[发明专利]一种基于空间贝叶斯网络的环境健康风险监测预警系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于空间贝叶斯网络的环境健康风险监测预警系统及方法，属于环境健康风险监测预警技术领域。

背景技术

贝叶斯网络是一种离散变量的概率推理的模型，以变量之间的有向无环图和联合概率分布表的形式揭示要素之间的联系；同其他方法相比，贝叶斯网络可融合域知识与数据学习进行建模，网络可融合多种不同种类的解释变量建立复杂的概率关联性进行推理，同时可处理缺失数据。贝叶斯网络风险建模方法广泛应用在自然灾害及环境健康风险分析中，取得良好的评估结果。不过对于地理空间科学而言，因为贝叶斯网络独特的网络结构，直接融入空间相关性信息到网络模型里较为困难，使得常规的贝叶斯网络不能充分体现空间特性对建模的影响，限制了它的进一步发展。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于空间贝叶斯网络的环境健康风险监测预警系统及方法，克服传统贝叶斯网络不易于建立空间推理的困难，达到提高疾病预测效率的目标，大大提升了疾病识别的准确度，解决了疾病健康风险识别功能准确度低且效率低下的技术问题，本发明能更准确的识别高风险区域，便于疾病风险预警及及时干预。现有的很多预警系统，预警误差很大，不够准确。

本发明技术解决方案：一种基于空间贝叶斯网络的环境健康风险监测预警系统，包括：域知识确定变量及变量域模块、数据离散化模块、空间局聚集性识别模块、空间自相关识别模块、网络结构建立模块、网络结构微调及估计参数模块、空间推理建立模块、疾病风险概率预测值模块和预警应用模块；其中：

域知识确定解释变量及变量域模块：根据领域知识识别疾病的传播介质及识别疾病的影响因素作为解释变量，将发病率数据作为目标变量；所述疾病的传播介质有土地、水、空气和交通四种，将所述四个传播介质量化到具体的解释变量，所述解释变量分别为土地覆盖、NDVI、PM2.5和交通路网；所述疾病的影响因素分为气象状况和社会经济因素，所述气象状况包括温度、湿度、气压和风速，社会经济因素包括GDP、在校学生比例和人均床位数；

数据离散化模块：对域知识确定解释变量及变量域模块得到的目标变量及解释变量，进行离散化处理，即将这些解释变量和目标变量进行离散化处理，划分为若干个等级；对解释变量的离散化方法采用Fayyad and Irani的算法选择对目标变量分类最优的离散化区间；最后得到离散化的目标变量和解释变量，送至网络结构建立模块；

空间聚集性识别模块：采用空间扫描统计的方法，对所采集的发病数据进行聚集分析，发现疾病聚集性暴发的区域，通过最大似然及统计假设检验获得疾病空间聚集的结果，识别疾病的高及低风险聚集区；最后得到疾病的高及低风险聚集区，然后送至空间推理建立模块；

空间自相关识别模块：根据已有的发病率数据，识别空间自相关效应，更全面地刻画手足口病发病的时空模式；识别空间自相关效应采用GeoDa计算局域空间自相关指数LISA，得到局域空间自相关指数，然后送至空间推理建立模块；

网络结构建立模块：根据数据离散化模块得到的离散化的目标变量和解释变量，建立初步的网络结构，方法通过解释变量和目标变量数据采用爬山、模拟退火及遗传算法学习建立初步的网络结构；最后得到一个初步的网络结构，然后送至网络结构建立微调及估计参数模块；

网络结构建立微调及估计参数模块：根据网络结构建立模块得到的网络结构，通过域知识微调网络结构及估计参数，得到网络结构；提取网络结构中的共同的连接，再结合气象及环境影响因素对疾病影响的域知识对所述网络结构调优；在网络结构调优的基础上，通过概率统计、EM或Gibbs抽样计算连接参数，最后得到符合要求的网络结构，然后送至空间推理建立模块；

空间推理建立模块：根据网络结构建立微调及估计参数模块得到的网络结构、空间聚集性识别模块得到的高及低风险聚集区和空间相关性识别模块得到的局域空间自相关指数，建立空间推理功能；在网络结构建立微调及估计参数模块得到的网络结构的基础上，加入空间聚集性和空间自相关性，进行空间推理，建立空间推理模型，将得到的空间推理模型，然后送至疾病风险概率预测值模块；

疾病风险概率预测值模块：根据空间推理建立模块得到的空间推理模型，计算疾病风险概率预测值；在空间贝叶斯网络建立的基础上，通过贝叶斯网络的后验概率推导得到疾病风险概率预测值，将得到病风险概率预测值送至预警应用模块；

预警应用模块：根据疾病风险概率预测值模块得到的疾病风险预测值，预警疾病；利用疾病风险概率预测值来预警疾病的发生，得到疾病发生的风险，最终将疾病发生的风险应用到实际疾病预警中去。