时成功解决了引发霍乱的病因，成为人类历史上通过整治环境水道抑制急性传染病暴发的**案例(毛利霞，2007)。1865年，英国外科医生李斯特采用消毒法对伤口和手术切口进行消毒**，这一技术使得外科手术后死亡率下降了近70%(赫丰年，1982)。通过环境整治和消毒技术，杀灭病原微生物中间宿主，人体外环境得到逐步改善，各种传染病得到明显抑制。控制传染病的革命性变革，使得人类感染传染病的疾病方向有了明显变化。
1910年，德国科学家、 “化学疗法之父”艾利希发现能够特异性杀灭病原微生物的药物“606”，用以治疗梅毒患者，开创了人类利用化学物质治疗传染病的先河(董驹翔，1989)。1928年，英国科学家弗莱明发现青霉的**特性，后经钱恩和弗洛里将青霉素分离出来，1942年应用临床，第二次世界大战期间挽救了大量染病战士的生命(张帆，2008)。至今，每年都发现和制造出新的抗生素，药物治疗使传染病死亡率大大下降。
3)免疫接种预防
预防传染病的另一有效手段是接种疫苗。中国是*早使用疫苗的国家。11世纪，中国天花流行，人们把天花病**肤的结痂取下、捣碎，放入未感染者鼻腔，通过鼻腔黏膜的毛细血管吸进人体，从而有效预防天花；16世纪，此技术得以完善，总结为《太平痘苗》(刘锡珊，1978)。1796年，英国医生琴纳发明了牛痘疫苗；19世纪后，牛痘逐渐普及，为人类消灭天花起到了至关重要的作用(刘学礼，2002)。19世纪末，法国科学家巴斯德进一步制成狂犬病疫苗、霍乱疫苗、炭疽疫苗；1954年沙克成功研制了脊髓灰质炎活疫苗；1961年科学家又发现了减毒活疫苗； 目前，人们己能研制各种基因疫苗。疫苗的研制逐渐深入完善，许多曾严重肆虐人类的传染病得到有效预防和控制(寇毅，2006)。
第三阶段，传染病呈现新趋势，威胁人类健康及国家安全阶段。
传染病是自然界的产物，其发展变化随着人类活动和环境的变化而变化。受全球化的影响，全球温度升高，城市化进程加快，人类生活方式改变，传染病的发生、发展也呈现出许多新的特点。
1)新发传染病不断出现
近年来，过去已经控制的疾病如霍乱、鼠疫、疟疾、肺结核等开始重新出现，传染性非典型肺炎、禽流感等新型传染病频发，世界上时有发生的生物恐怖事件更加重了新发传染病问题的严重性。传染病再次成为重要的公共卫生安全问题呈现在人类面前。美国疾病预防控制中心(CDC)在《健康防护目标》中指出：美国新千年面临的健康安全威胁中，排在首位的就是新发传染病。新发传染病因病原体种类繁杂，传播途径各异，感染方式复杂多变，危害大，容易造成跨国界、跨洲界甚至全球性传播，也日益成为全球重要的健康威胁因素。近30年来，世界范围内共有新发传染病40余种，平均每年约有1种以上新的传染病出现，我国陆续发现的有20余种，如表1-1所示。提高对新发传染病的防控能力是目前传染病发展趋势向人类提出的重要课题(李庆虹，2010)。
2)呼吸道传染病疾病明显增多
近年来出现的40多种新发传染病中，经呼吸道传播疾病明显增多，其病种数约占新发疾病的114，且在全球各地都有暴发和流行，人类普遍易感，发病率和病死率较高。1999年世界卫生组织公布的导致死亡的前10种传染病中，有4种属于呼吸道传染病。呼吸系统传染病仍是危害人类健康的主要传染病。
3)“新兴病毒”引发的高致病性传染病威胁着人类
近20多年来，20余种新型病毒性高致病性传染病严重威胁着人类健康(刘元旭等，2013)，如SARS病毒、H5Nl高致病性禽流感病毒、埃博拉病毒、拉沙病毒、人类免疫缺陷病毒、尼帕病毒等，医学上称这些病毒为“新兴病毒”(emergingvirus)。病毒具有普遍性、依赖性、适应性、顽固性和难预防等特点，病毒性传染病通常无特效药物控制，且难以研制出普遍有效的疫苗，因此高致病性“新兴病毒”引发的传染病一旦暴发流行，将严重影响人类的生命安全，这为传染病的监测、预防和控制提出了更大的挑战。
4)现代传染病呈现全球化趋势
随着全球范围内人口流动的日益频繁，传染病也易于随之扩散。现在，人们在国家间旅行所需的时间往往比传染病的潜伏期还要短。频繁的人口流动使得传统的地域隔离方式无法阻隔传染病的流行，也使得一国暴发的传染病会迅速地传播到其他地区；全球化高致病性新、老传染病的交错出现，威胁着人类健康，使得传染病对国家安全和国际关系产生深远影响(龚向前，2006)。
2. 传染病防控策略的发展历程
1)流行病学规律指导防控
传染病流行环节、流行特征及影响因素等流行病学规律研究，是掌握传染病本质、找到疾病薄弱环节、有效控制传染病蔓延并采取针对性防治对策的重要内容和依据，是促进和保障人类健康，达到预防、控制和消除传染病的重要手段。1850年全世界**个流行病学学会“英国伦敦流行病学学会”成立，标志着流行病学学科的形成。19世纪末至20世纪初，随着统计学的发展，流行病学有了飞速的发展。医学家们总结出，在人群中发生、传播及终止的传染病流行过程需要传染源、传播途径和易感人群三个基本条件（三环节），并受社会因素、自然因素的作用及影响（两因素）；进一步指出“三环节”为传染病流行提供了可能性，而“两因素”则是决定传染病流行能否形成的动因。这是传染病研究史上又一具有历史性的贡献，也是目前预防传染病的基本策略(李立明等，2008). 俞东征(2004)总结了*近三四十年人类与传染病作斗争的经验，明确提出“传染病是地球生态体系的组成部分”的观点，指出传染病预防和控制的一般策略应“把传染病控制
表1-1 我国法定传染病主要特征与分类管理（参见《中华人民共和国传染病防治法》，2013年*新修订）
定价：75.0
ISBN：9787030441690
作者：黄顺祥
版次：3101
出版时间：2016-01
内容提要：
传染病是威胁人类生命健康*大杀手之一，一直备受关注。新的传染病不断出现，一些老的传染病时有卷土重来之势，生物战、生物恐怖导致传染病疫情暴发的可能性不可轻视。传染病监测、疫情预测与控制三者相互关联，如何基于实际监测结果快速、准确地进行疫情预测？如何基于传染病疫情监测与预测结果进行科学控制？又如何通过监测、预测与控制三者的相互反馈信息，提出*优控制方案使疫情发展引起的损失和控制代价*小？如何实现传染病一体化防控？以上都是传染病疫情防控领域的科学技术难题。本书从传染病监测、疫情预测和疫情优化控制三个方面较系统和深入地论述了传染病疫情防控中的若干关键科学问题，其中大部分属于原创性研究成果，在本书中首次公开。
目录：
前言
第1章 绪论(1)
1.1 引言(1)
1.1.1 传染病基本概念(2)
1.1.2 人类对传染病的认识与控制历程(2)
1.1.3 疫情防控意义(8)
1.2 历史上重大传染病事件(9)
1.2.1 天花的消灭(9)
1.2.2 鼠疫大流行(10)
1.2.3 SARS暴发(11)
1.2.4 人感染高致病性禽流感(H5Nl亚型禽流感)(11)
1.2.5 新型流感疫情频发(12)
1.3 传染病的特点(14)
1.3.1 病原体(14)
1.3.2 传染性(14)
1.3.3 流行性(14)
1.3.4 感染后免疫性(15)
1.4 传染病流行的基本条件与病程规律(15)
1.4.1 基本条件(15)
1.4.2 流行过程的影响因素(16)
1.4.3 病程规律(17)
1.5 传染病监测预测与优化控制系统框架(19)
1.5.1 技术体系(19)
1.5.2 系统架构(20)
1.5.3 系统集成(22)
1.6 小结(22)
参考文献(23)
第2章 致病微生物监测(25)
2.1 致病微生物监测概述(25)
2.1.1 监测原理(25)
2.1.2 监测技术现状与发展(29)
2.2 高效生物气溶胶采集器的研制(36)
2.2.1 基于矿物油膜的大容量气液生物气溶胶采样器(37)
2.2.2 自动静电场采样器(37)
2.3 生物气溶胶实时监测技术(39)
2.3.1 硅纳米线生物传感器的研制(40)
2.3.2 特异性单克隆抗体的制备(42)
2.3.3 基于SiNW-FET生物传感器的生物气溶胶实时监测系统46
参考文献(56)
第3章 传染病疫情监测(60)
3.1 传染病疫情调查(60)
3.1.1 疾病分布(61)
3.1.2 流行病学调查(65)
3.2 疫情分析原理(67)
3.2.1 调查数据分析(67)
3.2.2 疫情分析(68)
3.3 病程模型(70)
3.3.1 多项式分布病程模型(71)
3.3.2 Poisson分布病程模型(74)
3.3.3 Gamma分布病程模型(74)
3.3.4 对数正态分布病程模型(77)
3.3.5 正态分布病程模型(78)
参考文献(81)
第4章 传染病疫情预测(82)
4.1 传染病模型概述(82)
4.1.1 传统动力学模型(82)
4.1.2 统计学模型(84)
4.1.3 时空交互模型(89)
4.2 具有控制变量的传染病模型(99)
4.2.1 状态方程(99)
4.2.2 模型参数化方法(100)
4.2.3 模型求解方法(101)
4.3 具有免疫期的传染病模型(101)
4.3.1 状态方程(101)
4.3.2 模型参数化方法(102)
4.3.3 模型求解方法(102)
4.4 空间非均匀性传染病模型(102)
4.4.1 两分区模型(103)
4.4.2 多分区模型(107)
4.5 传染病模型参数反演方法(108)
4.5.1 SEIRS-CV模型参数反演方法(109)
4.5.2 SEIRS-SI模型参数反演方法(113)
4.6 传染病疫情预测实例(115)
4.6.1 SARS疫情模拟预测(116)
4.6.2 甲型HIN1流感疫情模拟预测(120)
4.6.3 常规流感疫情模拟预测(130)
4.6.4 SHEM模型模拟试验(131)
参考文献(133)
第5章 传染病疫情优化控制(135)
5.1 条件及问题的提法(135)
5.2 解决方法(137)
5.3 传染病疫情优化控制模型(139)
5.3.1 疫情预防代价函数(139)
5.3.2 发病者医治成本函数(140)
5.3.3 死亡者社会代价函数(140)
5.3.4 总代价函数(140)
5.4 优化控制求解方法(140)
5.5 传染病疫情优化控制模拟事例(143)
参考文献(145)
在线试读：
第1章 绪论
在世界迅速全球化的今天，以传染病为主的生物危害正以惊人的速度蔓延，全球任何一个角落暴发的传染病都可能引发全球警觉（王慧娜，2011）。目前，传染病仍是当今世界范围内引起人类死亡的重要原因，而且人类正面临着与传染病抗争的新形势：新传染病的出现、旧传染病的复燃、致病微生物对抗生素耐药性的增加，都严重威胁着人类健康。同时，随着国际政治、经济的发展，重大公共卫生事件频发，蔓延迅速，严重影响了人类社会的正常生活。2002年1 1月，严重急性呼吸综合征(SARS)在中国广东首先暴发，并于2003年3月初输入北京，随之在北京迅速扩散，同期也引起在世界范围内的暴发流行，其中，广州、香港、北京及台湾地区SARS疫情尤为严重。据世界卫生组织估计，SARS对全球经济造成了约300亿美元的损失。2009年4月，甲型HIN1流感疫情在全球暴发，6月1 1日世界卫生组织宣布其预警级别为流感警戒*高级6级。甲型HIN1流感除了造成直接的人员伤亡和巨额医疗费用外，也间接地严重影响了社会经济、民众心理和社会安定。
传染病监测、预测与控制是传染病防控工作的核心内容。致病微生物气溶胶实时应急监测、传染病疫情快速准确预测和疫情优化控制均属世界性难题。环境中致病微生物气溶胶浓度低，易扩散，有效采样难；常规生物气溶胶监测技术灵敏度低、检测时间长，难以进行生物气溶胶实时在线甄别和痕量监测；常规疫情预测模型参数宏观粗略，不能清晰地反映与环境、防控措施之间的复杂关系，预测精度低，难以为疫情防控决策提供具体建议，不能用于防控措施的评价与优化；传染病疫情错综复杂，难以建立定量描述防控措施与防控效果之间复杂关系的优化控制模型，且当该模型与非线性动力学方程组相耦合时，常规优化算法无法实现快速求解。应用单分子水平生物传感技术对致病微生物进行快速、痕量监测；根据监测结果，构建预警指标体系，进行疫情准确预测；根据预测结果，提出疫情预警；根据预警信息，提出传染病疫情控制方案，并对控制方案进行优化，使疫情控制代价*小。因此，重大传染病监测、预测与优化控制是一个复杂的系统工程，既是本领域内需要突破的科学技术难题，又是当前亟须解决的重大实际问题。
1.1 引言
传染病肆虐人类的历史达数千年，是对人类危害*大的疾病。近年来，全球传染病发病率大幅度回升，流行、暴发事件不断，一些被认为早己得到控制的传染病卷土重来，同时又新发现了数十种传染病(WHO，2007)。1995年全世界共死亡5200万人，其中1700万人丧生于各种传染病；传染病仍是人类的**杀手，人类正面临着种种传染病长期而严峻的威胁。传染病的预防和控制仍是世界各国乃至全球的一个突出重点。面对传染性强、致病率高、传播迅速的传染病，要想有效控制，不仅要重视病原微生物及其发病机理、传播途径等定性和微观研究，还要重视传染病模型在揭示其发展过程、传播规律和发展趋势的定量及宏观控制方面的作用。寻求对传染病能有效预测和控制的*优策略，研究传染病监测预测与优化控制基本理论，对有效控制传染病、阻止传染病蔓延、减少对人民群众的健康危害和社会的经济损失，具有十分重要的现实意义。
1.1.1 传染病基本概念
传染病(infectious diseases)是指由病毒、细菌和真菌等病原体或原虫、蠕虫等寄生虫感染人或其他生物体后所产生且能在人群或相关生物种群中引起流行的疾病(杨绍基，2008)。传染性病原体中大部分是致病微生物，主要包括细菌、病毒、立克次体、衣原体、支原体、螺旋体、真菌等。
多年来，人们从不同角度对传染病进行分类，以满足不同研究方向以及传染病管理与控制的需要。临床医学研究通常按主要临床表现和受影响的器官将传染病分为消化道感染、呼吸道感染、中枢神经系统感染、心血管系统感染等；微生物学研究常按病原微生物的类别将传染病分为细菌性感染、病毒性感染、寄生虫感染、立克次体感染、衣原体感染等；由于传播途径是研究和有效控制传染病的重要切入点，因此按传播途径对传染病进行分类也是人们常用的方法，一般可分为接触传播、经水和食物传播、空气传播和媒介传播等，在本书的传染病监测预测与控制研究中，主要针对空气传播传染病。
1.1.2 人类对传染病的认识与控制历程
传染病一直伴随着人类的生存和发展，威胁着人类的健康。从某种意义上说，人类的历史也是一部与传染病斗争的历史。在这场似乎没有尽头的斗争中，人类对传染病和人体自身有了越来越深入的认识，积累了大量的传染病预防和控制的经验。
1. 对传染病发生的认识历程
人类对传染病的认识过程大致可分为三个阶段。
**阶段，引发对传染病的认识与寻求治疗的基础阶段。
人类在中古时代就已经观察到某些疾病的传染现象，并将这类疾病看成是特殊的疾病，如瘟疫，这是对传染病*初的认识。公元前116年，古希腊医生猜测沼泽地区的空气中存在许多微小动物，能侵入人体而发生疾病；两千多年前，我国中医认识到有些发热性疾病与一般因受寒引起的热性病不同；明代末期，我国著名医学家吴有性明确提出关于温病的病因、传播途径、传染方式、流行特点和治疗原则，形成了初步的传染病学理论(赵书刚，2007)；1546年，弗拉卡斯托罗出版了《关于传染病》一书，**次提出了“传染病”的概念(Beretta，2003)；1673年，列文？虎克制造并使用光学显微镜来观察细菌，这为科学家弄清传染病的病因提供了关键的技术手段。但18世纪之前，人类还处于对传染病的认识、思考阶段，还没有具备积极预防和预测传染病大规模暴发的能力。
第二阶段，传染病的有效控制和主动预防阶段。
18～20世纪初，传染病仍是导致人类死亡的主要疾病。经过大量科学家的努力，20世纪中后期，安全饮用水的供应、抗生素的发明和使用、疫苗的出现和计划免疫的实施、卫生知识的普及等措施成为现实，使得传染病得到了有效的控制。这个阶段是传染病医学及其控制理论与应用研究的重要阶段。
1)病原机制
19世纪末至20世纪初，由于显微镜的发明和病原微生物的发现，结束了传染病认识与防治的经验时期，人类开始进入能初步控制和预防传染病的阶段。19世纪，法国科学家巴斯德在研究葡萄酒腐败变酸的问题时，发现微生物发酵是其主要原因，由此联想到一些疾病可能与微生物有关，转而研究传染病。1878年，他明确指出传染病本质上是由于某些微小生物的存在，而且他通过显微镜观察到了这些微生物。巴斯德的工作表明：细菌是传染病的根源，细菌的传播会造成传染病的蔓延，如果能查明细菌寄生处从而消灭它们，就能战胜传染病。这就是*初确立的“细菌学说的病因论”(张文根，1998)。之后，德国医学家罗伯特，科赫发明了固体培养基，阐明了细菌分裂方法并创建了细菌染色方法，从而揭开了炭疽杆菌、伤寒杆菌、结核杆菌、霍乱弧菌等病原细菌的真面目，证明这些细菌是引起这些疾病的真正根源。罗伯特，科赫进一步提出了判断某种微生物是否为一种传染病的病原微生物的原则——“科赫氏法则”（曹茂开和汪美先，1991）。这不仅避免了人类关于传染病的表述危机，而且预示着传染病学真正成为一门科学。
2)消毒**技术
继细菌之后，人类逐渐发现了各种与传染病相关的病原微生物，随后开始了杀灭病原微生物、迸行治疗及预防传染病的预防医学的研究和发展。1848年，世界上*大、人口*多的城市——伦敦暴发严重霍乱疫情，病死人数超过14 000人；1853年，霍乱卷土重来，约翰？史劳通过将发病案例逐个标在伦敦地图上的方法，得出地下水源严重污染是造成伦敦霍乱原因的结论。1859年，伦敦地下排水系统开始改造，地下水污染现状得以治理，同时成功解决了引发霍乱的病因，成为人类历史上通过整治环境水道抑制急性传染病暴发的**案例(毛利霞，2007)。1865年，英国外科医生李斯特采用消毒法对伤口和手术切口进行消毒**，这一技术使得外科手术后死亡率下降了近70%(赫丰年，1982)。通过环境整治和消毒技术，杀灭病原微生物中间宿主，人体外环境得到逐步改善，各种传染病得到明显抑制。控制传染病的革命性变革，使得人类感染传染病的疾病方向有了明显变化。
1910年，德国科学家、 “化学疗法之父”艾利希发现能够特异性杀灭病原微生物的药物“606”，用以治疗梅毒患者，开创了人类利用化学物质治疗传染病的先河(董驹翔，1989)。1928年，英国科学家弗莱明发现青霉的**特性，后经钱恩和弗洛里将青霉素分离出来，1942年应用临床，第二次世界大战期间挽救了大量染病战士的生命(张帆，2008)。至今，每年都发现和制造出新的抗生素，药物治疗使传染病死亡率大大下降。
3)免疫接种预防
预防传染病的另一有效手段是接种疫苗。中国是*早使用疫苗的国家。11世纪，中国天花流行，人们把天花病**肤的结痂取下、捣碎，放入未感染者鼻腔，通过鼻腔黏膜的毛细血管吸进人体，从而有效预防天花；16世纪，此技术得以完善，总结为《太平痘苗》(刘锡珊，1978)。1796年，英国医生琴纳发明了牛痘疫苗；19世纪后，牛痘逐渐普及，为人类消灭天花起到了至关重要的作用(刘学礼，2002)。19世纪末，法国科学家巴斯德进一步制成狂犬病疫苗、霍乱疫苗、炭疽疫苗；1954年沙克成功研制了脊髓灰质炎活疫苗；1961年科学家又发现了减毒活疫苗； 目前，人们己能研制各种基因疫苗。疫苗的研制逐渐深入完善，许多曾严重肆虐人类的传染病得到有效预防和控制(寇毅，2006)。
第三阶段，传染病呈现新趋势，威胁人类健康及国家安全阶段。
传染病是自然界的产物，其发展变化随着人类活动和环境的变化而变化。受全球化的影响，全球温度升高，城市化进程加快，人类生活方式改变，传染病的发生、发展也呈现出许多新的特点。
1)新发传染病不断出现
近年来，过去已经控制的疾病如霍乱、鼠疫、疟疾、肺结核等开始重新出现，传染性非典型肺炎、禽流感等新型传染病频发，世界上时有发生的生物恐怖事件更加重了新发传染病问题的严重性。传染病再次成为重要的公共卫生安全问题呈现在人类面前。美国疾病预防控制中心(CDC)在《健康防护目标》中指出：美国新千年面临的健康安全威胁中，排在首位的就是新发传染病。新发传染病因病原体种类繁杂，传播途径各异，感染方式复杂多变，危害大，容易造成跨国界、跨洲界甚至全球性传播，也日益成为全球重要的健康威胁因素。近30年来，世界范围内共有新发传染病40余种，平均每年约有1种以上新的传染病出现，我国陆续发现的有20余种，如表1-1所示。提高对新发传染病的防控能力是目前传染病发展趋势向人类提出的重要课题(李庆虹，2010)。
2)呼吸道传染病疾病明显增多
近年来出现的40多种新发传染病中，经呼吸道传播疾病明显增多，其病种数约占新发疾病的114，且在全球各地都有暴发和流行，人类普遍易感，发病率和病死率较高。1999年世界卫生组织公布的导致死亡的前10种传染病中，有4种属于呼吸道传染病。呼吸系统传染病仍是危害人类健康的主要传染病。
3)“新兴病毒”引发的高致病性传染病威胁着人类
近20多年来，20余种新型病毒性高致病性传染病严重威胁着人类健康(刘元旭等，2013)，如SARS病毒、H5Nl高致病性禽流感病毒、埃博拉病毒、拉沙病毒、人类免疫缺陷病毒、尼帕病毒等，医学上称这些病毒为“新兴病毒”(emergingvirus)。病毒具有普遍性、依赖性、适应性、顽固性和难预防等特点，病毒性传染病通常无特效药物控制，且难以研制出普遍有效的疫苗，因此高致病性“新兴病毒”引发的传染病一旦暴发流行，将严重影响人类的生命安全，这为传染病的监测、预防和控制提出了更大的挑战。
4)现代传染病呈现全球化趋势
随着全球范围内人口流动的日益频繁，传染病也易于随之扩散。现在，人们在国家间旅行所需的时间往往比传染病的潜伏期还要短。频繁的人口流动使得传统的地域隔离方式无法阻隔传染病的流行，也使得一国暴发的传染病会迅速地传播到其他地区；全球化高致病性新、老传染病的交错出现，威胁着人类健康，使得传染病对国家安全和国际关系产生深远影响(龚向前，2006)。
2. 传染病防控策略的发展历程
1)流行病学规律指导防控
传染病流行环节、流行特征及影响因素等流行病学规律研究，是掌握传染病本质、找到疾病薄弱环节、有效控制传染病蔓延并采取针对性防治对策的重要内容和依据，是促进和保障人类健康，达到预防、控制和消除传染病的重要手段。1850年全世界**个流行病学学会“英国伦敦流行病学学会”成立，标志着流行病学学科的形成。19世纪末至20世纪初，随着统计学的发展，流行病学有了飞速的发展。医学家们总结出，在人群中发生、传播及终止的传染病流行过程需要传染源、传播途径和易感人群三个基本条件（三环节），并受社会因素、自然因素的作用及影响（两因素）；进一步指出“三环节”为传染病流行提供了可能性，而“两因素”则是决定传染病流行能否形成的动因。这是传染病研究史上又一具有历史性的贡献，也是目前预防传染病的基本策略(李立明等，2008). 俞东征(2004)总结了*近三四十年人类与传染病作斗争的经验，明确提出“传染病是地球生态体系的组成部分”的观点，指出传染病预防和控制的一般策略应“把传染病控制
表1-1 我国法定传染病主要特征与分类管理（参见《中华人民共和国传染病防治法》，2013年*新修订）