Generative diffusion models for spatiotemporal influenza forecasting

arXiv cs.LG / 4/29/2026

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Key Points

  • Influpaintは、インフルエンザの発生(incidence)の予測を、生成的ディフュージョンモデル(denoising diffusion probabilistic models)で行う手法です。
  • 季節データを「発生量をピクセル強度とする spatiotemporal な画像」に符号化し、監視データとシミュレーション軌跡を組み合わせた学習で、疫学ダイナミクスの多様な不確実性を分布として学習します。
  • 予測は部分観測からの条件付き生成(inpainting)として定式化され、現実的で多様な流行軌跡を生成し、レトロスペクティブ評価では主要なアンサンブル手法と競争力のある精度を示しました。
  • 2023〜2025年の米CDC FluSightチャレンジのリアルタイム評価ではシーズン全体で性能が大きく改善しましたが、特に2024〜2025年は「精度は高いがやや過信(overconfident)」な予測になった点も報告されています。
  • 最良性能は、学習データを「監視30%+シミュレーション70%」の構成にしたときに得られ、拡散モデルがインフルエンザの時空間構造を捉え、確率的な感染症予測の柔軟な枠組みになることを示唆しています。

Abstract

Forecasting infectious disease incidence can provide important information to guide public health planning, yet is difficult because epidemic dynamics are complex. Current mechanistic and statistical approaches often struggle to capture multimodal uncertainty or emergent trends. Influpaint adapts denoising diffusion probabilistic models to epidemic forecasting. By encoding influenza seasons as spatiotemporal images in which pixel intensity represents incidence, Influpaint learns a rich distribution of disease dynamics from a hybrid dataset of surveillance and simulated trajectories. Forecasting is formulated as a conditional generation (inpainting) task from partial observations. We show that Influpaint generates realistic, diverse epidemic trajectories and achieves forecast accuracy that is competitive with leading ensemble methods in retrospective evaluation. In real-time evaluation during the 2023--2025 U.S. CDC FluSight challenges, performance improved substantially across seasons, with highly accurate but somewhat overconfident projections in 2024--2025. The best performance was achieved with a training dataset containing 30% surveillance and 70% simulated trajectories. These results show that diffusion models can capture important spatiotemporal structure in influenza dynamics and provide a flexible framework for probabilistic infectious disease forecasting.