Władcy sieci

Jak przy niewielkich nakładach najefektywniej rozprzestrzeniać lub ograniczać różne zjawiska? Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej mają na to sposób — wystarczy trafić w odpowiednie węzły.

Bulan Tuah mieszkała na obrzeżach malezyjskiej miejscowości Kota Tinggi kilkadziesiąt kilometrów od Singapuru. Jedyne co przyciągało turystów do tego niewielkiego miasta to grobowce sułtanów i malownicze wodospady. Bulan nie czuła się najlepiej już w grudniu 2013 r., ale słaby ból głowy i stawów zrzuciła na swój sędziwy wiek. Nowy Rok spędziła z rodziną, jednak tuż po północy szybko położyła się spać. Przez pierwsze dni stycznia gorączka i bóle głowy wciąż się nasilały, a kiedy pojawiły się wymioty, rodzina zawiozła ją do najbliższego szpitala. Pacjentka zmarła trzy dni później. Lekarze od początku szli dobrym tropem, podejrzewając charakterystyczną dla tego regionu Azji chorobę — dengę.

Nie stworzono jeszcze szczepionki ani leku na wirusa dengi, więc gdy tylko padły podejrzenia, że staruszka zachorowała na ostrzejszą odmianę choroby, doktorzy zas- tosowali typowe w tym przypadku dożylne nawadnianie organizmu. Kiedy Bulan zmarła, wydawało się, że po prostu znalazła się wśród odsetka nieszczęśliwców, bo 72-letni organizm nie był w stanie obronić się przed wirusem. Chyba to właśnie uśpiło czujność lekarzy. Bulan Tuah była prawdopodobnie pierwszą ofiarą nowego szczepu dengi.

Nikt się jednak nie spodziewał, że choroba rozprzestrzeni się tak szybko — już po dwóch tygodniach pierwsze przypadki zachorowań pojawiły się w Niemczech i Norwegii. Już wcześniej turyści z Europy Zachodniej przywozili dengę jako jedną z egzotycznych „pamiątek”, jednak z reguły kończyło się na pojedynczych niegroźnych zarażeniach.

Naukowcy nie mogli jednak dojść, w jaki sposób chorobą roznoszoną przez gatunek komarów niespotykany w Europie mogło się zarazić aż 4 tys. osób w obu europejskich krajach, w dodatku przez dwa tygodnie. Sen z powiek spędzało im to, że na nową odmianę wirusa zmarło już 357 osób. Wstępne informacje z niemieckiego Instytutu Medycyny Społecznej, Epidemiologii i Gospodarki Zdrowotnej (IMSEiGZ) wskazują, że nowy szczep dengi bardzo szybko prowadzi do gorączki krwotocznej i szoku wywołanego chorobą, co znacznie zwiększyło śmiertelność.

Prace nad medykamentem stały się priorytetem dla ośrodków naukowych i firm farmaceutycznych na całym świecie. Wszystko wskazuje na to, że zostanie wypuszczona testowa wersja leku i szczepionki — bezpieczne dla ludzi, ale działające tylko w 40 proc. przypadków. Takiego scenariusza nie wyklucza Europejskie Centrum ds. Kontroli i Zapobiegania Chorób (ECDC), które podkreśla w oświadczeniu, że przy tak szybkim rozprzestrzenianiu się choroby należy jak najszybciej spróbować ograniczyć jej zasięg.

Organizacja zwraca uwagę, że na początku szczepionek i lekarstw będzie niewiele, dlatego apeluje, by wszystkie kraje zaczęły analizować ogniska choroby w celu najskuteczniejszego wykorzystywania leków. Dla władz krajów dotkniętych epidemią byłoby to bardzo trudne zadanie… Gdyby ta historia wydarzyła się naprawdę.

Analiza pilnie potrzebna

— Rozpoczęliśmy prace nad projektem z prostego powodu. Chciałem, aby studenci w praktyce wykorzystali tę całą matematykę, której przez lata uczą się na studiach — opowiada mjr dr inż. Rafał Kasprzyk z Instytutu Systemów Informatycznych Wojskowej Akademii Technicznej (WAT) w Warszawie, oprowadzając nas po uczelni. Nazwę grupy, której członkiem jest Rafał Kasprzyk, czyli Zespół Badawczy Modelowania, Symulacji i Informatycznego Wspomagania Decyzji w Sytuacjach Konfliktowych i Kryzysowych, ciężko wymówić na jednym oddechu, ale za to od razu wiadomo, czym się zajmuje. Kierownikiem zespołu jest prof. Andrzej Najgebauer.

Jak mówi Rafał Kasprzyk, jego i wielu jego kolegów na WAT sprowadziło to, że nie chcieli projektować typowych baz danych lub niewiele różniących się od siebie systemów dla korporacji. Woleli zająć się czymś nowym, budować rozwiązania od zera, a wojsko daje szansę na pracę nad projektami, o które trudno w sektorze prywatnym.

Od 2008 r. zespoły studentów z Wydziału Cybernetyki WAT pod kierunkiem Rafała Kasprzyka pracują nad projektem CARE (Creative Application to Remedy Epidemics). To rozwiązanie oparte na algorytmach teorii grafów i sieci, czyli nauce zajmującej się modelowaniem systemów sieciowych, a więc takich, w których można wyróżnić obiekty i związki między nimi, np. sieci społeczne. Impulsem do rozpoczęcia prac była rzeczywista potrzeba.

— Kilka lat temu istniało realne zagrożenie pandemią wirusów świńskiej i ptasiej grypy. Wówczas zrodził się pomysł stworzenia CARE. Zwłaszcza, że teoria grafów i sieci zawsze leżała w kręgu moich zainteresowań naukowych — opowiada Rafał Kasprzyk.

Najważniejsze węzły

Teoria grafów i sieci — w dużym uproszczeniu — pozwala na opisanie systemu w postaci węzłów (obiektów składowych, np. osób lub komputerów) i gałęzi (związków między obiektami), co umożliwia analizę roli poszczególnych węzłów czy symulację rozprzestrzeniania się różnych zjawisk w sieci. — Wydaje się, że najprostszą metodą znalezienia najistotniejszych punktów w sieci jest po prostu zdefiniowanie tych, które mają najwięcej połączeń. Przykładowo, jeśli chcielibyśmy rozprzestrzenić jakąś informację w portalu społecznościowym, to teoretycznie najodpowiedniejszą osobą do kontaktu byłby ktoś, kto ma wielu znajomych. W praktyce to bardziej skomplikowane, bo są ludzie, którzy mają mniej znajomych, ale łączą dwie lub więcej grup lub osób posiadających dużą liczbę znajomych, przez co dotarcie do nich w pierwszej kolejności jest równie ważne — tłumaczy Rafał Kasprzyk.

Oprogramowanie stworzone na WAT pozwala modelować różne zjawiska i systemy sieciowe, a następnie na podstawie wzorów matematycznych symulować rozwój konkretnej sytuacji. Początkowo skupiono się wyłącznie na stworzeniu rozwiązania do wsparcia walki z chorobami zakaźnymi, które pomagałoby sztabom kryzysowym podczas epidemii. Za pierwszą wersję CARE zespół dostał złoty medal z wyróżnieniem na targach Innova 2009 w Brukseli. W 2010 r. powstała druga wersja oprogramowania i tego samego roku zdobyła kolejne nagrody. Najpierw dyplom Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego na XVII Giełdzie Polskich Wynalazków w Warszawie, następnie srebrny medal na IV Międzynarodowej Warszawskiej Wystawie Innowacji IWIS 2010 i kolejny złoty medal na wystawie Innova 2010. CARE był też jednym z komponentów systemu SARNA, demonstracyjnego oprogramowania do prognozowania epidemii. Przez kilka miesięcy korzystało z niego Rządowe Centrum Bezpieczeństwa w czasie pandemii świńskiej grypy w latach 2009-10.

Nie tylko choroby

Działanie CARE2 opiera się na kilku modułach. Pierwszym, przeznaczonym dla epidemiologów, jest modelowanie chorób. Autorzy projektu opracowali edytor do budowy modeli chorób zakaźnych w postaci sieci, gdzie węzły reprezentują stany chorej osoby, a gałęzie — przejścia między określonymi stanami konkretnego schorzenia. Drugi moduł, z którego korzystają socjologowie, to modelowanie sieci społecznych. Trzecim jest symulowanie rozprzestrzeniania się choroby w sieci, co uzyskuje się dzięki wykorzystaniu dwóch pierwszych modułów.

Dodatkowo oprogramowanie umożliwia prezentację symulacji na mapie, dzięki czemu powstaje geograficzna wizualizacja rozwoju choroby. Kolejnym elementem systemu jest moduł szczepień, identyfikujący ludzi, którzy mają największy wpływ na rozprzestrzenianie się epidemii (tzw. super-spreaderzy) — w praktyce to określanie najistotniejszych węzłów w sieci społecznej.

Rafał Kasprzyk tłumaczy, że początkowo oprogramowanie miało być związane wyłącznie z symulacją rozprzestrzeniania się chorób zakaźnych, ale wykorzystywano je już do analizy innych problemów. — Dzięki systemowi możliwa jest analiza dowolnych struktur społecznych, ale można go użyć także do analizy rozprzestrzeniania się informacji marketingowych, złośliwego oprogramowania w internecie, plotek w sieciach społecznych, rozkazów w armii lub poleceń w dowolnej firmie — mówi Rafał Kasprzyk.

Amerykanie na WAT

Studenci i doktoranci pracujący nad udoskonalaniem i szukaniem nowych zastosowań dla oprogramowania nie mieli na razie okazji — poza SARNĄ — wykorzystania swojej wiedzy w praktyce.

— Wydaje mi się, że świadomość możliwości i zakresu użycia takich technologii jest jeszcze w Polsce niewielka, przez co nie ma zainteresowania tego typu symulacjami. W USA czy krajach Europy Zachodniej takie rozwiązania wykorzystuje się na co dzień. Wspierają odpowiednie osoby w podejmowaniu decyzji, ale nie mają na celu zmniejszania ich roli — ocenia Rafał Kasprzyk.

Zainteresowanie współpracą z jego zespołem wyraziła agencja DTRA (Defense Threat Reduction Agency) należąca do amerykańskiego Departamentu Obrony. Organizację interesuje użycie wiedzy i rozwiązań naukowców do minimalizacji skutków broni masowego rażenia, w szczególności biologicznej. Ze strony polskich firm i instytucji na razie cisza.

— Nie wykluczamy żadnej współpracy, możemy tworzyć nawet produkty na zamówienie. Cały czas staramy się pracować nad nowymi projektami i udoskonalać starsze. Nie inaczej jest z CARE, które dalej rozwijamy i będziemy rozwijać. Bez względu na to, jakie będzie zainteresowanie oprogramowaniem — sumuje Rafał Kasprzyk. &

© ℗
Rozpowszechnianie niniejszego artykułu możliwe jest tylko i wyłącznie zgodnie z postanowieniami „Regulaminu korzystania z artykułów prasowych” i po wcześniejszym uiszczeniu należności, zgodnie z cennikiem.

Podpis: Rafał Fabisiak

Najważniejsze dzisiaj

Polecane

Inspiracje Pulsu Biznesu

Puls Biznesu

Po godzinach / Władcy sieci