Modeling, identifiability analysis and parameter estimation of a spatial-transmission model of chikungunya in a spatially continuous domain

par Shousheng Zhu

Thèse de doctorat en Mathématiques Appliquées et Problèmes Inverses : Laboratoire de Mathématiques Appliquées de Compiègne (Unité de recherche EA-2222)

Soutenue le 07-03-2017

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) .

  • Titre traduit

    Modélisation, analyse de l’identifiabilité et estimation des paramètres d’un modèle de transmission spatiale du chikungunya dans un domaine continu en espace


  • Résumé

    Dans différents domaines de recherche, la modélisation est devenue un outil efficace pour étudier et prédire l’évolution possible d’un système, en particulier en épidémiologie. En raison de la mondialisation et de la mutation génétique de certaines maladies ou vecteurs de transmission, plusieurs épidémies sont apparues dans des régions non encore concernées ces dernières années. Dans cette thèse, un modèle décrivant la transmission de l’épidémie de chikungunya à la population humaine est étudié. Ce modèle prend en compte la mobilité spatiale des humains, ce qui est nouveau. En effet, c’est un facteur intéressant qui a influencé la réapparition de plusieurs maladies épidémiques. Le déplacement des moustiques est omis puisqu’il est limité à quelques mètres. Le modèle complet (modèle EDOs-EDPs) est alors composé d’un système à réaction-diffusion (prenant la forme d’équations différentielles partielles (EDPs) paraboliques semi-linéaires) couplé à des équations différentielles ordinaires (EDOs). Nous démontrons pour ce modèle, d’abord l’existence et l’unicité de la solution globale, sa positivité et sa bornitude, puis nous donnons quelques simulations numériques. Dans ce modèle, certains paramètres ne sont pas directement accessibles à partir des expériences et doivent être estimés numériquement. Cependant, avant de rechercher leurs valeurs, il est essentiel de vérifier l’identifiabilité des paramètres pour déterminer si l’ensemble des paramètres inconnus peut être déterminé de manière unique à partir des données. Cette étude permettra de s’assurer que les procédures numériques peuvent être couronnées de succès. Si l’identifiabilité n’est pas assurée, certaines données supplémentaires doivent être ajoutées. En fait, une première étude d’identifiabilité a été effectuée pour le modèle EDOs en considérant que le nombre d’œufs peut être facilement compté. Toutefois, après avoir discuté avec les chercheurs épidémiologistes, il apparaît que c’est le nombre de larves qui peut être estimé semaines par semaines. Ainsi, nous ferons une étude d’identifiabilité pour le nouveau modèle EDOs-EDPs avec cette hypothèse. Grâce à l’intégration de l’une des équations du modèle, on obtient des équations plus faciles reliant les entrées, les sorties et les paramètres, ce qui simplifie vraiment l’étude d’identifiabilité. A partir de l’étude d’identifiabilité, une méthode et une procédure numérique sont proposés pour estimer les paramètres sans en avoir connaissance.


  • Résumé

    In different fields of research, modeling has become an effective tool for studying and predicting the possible evolution of a system, particularly in epidemiology. Due to the globalization and the genetic mutation of certain diseases or transmission vectors, several epidemics have appeared in regions not yet concerned in the last years. In this thesis, a model describing the transmission of the chikungunya epidemic to the human population is studied. As a novelty, this model incorporates the spatial mobility of humans. Indeed, it is an interesting factor that has influenced the re-emergence of several epidemic diseases. The displacement of mosquitoes is omitted since it is limited to a few meters. The complete model (ODEs-PDEs model) is then composed of a reaction-diffusion system (taken the form of semi-linear parabolic partial differential equations (PDEs)) coupled with ordinary differential equations (ODEs). We prove the existence, uniqueness, positivity and boundedness of a global solution of this model at first and then give some numerical simulations. In such a model, some parameters are not directly accessible from experiments and have to be estimated numerically. However, before searching for their values, it is essential to verify the identifiability of parameters in order to assess whether the set of unknown parameters can be uniquely determined from the data. This study will insure that numerical procedures can be successful. If the identifiability is not ensured, some supplementary data have to be added. In fact, a first identifiability study had been done for the ODEs model by considering that the number of eggs can be easily counted. However, after discussing with epidemiologist searchers, it appears that it is the number of larvae which can be estimated weeks by weeks. Thus, we will do an identifiability study for the novel ODEs-PDEs model with this assumption. Thanks to an integration of one of the model equations, some easier equations linking the inputs, outputs and parameters are obtained which really simplify the study of identifiability. From the identifiability study, a method and numerical procedure are proposed for estimating the parameters without any knowledge of them.


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