MEmilio - Software tools für die modulare räumlich-zeitliche Modellierung und Simulation von Infektionskrankheitsdynamiken

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jan Hasenauer; Dr. Martin Kühn
• Fachliche Zuordnung: Epidemiologie und Medizinische Biometrie/Statistik ; Mathematik ; Softwaretechnik und Programmiersprachen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528702961

Um die Entwicklung, Analyse und Simulation von epidemiologischen Modellen zu beschleunigen, haben wir die Forschungssoftware MEmilio entwickelt. Diese modulare Software-Toolbox ist so konzipiert, dass sie den Bedürfnissen von Forschenden und Nutzenden gerecht wird. Die Software ist zu großen Teilen in C++ geschrieben, das zu den schnellsten und speichereffizientesten Programmiersprachen gehört. Es werden Templates verwendet, um verschiedene allgemeine Strukturen wie Modelle, Graphen oder Parametersimulationen zu ermöglichen. Ziel dieses Projekts ist es, die Forschungssoftware MEmilio für die Wiederverwendung und mögliche Weiterentwicklung über ihren ursprünglichen Kontext hinaus verfügbar zu machen. Durch den modularen Aufbau und die automatische Erstellung von Python-Schnittstellen wird die Implementierung von Modellen anderer Forscher:innen angeregt, um neue hybride Modelle zu erstellen oder fundierte Vergleiche von Modellleistungen anzustellen. Um diesen erheblichen Wirkungszuwachs zu erreichen, werden wir die Softwareentwicklung weiter professionalisieren. MEmilio enthält bereits viele Unit-Tests, verschiedene Continuous Integration-Pipelines (CI) und einen Review-Prozess. Wir werden die Testabdeckung in C++ und Python auf 100% erhöhen und besser zwischen Unit- und Integrationstests unterscheiden. Eine weitere Qualitätssicherung wird durch eine professionelle Community und die Verbesserung der bereits bestehenden Struktur etabliert werden. Wir werden MEmilio-Implementierungen an externe Standards anpassen, um neue Nutzende und Entwicklende zu gewinnen. Wir werden MEmilio mit der Möglichkeit zur (i) standardisierten Modellformulierung auf Basis der regelbasierten Sprache Kappa sowie (ii) standardisierten Beschreibung von Simulationsexperimenten und Datensätzen auf Basis des PEtab-Formats ausstatten. Wir werden die Schnittstellen zwischen den verschiedenen Modellen und Programmiersprachen harmonisieren, um die identische Ausführung aller MEmilio-Modelle von C++ und Python aus zu ermöglichen. Allgemeine Methoden, wie z.B. ein Graph oder I/O, werden mit Hilfe von fortgeschrittener Template-Metaprogrammierung weiter vereinfacht werden. Wir werden uns auf effiziente Implementierungen und Skalierbarkeit konzentrieren, um die verfügbaren Ressourcen optimal zu nutzen. Energieeffiziente Implementierungen werden es ermöglichen, Wissenschaftler:innen, Politiker:innen und Entscheidungsträger:innen stets zeitnah Vorhersagen von MEmilio-Modellen zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus werden wir die Vielseitigkeit von MEmilio erhöhen, indem wir die Unterstützung von Community-Standards erweitern und allgemeine Eingabeformate implementieren. Um die nutzerzentrierte Entwicklung zu unterstützen, werden wir eine aktive Gemeinschaft von Nutzenden und Entwicklenden aufbauen, indem wir Schulungen für Nutzende und Workshops für Entwicklende anbieten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen