“This is an idea that we submitted to AXA as part of the Mitigating risk in the wake of the Covid-19 Pandemic call for proposals (pending assignment)”, explains Fabio Dercole, professor of Fundamentals of Automatic Control, Dynamics of Complex Systems and Analysis of Innovation and Competition Processes at the Politecnico di Milano: “It is based on the possibility of generating a model which is able to integrate the effect of the ‘human side’ of the pandemic with the typical population contact and mobility mechanisms of traditional epidemiological models. Our behavior is marked by a certain degree of irrationality but also by motivations that can be described mathematically, in a context in which the government imposes a series of restrictions on freedom and where we self-impose some of these and decide to transgress others, when faced with the risk of contagion”.

If provided with funding, the Principal Investigator of the project will be Dr. Fabio Della Rossa, currently a fixed-term researcher working in the same department as Prof. Dercole and already involved in COVID epidemiological modeling projects. “The idea developed in the classroom from a COVID-themed challenge, assigned to 4 motivated students of the Automatic Fundamentals course, to generate a gaming environment able to simulate the current situation. As part of the simulation, each person is faced with a series of daily choices which are more or less non-essential, such as should I do the shopping, go to the doctor’s, go for a stroll in the park, or meet up with friends and relatives. Each decision provides a benefit or a resource to the person, for example having food to eat, but also carries the risk of contagion and the risk of incurring sanctions in the event of choices that do not comply with current restrictions”. The aim is to understand how people behave and what economic or health risks they are willing to assume. “Starting from that idea, we developed the outline of an individual-based model which attempts to simulate the behavior of the entire population by then modeling the behavior of each individual”.

Epidemiological models of this type have already been used extensively for both prior epidemics and now for COVID-19, to track the evolution of the epidemic and to understand, for example, what contact or mobility channels are most significant to the spread of the virus. None of the proposed models, however, takes into account the feedback provided by our own behavior in a situation that is new to everyone. Our model would be the first one of a socio-epidemiological nature.

“The unusual feature of this model, unlike the others in circulation, is that it takes into account the human side, introducing a part of modeling based on game theory; the decision to participate or not participate in social activities, to breach an imposition or not, is taken by a person who acts out of a consideration of maximizing their well-being, in ways that we do not know”. The project includes the development of a mobile app that offers the population a recreational, but realistic experience, in order to collect data on this ‘human side’ and to calibrate the socio-epidemiological forecasting model. We believe that this model can be a useful support to the government in defining and promptly updating the rules for managing the various phases of the COVID pandemic and to adequately prepare for similar future challenges.

VERSIONE ITALIANA

“Si tratta di un’idea che abbiamo sottoposto ad AXA nell’ambito del bando Mitigating risk in the wake of the Covid-19 Pandemic (in attesa di assegnazione)”, spiega Fabio Dercole, docente di Fondamenti di Automatica, Dinamica dei Sistemi Complessi e di Analisi di Processi di Innovazione e Competizione al Politecnico di Milano: “Si basa sulla possibilità di generare un modello in grado di integrare l’effetto del “lato umano” della pandemia con i meccanismi di contatto e mobilità della popolazione tipici dei modelli epidemiologici tradizionali. Il nostro comportamento è contraddistinto da un certo grado di irrazionalità ma anche da motivazioni descrivibili matematicamente, in un contesto in cui la politica impone una serie di restrizioni della libertà e in cui noi stessi ce ne imponiamo alcune e decidiamo di trasgredirne altre, di fronte al rischio di contagio”.

Il progetto, se finanziato, avrà come Principal Investigator il Dott. Fabio Della Rossa, attualmente ricercatore a tempo determinato presso lo stesso dipartimento del Prof. Dercole e già coinvolto in progetti di modellistica epidemiologica COVID. “L’idea nasce in classe, da una sfida a tema COVID lanciata a 4 studenti motivati del corso di Fondamenti di Automatica, di generare un ambiente di gioco capace di simulare la situazione attuale. Nella simulazione, ogni persona ha di fronte una serie di scelte quotidiane, più o meno procastinabili, come vado a fare la spesa, una visita medica, un giro al parco, o incontro amici e parenti. Ogni scelta porta un benefit o una risorsa alla persona, avere il cibo, per esempio, ma comporta anche rischi di contagio e di incorrere nelle sanzioni in caso di scelte in contrasto con le restrizioni correnti”. L’obiettivo è quello di capire come le persone si comportino e quale sia il rischio economico o di salute che sono disposte ad assumersi. “A partire da quell’idea, abbiamo sviluppato lo scheletro di un modello individual-based, che tenta di simulare il comportamento della popolazione andando a modellare il comportamento di ciascun individuo”.

Modelli epidemiologici di questo tipo sono già stati molto utilizzati, sia in passato per altre epidemie che ora per il COVID-19, per tracciare l’evolversi dell’epidemia e per capire, ad esempio, quali siano i canali di contatto o mobilità più importanti nella diffusione del virus. Nessuno dei modelli proposti tiene però conto del feedback dato dal nostro stesso comportamento in una situazione che è per tutti nuova. Il nostro modello sarebbe il primo di carattere socio-epidemiologico.

“La particolarità di questo modello, a differenza degli altri in circolazione, è che tiene in considerazione il lato umano, introducendo una parte di modellistica basata sulla teoria dei giochi: la decisione di partecipare o meno ai contatti sociali, di violare o meno una imposizione è presa da una persona che agisce pensando di massimizzare il suo benessere, secondo modalità che non conosciamo”. Il progetto include lo sviluppo di una app mobile che offra un’esperienza ludica ma realistica alla popolazione, in modo da raccogliere dati su questo “lato umano” e poter quindi calibrare il modello previsionale socio-epidemiologico. Riteniamo che questo modello possa essere un utile supporto alla politica per definire ed aggiornare prontamente le regole di gestione delle varie fasi della pandemia COVID e per prepararci adeguatamente a simili sfide future.

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