We develop a Spatio-TEMporal Mutually Exciting point process with Dynamic network (STEMMED), i.e., a point process network wherein each node models a unique community-drug event stream with a dynamic mutually-exciting structure, accounting for influences from other nodes. We show that STEMMED can be decomposed node-by-node, suggesting a tractable distributed learning procedure. Simulation shows that this learning algorithm can accurately recover known parameters of STEMMED, especially for small networks and long data-horizons. Next, we turn this node-by-node decomposition into an online cooperative multi-period forecasting framework, which is asymptotically robust to operational errors, to facilitate Opioid-related overdose death (OOD) trends forecasting among neighboring communities. In our numerical study, we parameterize STEMMED using individual-level OOD data and county-level demographics in Massachusetts. For any node, we observe that OODs within the same drug class from nearby locations have the greatest influence on future OOD trends. Furthermore, the expected proportion of OODs triggered by historical events varies greatly across counties, ranging between 30%-70%. Finally, in a practical online forecasting setting, STEMMED-based cooperative framework reduces prediction error by 60% on average, compared to well-established forecasting models. Leveraging the growing abundance of public health surveillance data, STEMMED can provide accurate forecasts of local OOD trends and highlight complex interactions between OODs across communities and drug types. Moreover, STEMMED enhances synergies between local and federal government entities, which is critical to designing impactful policy interventions.


翻译:我们开发了一种具有动态网络的时空互激点过程(STEMMED),即一个点过程网络,其中每个节点使用动态互激结构建模一个独特的社区-药物事件流,并考虑来自其他节点的影响。我们证明STEMMED可以逐节点分解,这暗示了一种可处理的分布式学习过程。仿真表明,该学习算法能够准确恢复STEMMED的已知参数,尤其对于小型网络和长数据时间跨度。接着,我们将这种逐节点分解转化为一个在线协作多周期预测框架,该框架对操作误差具有渐近鲁棒性,以促进相邻社区间阿片类药物相关过量死亡(OOD)趋势的预测。在我们的数值研究中,我们使用马萨诸塞州的个体层面OOD数据和县级人口统计数据对STEMMED进行参数化。对于任何节点,我们观察到来自附近地点同一药物类别的OOD对未来OOD趋势的影响最大。此外,由历史事件触发的OOD预期比例在各县之间差异很大,范围在30%至70%之间。最后,在实际的在线预测场景中,基于STEMMED的协作框架相比成熟的预测模型,平均将预测误差降低了60%。利用日益丰富的公共卫生监测数据,STEMMED能够提供本地OOD趋势的准确预测,并突出显示跨社区和药物类型的OOD之间复杂的相互作用。此外,STEMMED增强了地方政府与联邦政府实体之间的协同作用,这对于设计有影响力的政策干预至关重要。

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