732 军事医学2012年10月第36卷第10期Mil Med Sci,Vol36,No10,0ct,2012 GECCCCCCCEECCCCCe 基于MCMC方法的生物气溶胶袭击 风险管 理 施放源项参数反演 许晴，祖正虎，张文斗，徐致靖，黄培堂，郑涛 [摘要]生物气溶胶施放源项参数反演是生物气溶胶袭击危害评估的反问题，对危害评估及应急响应具有重要指 导意义。本文基于贝叶斯推理方法，利用生物传感器检测数据和正向大气扩散模型，构造似然函数，采用结合 Metropolis-Hasting算法的马尔可夫链蒙特卡洛(Markov chain Monte Carlo,MCMC)抽样，对施放源位置、高度、施放 剂量进行反演。统计分析表明，反演结果和初始源项参数设置吻合非常好，证明了方法的有效性。 [关健词]源项参数反演；贝叶斯推理：马尔可夫链蒙特卡洛；似然函数；生物安全 [中图分类号]E919 [文献标志码]A [文章编号]1674-9960(2012)10073204 Source inversion of bioaerosol attack based on MCMC method XU Qing,ZU Zheng-hu,ZHANG Wen-dou,XU Zhi-jing,HUANG Pei-tang,ZHENG Tao" (Institute of Biotechnology,Academy of Military Medical Sciences,Beijing 100071,China) Corresponding author,E-mail:zt19721@hotmail.com [Abstract]The inversion of bioaerosol release source parameters is the inverse problem of hazard assessment of bioaero- soattacks,and is of great significance for hazard assessment and emergency response.Based on observations of biosensor and concentrations predicted by an atmospheric dispersion model,a likelihood function was assigned,with which the Markov chain Monte Carlo(MCMC)sampling based on Bayesian inference was used to invert the source parameters,including the source location,source height,and dispersion strength.statistic analysis shows that the inversion results fit the initial source parameters very well.The validity of the method is proved. [Key words]source parameter inversion;Bayesian inference;Markov chain Monte Carlo;likelihood function;biosecurity 在城市上空施放气溶胶化生物剂是具有极大危 接反算法、优化法和随机逼近法3种。直接反算法 害性的生物恐怖袭击方式。在该类事件发生后，迅 主要是将大气扩散方程反解找到其数值或解析解， 速掌握施放源项参数如施放地点、高度、施放剂量等 早期反问题的研究主要集中于构造模型的控制微分 参数对于划定污染区域、评估人员伤亡、科学预测事 方程的反问题并直接求解。Tikhonov)的研究工作 态发展以及制定合理有效的应急响应策略具有十分 为这一领域做出了重要贡献。优化法的基本思想是 重要的意义。然而在实际中，该类恐怖事件具有隐 利用传感器测量值和数值模型模拟的信息，构造目 蔽性和突发性的特点，往往无法预知施放源的空间 标函数，通过优化的手段，选择最优的泄漏源项参 位置、施放剂量等关键信息，遭受生物恐布袭击的信 数，使其产生的模拟结果最大程度地与测量信息相 息通常是通过生物气溶胶侦查设备的检测数据或者 匹配，从而达到参数反演的目的，具体算法主要包括 大量非常规病例的暴发等后继现象才能获知。因 遗传算法、模拟退火算法等。Wang2I、McKinney 此，如何通过这些可获得的后验信息反演出施放源 等[3)在水文、地表水污染研究中采用遗传算法进行 关键参数对后续应急响应具有重要的指导意义。 模型数识别。采用概率方法研究源项参数反演问题 生物气溶胶施放源项参数反演是生物气溶胶袭 主要基于贝叶斯推断理论。该方法假设采样结果与 击危害评估的反问题。源项参数反演方法主要有直 泄漏源项参数的先验分布一致，观测的浓度值结合 [基金项目】国家自然科学基金资助项日(90924019)：“艾滋病和 贝叶斯推断可以获得施放源项参数的后验概率分 病卷性肝炎等重大传染病防治”国家科技重大专项(2008ZX10403) 布，通过预测模型参数计算出在这些参数下传感器 [作者简介】许晴，男，博士研究生，研究方向：生物恐饰事件危害 观测值出现的似然值，似然值反过来改进模型参数 评估与应急处置，Tel:010-63833523,E-mail:xugingl4443@yahoo.com.cn [作者单位].军事医学科学院生物工程研究所，北京100071 的估计，由于直接计算后验分布需要在整个参数空 [遁讯作者】]郑涛，Td:010-66948809,E-mail:zt19721@hotmail..com 间进行多维积分，在数值上难以实现，故使用马尔可 万方数据732 军事医学2012年10月第36卷第10期Mil Med Sci，Vol 36，No 10，Oct，2012 基于MCMC方法的生物气溶胶袭击 施放源项参数反演 许晴，祖正虎，张文斗，徐致靖，黄培堂，郑涛 [摘要] 生物气溶胶施放源项参数反演是生物气溶胶袭击危害评估的反问题，对危害评估及应急响应具有重要指 导意义。本文基于贝叶斯推理方法，利用生物传感器检测数据和正向大气扩散模型，构造似然函数，采用结合 Metropolis-Hasting算法的马尔可夫链蒙特卡洛(Markov chain Monte Carlo，MCMC)抽样，对施放源位置、高度、施放 剂量进行反演。统计分析袁明，反演结果和初始源项参数设置吻合非常好，证明了方法的有效性。 【关键词] 源项参数反演；贝叶斯推理；马尔可夫链蒙特卡洛；似然函数；生物安全 [中图分类号] E919 [文献标志码] A [文章编号] 1674-9960(2012)10-0732-04 Source inversion of bioaerosol attack based on MCMC method XU口i愕，ZU Zheng-hu，ZHANG Wen—dou，XU Zhi-jing，HUANG Pei-tang，ZHENG Tao+ (Institute of Biotechnology，Academy of Military Medical Sciences，Beijing 100071，China) }Corresponding author，E-mail：ztl9721@hotmml．com [Abstract]The inversion of bioaerosol release source parameters is the inverse problem of hazard assessment of bioaero￾sol aRacks，and is of great significance for hazard assessment and emergency response．Based on observations of biosensors and．concentrations predicted by an atmospheric dispersion model，a likelihood function懈assigned，with which the Markov chain Monte Carlo(MCMC)sampling based on Bayesian inference Was used to invert the source parameters，including the source location，source height，and dispersion strength．statistic analysis shows that the inversion results fit the initial source parameters very well．The validity of the method is proved． [Key words]source parameter inversion；Bayesian inference；Markov chain Monte Carlo；likelihood function；biosecurity 在城市上空施放气溶胶化生物剂是具有极大危 害性的生物恐怖袭击方式。在该类事件发生后，迅 速掌握施放源项参数如施放地点、高度、施放剂量等 参数对于划定污染区域、评估人员伤亡、科学预测事 态发展以及制定合理有效的应急响应策略具有十分 重要的意义。然而在实际中，该类恐怖事件具有隐 蔽性和突发性的特点，往往无法预知施放源的空间 位置、施放剂量等关键信息，遭受生物恐怖袭击的信 息通常是通过生物气溶胶侦查设备的检测数据或者 大量非常规病例的暴发等后继现象才能获知。因 此，如何通过这些可获得的后验信息反演出施放源 关键参数对后续应急响应具有重要的指导意义。 生物气溶胶施放源项参数反演是生物气溶胶袭 击危害评估的反问题。源项参数反演方法主要有直 [基金项目]国家自然科学基金资助项目(90924019)；“艾滋病和 病毒性肝炎等重大传染病防治”国家科技重大专项(2008ZXl0403) [作者简介]许晴，男，博士研究生，研究方向：生物恐怖事件危害 评估与应急处置，Tel：010-63833523，E—mail：xuqin91443@yahoo．COIn．cn 【作者单位】．军事医学科学院生物工程研究所，北京100071 【通讯作者]郑涛，Tel：010-66948809，E-marl：ztl9721@hotmail．com 接反算法、优化法和随机逼近法3种。直接反算法 主要是将大气扩散方程反解找到其数值或解析解， 早期反问题的研究主要集中于构造模型的控制微分 方程的反问题并直接求解。Tikhonov…的研究工作 为这一领域做出了重要贡献。优化法的基本思想是 利用传感器测量值和数值模型模拟的信息，构造目 标函数，通过优化的手段，选择最优的泄漏源项参 数，使其产生的模拟结果最大程度地与测量信息相 匹配，从而达到参数反演的目的，具体算法主要包括 遗传算法、模拟退火算法等。Wang【2】、McKinney 等日1在水文、地表水污染研究中采用遗传算法进行 模型数识别。采用概率方法研究源项参数反演问题 主要基于贝叶斯推断理论。该方法假设采样结果与 泄漏源项参数的先验分布一致，观测的浓度值结合 贝叶斯推断可以获得施放源项参数的后验概率分 布，通过预测模型参数计算出在这些参数下传感器 观测值出现的似然值，似然值反过来改进模型参数 的估计，由于直接计算后验分布需要在整个参数空 间进行多维积分，在数值上难以实现，故使用马尔可 万方数据