Assessing the spatio-temporal spread of COVID-19 via compartmental models with diffusion in Italy, USA, and Brazil

The outbreak of COVID-19 in 2020 has led to a surge in interest in the mathematical modeling of infectious diseases. Such models are usually defined as compartmental models, in which the population under study is divided into compartments based on qualitative characteristics, with different assumptions about the nature and rate of transfer across compartments. Though most commonly formulated as ordinary differential equation (ODE) models, in which the compartments depend only on time, recent works have also focused on partial differential equation (PDE) models, incorporating the variation of an epidemic in space. Such research on PDE models within a Susceptible, Infected, Exposed, Recovered, and Deceased (SEIRD) framework has led to promising results in reproducing COVID-19 contagion dynamics. In this paper, we assess the robustness of this modeling framework by considering different geometries over more extended periods than in other similar studies. We first validate our code by reproducing previously shown results for Lombardy, Italy. We then focus on the U.S. state of Georgia and on the Brazilian state of Rio de Janeiro, one of the most impacted areas in the world. Our results show good agreement with real-world epidemiological data in both time and space for all regions across major areas and across three different continents, suggesting that the modeling approach is both valid and robust.Comment: 23 pages, 19 figure

Simulation and flood control using the shallow water equations and the optimal control theory

Esta dissertação tem por objetivo a implementação de um código para simular problemas hidrodinâmicos, bem como a possibilidade de controlar as elevações de onda resultantes numa determinada região por meio de uma vazão ótima controlada dentro do sistema estudado. O algoritmo implementado é baseado nas equações de águas rasas, as quais são aplicáveis em situações onde a altura d’água é de ordem muito menor do que as dimensões do sistema, que é discretizado espacial e temporalmente pelo Método dos Elementos Finitos e pelo método CBS (Characteristic Based-Split), respectivamente. O método de controle consiste na busca de uma curva de vazão de controle ótima que minimize a função objetivo, a qual compara os valores de altura d’água que se deseja encontrar em uma região especificada com os calculados pela simulação numérica. Para isso, utiliza-se um algoritmo evolutivo SCE-UA (Shuffled Complex Evolution – University of Arizona), que busca otimizar parâmetros de geração das curvas de vazão de controle, podendo estas serem modeladas por NURBS (Non- Uniform Rational B-Splines), que são capazes de encontrar a solução ótima, ou modeladas com curvas de forma triangular (linear) ou parabólica (quadrática) que apresentam uma solução aproximada de fácil implementação. Por fim, várias aplicações são realizadas, tanto para a simples simulação, quanto para o controle de problemas hidrodinâmicos, a fim de validar os algoritmos desenvolvidos e os resultados obtidos mostraram que os objetivos foram alcançados, encontrando uma forma eficiente de se fazer o controle de enchentes.Implementation of a computational code for the numerical simulation of hydrodynamic problems as well as the ability to control the resulting wave elevations in a specific area, using an optimal flow controlled within the studied system are the aims of this work. The implemented algorithm is based on the shallow waters equations, which are applicable in situations where the water height is much smaller than the system dimensions, and are spatial and temporally discretized by the Finite Element Method and the CBS method (Caractheristic Based-Split), respectively. The control method consists in finding an optimal control flow curve that minimizes the objective function, which compares the objective value of water elevations in a specified region with those calculated by numerical simulation. An evolutionary algorithm called SCE-UA (Shuffled Complex Evolution - University of Arizona), which looks for optimize parameters of control flow curves generation, is used. These curves may be modeled by NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) which are able to find the optimal solution, or by curves of triangular (linear) or parabolic quadratic forms, which are an approximate solution easy to implement. Finally, several applications are performed for both simulation and control of hydrodynamic problems in order to validate the developed algorithms, and the results showed that the aims of this work were reached, finding an efficient way to control floods

Simulation and flood control using the shallow water equations and the optimal control theory

Esta dissertação tem por objetivo a implementação de um código para simular problemas hidrodinâmicos, bem como a possibilidade de controlar as elevações de onda resultantes numa determinada região por meio de uma vazão ótima controlada dentro do sistema estudado. O algoritmo implementado é baseado nas equações de águas rasas, as quais são aplicáveis em situações onde a altura d’água é de ordem muito menor do que as dimensões do sistema, que é discretizado espacial e temporalmente pelo Método dos Elementos Finitos e pelo método CBS (Characteristic Based-Split), respectivamente. O método de controle consiste na busca de uma curva de vazão de controle ótima que minimize a função objetivo, a qual compara os valores de altura d’água que se deseja encontrar em uma região especificada com os calculados pela simulação numérica. Para isso, utiliza-se um algoritmo evolutivo SCE-UA (Shuffled Complex Evolution – University of Arizona), que busca otimizar parâmetros de geração das curvas de vazão de controle, podendo estas serem modeladas por NURBS (Non- Uniform Rational B-Splines), que são capazes de encontrar a solução ótima, ou modeladas com curvas de forma triangular (linear) ou parabólica (quadrática) que apresentam uma solução aproximada de fácil implementação. Por fim, várias aplicações são realizadas, tanto para a simples simulação, quanto para o controle de problemas hidrodinâmicos, a fim de validar os algoritmos desenvolvidos e os resultados obtidos mostraram que os objetivos foram alcançados, encontrando uma forma eficiente de se fazer o controle de enchentes.Implementation of a computational code for the numerical simulation of hydrodynamic problems as well as the ability to control the resulting wave elevations in a specific area, using an optimal flow controlled within the studied system are the aims of this work. The implemented algorithm is based on the shallow waters equations, which are applicable in situations where the water height is much smaller than the system dimensions, and are spatial and temporally discretized by the Finite Element Method and the CBS method (Caractheristic Based-Split), respectively. The control method consists in finding an optimal control flow curve that minimizes the objective function, which compares the objective value of water elevations in a specified region with those calculated by numerical simulation. An evolutionary algorithm called SCE-UA (Shuffled Complex Evolution - University of Arizona), which looks for optimize parameters of control flow curves generation, is used. These curves may be modeled by NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) which are able to find the optimal solution, or by curves of triangular (linear) or parabolic quadratic forms, which are an approximate solution easy to implement. Finally, several applications are performed for both simulation and control of hydrodynamic problems in order to validate the developed algorithms, and the results showed that the aims of this work were reached, finding an efficient way to control floods

Escadas autoportantes : desenvolvimento de programa computacional de dimensionamento

Este trabalho teve como intuito a elaboração de um software que calcula escadas autoportantes de concreto armado, visto que é um tipo de estrutura diferenciada já bastante utilizada, porém sem muitas referências bibliográficas que auxiliem o profissional no seu dimensionamento. Para isso, num primeiro momento, foi necessário definir um modelo que represente a estrutura e o seu comportamento adequadamente. Criou-se, então, um modelo de barras, discretizando a escada em uma estrutura reticulada, e, após aplicadas as cargas atuantes, este modelo pôde ser resolvido pelo método dos deslocamentos, através de análise matricial para estruturas de barras. Todo o processo de cálculo foi, então, sistematizado, e transformado num algoritmo, que, posteriormente, foi traduzido para uma linguagem de programação. Os resultados dos deslocamentos e solicitações encontrados foram verificados com softwares já existentes no mercado, e, com os cálculos considerados corretos, foi programada a parte de dimensionamento das seções, a partir das recomendações da NBR 6118:2007. Tudo isso feito sempre com o embasamento teórico fornecido pela pesquisa bibliográfica. Por fim, o software pronto recebe a geometria e carregamentos fornecidos pelo usuário, e como resposta, fornece a armadura necessária para suportar os esforços que possam ocorrer nesse tipo de estrutura

Escadas autoportantes : desenvolvimento de programa computacional de dimensionamento

Este trabalho teve como intuito a elaboração de um software que calcula escadas autoportantes de concreto armado, visto que é um tipo de estrutura diferenciada já bastante utilizada, porém sem muitas referências bibliográficas que auxiliem o profissional no seu dimensionamento. Para isso, num primeiro momento, foi necessário definir um modelo que represente a estrutura e o seu comportamento adequadamente. Criou-se, então, um modelo de barras, discretizando a escada em uma estrutura reticulada, e, após aplicadas as cargas atuantes, este modelo pôde ser resolvido pelo método dos deslocamentos, através de análise matricial para estruturas de barras. Todo o processo de cálculo foi, então, sistematizado, e transformado num algoritmo, que, posteriormente, foi traduzido para uma linguagem de programação. Os resultados dos deslocamentos e solicitações encontrados foram verificados com softwares já existentes no mercado, e, com os cálculos considerados corretos, foi programada a parte de dimensionamento das seções, a partir das recomendações da NBR 6118:2007. Tudo isso feito sempre com o embasamento teórico fornecido pela pesquisa bibliográfica. Por fim, o software pronto recebe a geometria e carregamentos fornecidos pelo usuário, e como resposta, fornece a armadura necessária para suportar os esforços que possam ocorrer nesse tipo de estrutura

Dynamic mode decomposition in adaptive mesh refinement and coarsening simulations

Dynamic mode decomposition (DMD) is a powerful data-driven method used to extract spatio-temporal coherent structures that dictate a given dynamical system. The method consists of stacking collected temporal snapshots into a matrix and mapping the nonlinear dynamics using a linear operator. The classical procedure considers that snapshots possess the same dimensionality for all the observable data. However, this often does not occur in numerical simulations with adaptive mesh refinement/coarsening schemes (AMR/C). This paper proposes a strategy to enable DMD to extract features from observations with different mesh topologies and dimensions, such as those found in AMR/C simulations. For this purpose, the adaptive snapshots are projected onto the same reference function space, enabling the use of snapshot-based methods such as DMD. The present strategy is applied to challenging AMR/C simulations: a continuous diffusion-reaction epidemiological model for COVID-19, a density-driven gravity current simulation, and a bubble rising problem. We also evaluate the DMD efficiency to reconstruct the dynamics and some relevant quantities of interest. In particular, for the SEIRD model and the bubble rising problem, we evaluate DMD's ability to extrapolate in time (short-time future estimates)

Syndromic Surveillance Using Structured Telehealth Data: Case Study of the First Wave of COVID-19 in Brazil

BackgroundTelehealth has been widely used for new case detection and telemonitoring during the COVID-19 pandemic. It safely provides access to health care services and expands assistance to remote, rural areas and underserved communities in situations of shortage of specialized health professionals. Qualified data are systematically collected by health care workers containing information on suspected cases and can be used as a proxy of disease spread for surveillance purposes. However, the use of this approach for syndromic surveillance has yet to be explored. Besides, the mathematical modeling of epidemics is a well-established field that has been successfully used for tracking the spread of SARS-CoV-2 infection, supporting the decision-making process on diverse aspects of public health response to the COVID-19 pandemic. The response of the current models depends on the quality of input data, particularly the transmission rate, initial conditions, and other parameters present in compartmental models. Telehealth systems may feed numerical models developed to model virus spread in a specific region. ObjectiveHerein, we evaluated whether a high-quality data set obtained from a state-based telehealth service could be used to forecast the geographical spread of new cases of COVID-19 and to feed computational models of disease spread. MethodsWe analyzed structured data obtained from a statewide toll-free telehealth service during 4 months following the first notification of COVID-19 in the Bahia state, Brazil. Structured data were collected during teletriage by a health team of medical students supervised by physicians. Data were registered in a responsive web application for planning and surveillance purposes. The data set was designed to quickly identify users, city, residence neighborhood, date, sex, age, and COVID-19–like symptoms. We performed a temporal-spatial comparison of calls reporting COVID-19–like symptoms and notification of COVID-19 cases. The number of calls was used as a proxy of exposed individuals to feed a mathematical model called “susceptible, exposed, infected, recovered, deceased.” ResultsFor 181 (43%) out of 417 municipalities of Bahia, the first call to the telehealth service reporting COVID-19–like symptoms preceded the first notification of the disease. The calls preceded, on average, 30 days of the notification of COVID-19 in the municipalities of the state of Bahia, Brazil. Additionally, data obtained by the telehealth service were used to effectively reproduce the spread of COVID-19 in Salvador, the capital of the state, using the “susceptible, exposed, infected, recovered, deceased” model to simulate the spatiotemporal spread of the disease. ConclusionsData from telehealth services confer high effectiveness in anticipating new waves of COVID-19 and may help understand the epidemic dynamics