U.S. Airport Sentinel Network

2025

Abstract airport nodes converging on a blue detection ring.

I built this project around a simple question: if the United States could monitor only a few airports for a new disease, which ones should it choose?

It was my final project for CS166 at Minerva University.

My first guess was betweenness centrality. Airports that sit on many shortest paths looked like natural sentinels. After 10,500 stochastic epidemic runs, that guess was wrong. Airports with the largest outgoing passenger flows detected outbreaks around day 30. Betweenness took until day 67. Random placement took until day 86.

The 56-day gap came from moving the same surveillance capacity. It did not require more tests or more staff.

One outbreak moving through the airport graphU.S. Census boundaries · project route data
The basemap uses official U.S. Census state boundaries. It shows the 399 continental airports that have both route and coordinate data; the full model has 620. Point size follows passenger volume, lines show direct routes, and rings mark the ten high-flux sentinels. The movement explains the model rather than replaying one recorded run.

The model

I combined 2024 domestic traffic data from the U.S. Bureau of Transportation Statistics with airport and route records from OpenFlights. The resulting graph has 620 airports. Each airport is a node, each direct route is an edge, and expected passenger movement sets the edge weight.

The graph matters because "busy" is only one way for an airport to be important. An airport can handle many passengers, connect otherwise distant parts of the network, or send a large flow of people outward. I tested those properties separately.

Each airport also runs a stochastic SEIRD model. Its population moves between susceptible, exposed, infectious, recovered, and deceased states. On every simulated day, passengers travel first. Local disease transmission happens after they arrive.

Travel is probabilistic. The number of passengers on a route is drawn from a Poisson distribution, and their health states are sampled from the population at the origin airport. This lets an exposed or infectious traveler start a distant outbreak before the origin looks badly affected.

I varied the number of sentinel airports, the screening policy, and the chance that a traveler would be tested. I sampled uncertain epidemiological parameters, including an R0 between 2.0 and 3.0, and repeated each setup with different random seeds. The finished study contains 10,500 epidemic runs and almost 1.9 million daily observations.

Where the sentinels went

I compared five placement strategies: random airports, total passenger volume, outgoing passenger flow, betweenness centrality, and PageRank. Each strategy received the same surveillance budget.

Outgoing flow, PageRank, and total passenger volume all detected the outbreak around day 30 under uniform random screening. Random placement needed another 56 days on average.

Betweenness was the interesting miss. I expected it to perform well because it finds airports that lie on many shortest paths. The disease did not travel along shortest paths with equal probability. It followed passenger volume. An airport could be structurally central and still see too few infected travelers to make a good early sensor.

Placement bought more time than testing

Increasing the probability of testing a traveler from 5% to 20% moved the average detection day from 58 to 46. That bought 12 days. Moving the same capacity from random airports to high-flow airports bought 56.

The high-flow strategy selected ATL, ORD, DEN, DFW, DTW, MSP, LAS, CLT, IAH, and PHL. Together they handled about 22% of domestic passenger flow in the data. The exact list should change as traffic changes. The graph can be rebuilt with newer traffic data, then limited surveillance can move to the airports most likely to encounter an outbreak early.

What early warning can do

The model measures detection, not epidemic control. Low-intensity screening removed fewer than 1% of infected travelers, so the final epidemic size and mortality barely changed across strategies. That let me isolate the value of information.

At first, the unchanged epidemic curves looked like a disappointing result. They clarified the purpose of a sentinel network. A detection signal creates time. Public health officials still have to use it to expand diagnostic capacity, prepare hospitals, procure supplies, sequence samples, or communicate risk.

The results also contained a statistical trap. Across all runs, earlier detection appeared to be associated with higher mortality. The relationship disappeared when I compared epidemics with similar R0 values. Faster diseases reached the sentinels sooner and killed more people, so the aggregate data produced a Simpson's paradox. Detection was correlated with severity because both depended on R0.

What I would change

The model makes several strong assumptions. It uses 2024 traffic as a stand-in for mobility before a pandemic. It estimates the population served by each airport from passenger volume. It also leaves out behavioral changes, government restrictions, and any adaptive response after the first detection. The results compare placement strategies inside a controlled model. They are not a forecast.

I also simulated more than the original question required. Since I cared about the first positive test, many runs could have stopped there. I carried every run through 180 days instead. The study took about ten hours on an M3 machine. The extra compute revealed that detection times could differ sharply even when the epidemic curves later converged on nearly the same outcome.

A second version would make the response adaptive. The first positive test would trigger additional testing, hospital preparation, or targeted travel measures. That would let the model connect the warning time measured here to the decisions made with it.

Мрежа за рано откривање пандемија

2025

Апстрактна мрежа аеродромских чворова која се спаја у плави прстен за откривање.

Овај пројекат сам засновао на једном једноставном питању: ако би САД могле да прате само неколико аеродрома ради откривања нове болести, које би требало изабрати?

Ово је био мој завршни пројекат за предмет CS166 на Универзитету Минерва.

Прво сам мислио да ће најбољи избор бити аеродроми са највећом централношћу посредовања. Они леже на многим најкраћим путањама кроз граф, па су деловали као природна места за надзор. После 10.500 стохастичких симулација епидемије, испоставило се да та претпоставка није била добра. Аеродроми са највећим одлазним путничким током откривали су епидемију око 30. дана. Централности посредовања било је потребно до 67. дана, а насумичном избору до 86.

Разлика од 56 дана настала је само променом места на којима су исти надзорни капацитети распоређени. Није било потребно више тестова ни више особља.

Ширење једне епидемије кроз граф аеродромаГранице из података Пописног бироа САД · руте из пројекта
Подлога користи званичне границе америчких савезних држава које објављује Пописни биро САД. Приказ обухвата 399 аеродрома у континенталном делу земље за које постоје и подаци о рутама и координатама; цео модел има 620. Величина тачке прати број путника, линије показују директне руте, а прстенови означавају десет надзорних аеродрома са највећим одлазним током. Анимација објашњава рад модела и не представља снимак једног конкретног извођења.

Модел

Спојио сам податке о домаћем ваздушном саобраћају у САД из 2024. године са подацима о аеродромима и рутама из скупа OpenFlights. Тако је настао граф са 620 аеродрома. Сваки аеродром је чвор, свака директна линија је грана, а очекивани број путника одређује тежину гране.

Граф је важан јер број путника није једина мера значаја аеродрома. Неки аеродроми повезују удаљене делове мреже. Из других велики број људи одлази ка многим дестинацијама. Та својства сам испитао одвојено.

На сваком аеродрому ради и посебан стохастички SEIRD модел. Становништво прелази из групе подложних у изложене, заразне, опорављене или преминуле. Сваког симулираног дана путници се прво крећу кроз мрежу, а затим се зараза шири у подручјима која аеродроми опслужују.

Број путника на свакој рути узоркује се из Поасонове расподеле. Њихова здравствена стања узоркују се из становништва у месту поласка. Тако изложен или заразан путник може да покрене удаљено жариште пре него што стање на полазном аеродрому делује озбиљно.

Мењао сам број надзорних аеродрома, начин тестирања и вероватноћу да ће путник бити тестиран. Узорковао сам и неизвесне епидемиолошке параметре, укључујући R0 између 2,0 и 3,0, па сваку поставку понављао са различитим почетним вредностима генератора случајних бројева. Завршна анализа обухватила је 10.500 симулација и скоро 1,9 милиона дневних записа.

Избор надзорних аеродрома

Упоредио сам пет начина избора: насумичне аеродроме, укупан број путника, одлазни путнички ток, централност посредовања и PageRank. Сваки је имао исти надзорни буџет.

Одлазни ток, PageRank и укупан број путника довели су до откривања око 30. дана када је сваки путник имао исту вероватноћу да буде тестиран. Насумичном избору било је потребно још 56 дана у просеку.

Најзанимљивији је био слаб резултат централности посредовања. Очекивао сам добар исход јер ова мера проналази аеродроме који леже на многим најкраћим путањама. Међутим, зараза није путовала сваком најкраћом путањом са истом вероватноћом. Пратила је број путника. Аеродром је могао да буде важан у структури графа, а да ипак сусретне премало заражених путника за рано упозорење.

Распоред је донео више времена од јачег тестирања

Повећање вероватноће тестирања путника са 5% на 20% померило је просечно откривање са 58. на 46. дан. Тако је добијено 12 дана. Премештање истих капацитета са насумично изабраних аеродрома на аеродроме са великим одлазним током донело је 56 дана.

Стратегија заснована на одлазном току изабрала је ATL, ORD, DEN, DFW, DTW, MSP, LAS, CLT, IAH и PHL. Тих десет аеродрома обухватало је око 22% домаћег путничког саобраћаја у коришћеним подацима. Списак би требало да се мења заједно са саобраћајем. Граф се може поново изградити са новијим подацима, па ограничене надзорне капацитете преместити на аеродроме који ће највероватније рано сусрести епидемију.

Чему служи рано упозорење

Модел мери време откривања, а не сузбијање епидемије. Тестирање слабог интензитета уклонило је мање од 1% заражених путника, па су се коначни обим епидемије и смртност једва разликовали између стратегија. Тако сам могао да издвојим вредност добијене информације.

Непромењене епидемијске криве су у почетку деловале као разочаравајући резултат. Он је ипак прецизно показао чему мрежа за рано откривање служи. Сигнал купује време, али надлежни то време морају да искористе за ширење дијагностичких капацитета, припрему болница, набавку залиха, секвенцирање узорака или правовремено обавештавање јавности.

У резултатима се појавила и једна статистичка замка. Када се све симулације посматрају заједно, раније откривање делује повезано са већом смртношћу. Та веза нестаје када се упореде епидемије са сличном вредношћу R0. Болести које се брже шире раније стижу до надзорних аеродрома и односе више живота. Зато је у збирним подацима настао Симпсонов парадокс. Време откривања и тежина епидемије били су повезани јер су оба зависила од R0.

Шта бих променио

Модел почива на неколико јаких претпоставки. Користи саобраћај из 2024. године као замену за кретање пре пандемије. Број становника у подручју које аеродром опслужује процењује из броја путника. Не обухвата промене понашања, мере државе ни прилагодљив одговор после првог откривања. Резултати пореде начине избора аеродрома унутар контролисаног модела. Нису прогноза.

Симулирао сам и више него што је првобитно питање захтевало. Пошто ме је занимао први позитиван тест, многа извођења су могла да се заврше у том тренутку. Ипак сам свако рачунао током 180 дана. Анализа је трајала око десет сати на M3 рачунару. Додатно рачунање је показало да време откривања може знатно да се разликује иако се епидемијске криве касније приближе готово истом исходу.

У следећој верзији бих увео прилагодљив одговор. Први позитиван тест би покренуо додатно тестирање, припрему болница или циљане мере у саобраћају. Тако би модел могао да повеже време добијено раним упозорењем са одлукама које се у том року доносе.