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Risikoabschätzung des Imports von Ebola durch das weltweite Flugnetz

I2RA - Interactive-Rapid-Risk-Assessment

Externer Link Die Abbildung zeigt einen Screenshot des interaktiven Ebola-Analyse-Tools. © Prof. Brockmann/Robert Koch-Institut; Humboldt-Universität zu BerlinAbb. 1: I2RA: Die Abbildung zeigt einen Screenshot des interaktiven Ebola-Analyse-Tools. Die Baumstruktur repräsentiert die wahrscheinlichsten Ausbreitungswege, einzelne Knoten die 1.227 größten Flughäfen. Relative Importwahrscheinlichkeiten lassen sich interaktiv ablesen, verschiedenen Referenzpunkte im Ausbruchsgebiet und einzelne Länder lassen sich auswählen. Weiterhin kann man den Effekt von Reisebeschränkungen sofort überprüfen. Quelle: Prof. Brockmann/Robert Koch-Institut; Humboldt-Universität zu Berlin

(Durch Klicken auf das Bild können Sie das Tool starten. Detaillierte Erläuterungen finden Sie auch auf den Internetseiten der Humboldt-Universität zu Berlin, Link siehe unten)

Zur zeitnahen Abschätzung des Ebola-Importrisikos durch den internationalen Flugverkehr wurde in der Projektgruppe 4 (P4) Epidemiologische Modellierung von Infektionskrankheiten unter Leitung von Prof. Dr. Dirk Brockmann in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Biologische Gefahren und Spezielle Pathogene das rechnergestützte, interaktive Analyse- und Vorhersagetool I2RA (Interactive Rapid Risk Assessment) entwickelt (Prototyp). I2RA berechnet systematisch die Importwahrscheinlichkeiten von Ebola-Infizierten an allen Flughäfen im globalen Flugverkehrsnetz. I2RA ist das einzige computergestützte Analyse- und Vorhersagetool dieser Art weltweit. Eine detaillierte Beschreibung des zugrunde liegenden mathematischen Modells ist in Science erschienen ("The hidden geometry of complex, network-driven contagion phenomena", Link siehe unten).

Das Modell verbindet moderne numerische Verfahren mit netzwerktheoretischen Methoden und implementiert den gesamten weltweiten Flugverkehr (Abb. 2), d.h. mehr als 4.000 Flughäfen, alle Verkehrsströme auf ca. 25.000 direkte Verbindungen, also den gesamten Reiseverkehr von ca. 3 Milliarden Passagieren/Jahr.

Weltkarte mit eingezeichneten Flughäfen und direkten Flugverbindungen. © Prof. Brockmann/Robert Koch-Institut; Humboldt-Universität zu BerlinAbb. 2: Der globale Flugverkehr mit ca. 4.000 Flughäfen und mehr als 25.000 direkten Verbindungen ist Basis von I2RA Quelle: Prof. Brockmann/Robert Koch-Institut; Humboldt-Universität zu Berlin

Im Kern analysiert I2RA die Situation aus Sicht des Ausbruchsgebiets und ersetzt konventionelle geographische Entfernungen durch effektive Entfernungen (vereinfacht sind zwei Orte X und Y sich nahe, wenn diese durch hohes Reiseaufkommen verbunden sind): Ausgehend von einem Referenzort im Netzwerk (z.B. Conakry, Guinea oder Freetown, Sierra Leone) berechnet I2RA alle potenziellen Routen, die ein Passagier reisen kann, und daraus die Wahrscheinlichkeit eines Imports an einem der 4.000 möglichen Zielorte sowie deren effektive Distanz zum Ausbruchsort. I2RA ist prinzipiell auch auf die Ausbreitung anderer Erreger anwendbar (z.B. der Ausbreitung von Chicungunya in der Karibik).

Neben den relativen Importwahrscheinlichkeiten berechnet I2RA die dominanten Importwege inklusive der Zwischenstationen und liefert so neben den quantitativen Importrisiken auch ein ganzheitliches Bild der Situation und Zusammenhänge. I2RA liefert gegenwärtig relative Risikoabschätzungen: Unter der Annahme, dass ein Ebola-Infizierter am Ursprungsort X abfliegt, berechnet das Tool die Wahrscheinlichkeit dass die Person am Zielort Y ankommt. Um absolute Importrisiken zu schätzen müssen Annahmen über die Wahrscheinlichkeit gemacht werden, dass ein Ebola-Infizierter überhaupt die Ausbruchsregion per Flugzeug verlässt. Diese Wahrscheinlickeit ist schwer zu messen, man kann sie aber mit Hilfe der lokalen Infektionszahlen abschätzen, um so in Kombination mit I2RA absolute Importrisiken zu berechnen.

An dieser Kombination wird gerade am RKI gearbeitet. Relative Importrisiken sind allerdings schon sehr hilfreich, um schon früh Vergleichsgrößen zu berechnen. So ist z.B. das relative Importrisiko (mit Ausgangspunkt Guinea) nach Deutschland etwa 1,1%, nach Frankreich etwa 8% und nach Großbritannien 1,04%, der Import (relativ und absolut) nach Deutschland ist somit etwa 7mal so klein wie nach Frankreich. Das liegt daran, dass Deutschland mit Frankfurt und München zwar sehr stark vernetzte Drehkreuze im globalen Flugnetz besitzt, aus Sicht der west-afrikanischen Länder die großen Flughäfen der ehemaligen Kolonialmächte die Kernfunktion als Transitknoten übernehmen (colonial fingerprint). I2RA kann ebenso die afrikanischen Länder identifizieren, in denen mit erhöhter Wahrscheinlichkeit Ebola importiert wird. Die relative Importwahrscheinlichkeit in den Senegal und die Elfenbeinküste liegen bei ca 23% bzw. 18%.

Neben den Importrisiken informiert I2RA, welche Knoten im Flugnetz die Importwahrscheinlichkeit weiter verteilen. Abb. 1 zeigt einen Screenshot des Tools mit Referenzflughafen Conakry. In diesem speziellen Fall wird ein Großteil (mehr als 70%) des weltweiten Flugnetzes über das Drehkreuz CDG (Paris) erreicht. Die interaktive Komponente ist ein großer Vorteil bei der Analyse, da in Echtzeit verschiedene Szenarien verglichen und analysiert werden können. Es lässt sich sofort überprüfen, welche Auswirkungen z.B. Flugverkehrseinschränkungen haben werden. Die Wissenschaftler der Projektgruppe 4 im RKI arbeiten momentan daran, diese interaktive Komponente so zu erweitern, dass der Nutzer z.B. sofort beliebige Flugrouten "in silico" entfernen kann und den Effekt sofort ermessen und vergleichen kann.

Neben der interaktiven Ebene liefert I2RA quantitative Vorhersagen auf nationaler sowie internationaler Ebene, siehe Tabelle 1. Für jedes Land können die relativen Importrisiken (ReIP) aller Flughäfen berechnet werden. Die Tabelle vergleicht zwei mögliche Startorte (Conakry, Guinea und Freetown, Sierra Leone). I2RA berechnet ausserdem, wie sich Importrisiken durch die Einführung von Reisebeschränkungen verringern lassen; z.B. würde durch Einstellen der Flugverbindung Conakry-Paris das Importrisiko nach Frankfurt um einen Faktor 10 verringert. Neben dem ReIP gibt die Tabelle die effektive Distanz zum Ursprungsort (eff. D), den Grad der Vernetzung (degree = Anzahl der mit dem Flughafen direkt verbundenen Flughäfen im Netzwerk) und den Verkehrsfluss-Rank (Tr. Rank) jedes Flughafens an.

Tabellarische Darstellung des relativen Importrisikos (ReIP) für die größten Flughäfen in Deutschland. © Prof. Brockmann/Robert Koch-Institut; Humboldt-Universität zu Berlin Tab. 1: Berechnung des relativen Importrisikos (ReIP) für die größten Flughäfen in Deutschland. Das ReIP gibt an, mit welcher Wahrscheinlichkeit (in %) ein Ebolapatient, der im Ursprungsflughafen die Reise antritt, in einem der Zielorte ankommt. Quelle: Prof. Brockmann/Robert Koch-Institut; Humboldt-Universität zu Berlin

I2RA ist ein Prototyp. Wir planen am RKI, das Tool und die Methodik weiterzuentwickeln und verschiedene praxisrelevante Komponenten einzubauen. Hierzu gehört die Implementation der Berechnung absoluter Importrisiken und Risikospannen, automatischer Export tabellarischer Informationen, die Implementation aktueller Flugverkehrsdaten. Außerdem soll I2RA so entwickelt werden, dass es sich unproblematisch auf andere Ausbruchsszenarien anwenden lässt.

Stand: 01.09.2014

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