I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b er   20 24 ,   p p .   6 3 0 0 ~ 6 3 1 2   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 14 i 6 . pp 6 3 0 0 - 6 3 1 2           6300       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   O ptima l  co ntrol s trategies  bas ed on  extended  K a lma n f ilt er in   ma thema tical mo dels o f  C O VI D - 19       Dew i Suh ik a 1, 2 ,   Ro berd  Sa ra g ih 1 ,   Dew i H a nd a y a ni 1 ,   M o cha m a d Apri 1   1 D e p a r t me n t   o f   M a t h e m a t i c s ,   F a c u l t y   o f   M a t h e mat i c s   a n d   N a t u r a l   S c i e n c e s,   I n st i t u t   Te k n o l o g i   B a n d u n g ,   B a n d u n g ,  I n d o n e s i a   2 D e p a r t me n t   o f   M a t h e m a t i c s ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e s,  I n st i t u t   Te k n o l o g i   S u ma t e r a ,   B a n d a r   L a m p u n g ,   I n d o n e s i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   2 4 ,   2 0 2 4   R ev is ed   J u l 2 5 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Au g   6 ,   2 0 2 4       Th e   Om icro n   v a rian t  o f   th e   se v e r e   a c u te  re sp irato ry   sy n d r o m e   c o r o n a v ir u s  2   (S ARS - Co V - 2 )  v iru s  is  a n   e x tre m e ly   c o n tag i o u s  v a rian t  th a t  h a s   g a rn e re d   g lo b a l  a tt e n ti o n   d u e   to   it s  p o ten t ial  fo r  ra p id   sp re a d   a n d   it s  imp a c t  o n   th e   e ffe c ti v e n e ss   o f  v a c c in e s  a n d   n o n - p h a rm a c o lo g ica l  m e a su re s.  In   t h is  p a p e r,   we   in v e sti g a te  m a th e m a ti c a l  m o d e ls  in v o lv i n g   v a c c in a ted   i n d i v i d u a ls  a n d   c o n tro l  fu n c ti o n s  t o   a n a ly z e   h o w  th e   sp re a d   o f  c o r o n a v ir u s  d ise a se   2 0 1 9   ( COV ID - 19 )   in fe c ti o n   e v o l v e s  o v e r  ti m e .   In   th e   p ro c e ss   o f  c o n s tru c ti n g   a   m a th e m a ti c a l  m o d e l  fo r  COV ID - 1 9 ,   t h e re   a re   m a n y   p a ra m e t e rs  wh o se   v a lu e s  a re   n o t   y e t  k n o wn   with   c e rtain ty .   Th e re fo re ,   t h e   e x te n d e d   Ka lma n   fil ter  m e th o d   is  u se d   a s  a   to o l  t o   e stim a te  th e se   p a ra m e ters   in   a n   e ffo rt   to   b e tt e r  u n d e rsta n d   th e   d y n a m ics   o f  th e   sp re a d   a n d   e v o lu t io n   o f  th i s  d ise a se .   Th is  m e th o d   h e lp s  a li g n   th e   m a th e m a ti c a l  m o d e l  with   e x isti n g   e m p iri c a l  d a ta,  a ll o win g   u s  to   m a k e   m o re   a c c u ra te  p re d ictio n s  a b o u t  t h e   c o u rse   o f  th e   CO VID - 1 9   p a n d e m ic  a n d   p lan   m o re   p re c ise   a c ti o n s  to   a d d re ss   th e   situ a ti o n .   F u rth e rm o re ,   a n   o p ti m a l  c o n tro l   d e sig n   is  a p p li e d   t o   re d u c e   th e   n u m b e r  o f   in fe c ted   in d iv id u a ls  b y   imp l e m e n ti n g   se v e n   stra teg ies   in v o l v in g   a   c o m b in a ti o n   o f  h e a lt h   e d u c a ti o n ,   v a c c in a ti o n ,   a n d   iso lati o n   c o n t ro ls.  T h e   sim u latio n   re su lt s   we   c o n d u c ted   in d ica te  t h a t  t h e   u se   o f  o p ti m a l  c o n tr o l   stra teg ies   c a n   lea d   to   a   sig n ifi c a n t  d e c re a se   in   th e   n u m b e r  o f  i n d i v id u a ls   in fe c ted   with   COV ID - 19.   K ey w o r d s :   E x ten d ed   Kalm a n   f ilter   Ma th em atica l m o d el   Om icr o n   Op tim al  co n tr o l   Par am eter   esti m atio n     T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Dew i Su h ik a   Dep ar tm en t o f   Ma th em atics,  Facu lty   o f   Ma th e m atics a n d   Na tu r al  Scien ce s ,   I n s titu t T ek n o l o g i Ban d u n g   B an d u n g ,   I n d o n esia   E m ail: 3 0 1 2 0 0 0 6 @ m ah asis wa . itb . ac . id       1.   I NT RO D UCT I O N   C o r o n av ir u s   d is ea s e  2 0 1 9   ( C OVI D - 19)   f ir s t  d etec ted   in   W u h an ,   C h in a   at  th e  en d   o f   2 0 1 9   [ 1 ] ,   h as   r ap id ly   e v o lv ed   in to   a   g lo b al  p an d em ic,   d is r u p tin g   n ea r l y   al l  asp ec ts   o f   life .   As  th e  v ir u s   s p r ea d   wo r ld wid e,   it  u n d er wen t  s ev er al  m u tatio n s   lead in g   to   th e  em e r g en ce   o f   v a r ian ts   s u ch   as  Alp h a  ( B . 1 . 1 . 7 ) ,   f ir s t  id en tifie d   in   th e  Un ited   Kin g d o m   o n   Dec e m b er   1 8 ,   2 0 2 0 ,   wh ich   h as  s ev er al  m u tatio n s   in   t h e  v ir al  s p ik e  p r o tein   e n h an ci n g   its   ab ilit y   to   attac h   to   h u m an   ce lls   an d   in c r ea s in g   tr a n s m is s io n   [ 2 ] .   Fo ll o win g   th e   Alp h a  v ar ia n t,  th e   B eta  v ar ian t  ( B . 1 . 3 5 1 )   was   r ep o r te d   in   So u th   Af r ica   in   Dec em b e r   2 0 2 0 ,   f ea tu r in g   m u tatio n s   th at  co u ld   p o ten tially   im p ac t  v ac cin e   an d   an tib o d y   ef f icac y   [ 3 ] .   Similar ly ,   th e   Gam m a  v ar ian t   ( P.1 )   was  id e n tifie d   in   B r az il  o n   J an u ar y   2 1 ,   2 0 2 1 ,   an d   th e  Delta  v ar ian t  ( B . 1 . 6 1 7 . 2 ) ,   k n o wn   f o r   b ein g   m o r e  co n tag i o u s   th an   its   p r ed ec ess o r s ,   r aised   g lo b al  co n ce r n s   in   Ap r il  2 0 2 1   [ 4 ] .   T h e  latest,  th e  O m icr o n   v ar ian t  ( B . 1 . 1 . 5 2 9 ) ,   w as  f ir s t  r ep o r ted   in   So u th   Af r ica   o n   No v e m b er   2 4 ,   2 0 2 1   [ 5 ] ,   an d   h as   q u ick l y   b ec o m e  a   m ajo r   co n ce r n   d u e  to   its   n u m e r o u s   m u tatio n s ,   s o m e  p r ev io u s ly   u n s ee n ,   wh ich   co n tr ib u te  to   its   f aster   tr an s m is s io n   r ate  an d   p o ten tial  to   o v er co m e   ex is tin g   im m u n ity   [ 6 ] .   T h ese  v ar ian ts   h av e   n o t  o n ly   in cr ea s ed   th e   co m p lex ity   o f   co n tr o llin g   th e   v ir u s ' s   s p r ea d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       Op tima l c o n tr o l str a teg ies b a s ed   o n   ex te n d ed   K a lma n   filt er in   ma th ema tica l   …   ( Dewi S u h ika )   6301   b u t  also   ch allen g ed   th e  ef f ec tiv en ess   o f   estab lis h ed   p u b lic  h ea lth   s tr ateg ies.  I n   I n d o n esia,  th e  s wif t   p r ed o m i n an ce   o f   th e  Om icr o n   v ar ian t  s in ce   late  2 0 2 1   h as   ex ac er b ated   s tr ain s   o n   an   al r ea d y   o v er wh elm e d   n atio n al  h ea lth   s y s tem   an d   co m p licated   o n g o in g   v ac cin atio n   ef f o r ts   [ 7 ] .   Ma th em atica l  m o d els  ar e  cr u cial  to o ls   f o r   u n d er s tan d in g   an d   m an ag in g   th e  s p r ea d   o f   th e  C OVI D - 19  v ir u s .   R esear ch   u s in g   m ath e m atica l  m o d els  h as  b ee n   c o n d u c ted   ex ten s iv ely   s in ce   th e   p an d em ic  b eg a n .   T h ese   m o d els  ar e  u s ed   to   u n d er s tan d   v ir u s   tr an s m is s io n ,   p r e d ict  ep id em io lo g ical   tr en d s ,   p lan   in ter v en tio n s ,   a n d   m ak e  p o licy   d ec is io n s   [ 8 ] .   R esear ch   b y   An n as  et  a l.   [ 9 ]   d ev elo p e d   an   s u s ce p tib le – e x p o s ed – in f ec tio u s – r em o v ed   ( SEI R )   m o d el  th at  in co r p o r ated   v ac cin atio n   an d   i s o latio n   p ar am eter s ,   p r o v i d in g   in s ig h ts   in to   th e   ef f ec tiv en ess   o f   th ese  in ter v en tio n s   in   s lo win g   th e  s p r ea d .   An o th er   s tu d y   b y   W an g   et  a l .  [ 1 0 ]   ad a p ted   th e   SEI R   m o d el  to   in clu d e  c o m p ar tm en ts   f o r   s u s ce p tib le  ( S) ,   ex p o s ed   ( E ) ,   in f ec ted   ( I ) ,   h o s p italized   ( H) ,   an d   r em o v ed   ( R ) ,   u s in g   p u b lic  d at a  f r o m   W u h an .   T h is   m o d el  wa s   u tili ze d   to   d eter m in e  th e  in itial d ate  o f   C OVI D - 1 9   in f ec tio n   in   W u h an ,   c o n s id er in g   th e  lack   o f   in f o r m atio n   o n   in itial  co n d itio n s .   Su n   et  a l.   [ 1 1 ]   co n s tr u cted   th e  SEI R   m o d el  with   an   a d d e d   q u ar a n tin e  ( Q)   co m p a r tm en t  to   ass ess   th e  im p ac t  o f   lo ck d o wn   m ea s u r es  an d   th e  av ailab ilit y   o f   m ed ical  r eso u r ce s   in   W u h an   d u r in g   2 0 2 0   o n   th e   v ir u s ' s   d y n am ics  an d   s p r ea d .   T h e  r esu lts   in d icate d   th at  th e  lo n g er   th e  l o ck d o wn   was  im p lem en ted   in   W u h an ,   th e  f ewe r   p eo p le  we r e  in f ec ted ,   b u t  th is   h ad   im p licatio n s   f o r   o th er   ci ties   in   C h in a  an d   ar o u n d   th e   wo r ld .   Ho wev er ,   d esp ite  th ese  ad v an ce m e n ts ,   cu r r en t  m o d els  o f ten   s tr u g g le  to   ad ap t  to   th e  r ap i d ly   ev o l v in g   d y n am ics  o f   th e  v ir u s ,   esp ec ially   with   th e  f r eq u e n t  em er g e n ce   o f   n ew  v ar ian ts .   T h er e  is   a  p r ess in g   n ee d   f o r   m o d els  th at  in co r p o r ate  r ea l - tim e  d ata,   wh ich   co u ld   s ig n if ican tly   im p r o v e  th e  ac c u r ac y   o f   p r ed ictio n s   an d   th e  e f f ec tiv en ess   o f   in t er v en tio n s .   T h e   c o n c e p t   o f   o p ti m a l  c o n t r o l   is   p a r ti c u l a r l y   r e l e v a n t  i n   m an a g i n g   d y n a m i c   s y s t e m s   l i k e   p a n d e m i c s ,   w h e r e   i t  a i m s   t o   i d e n t i f y   t h e   m o s t   e f f e ct i v e   s t r at e g i es   u n d er   g i v e n   c o n s t r ai n t s   [ 1 2 ] .   M a n y   r e s e a r c h e r s   h a v e  u t i l i z e d   o p t i m a l  c o n t r o l   t h e o r y   t o   a d d r e s s   i n f e c t i o u s   d is e as e   c o n t r o l   is s u es .   Ma d u b u e z e   e t  a l .   [ 1 3 ]   i n v e s ti g a t es  o p t i m a l   c o n t r o l  i n   C O V I D - 1 9   m o d e l s   as   n o n - p h a r m a c o l o g i c a l   s t r a te g i e s   s u c h   a s   q u a r an t i n e   a n d   is o l a ti o n .   S w e il a m   e t   a l .   [ 1 4 ]   e x p l o r e s   o p t i m a l   c o n t r o l   as   m e d i ca l   t r e a t m e n t   s t r a t e g i e s   s u c h   as   is o l a t i o n   i n   h e al t h c a r e  f a c i l it i es   a n d   t h e   p r o v i s i o n   o f   r e s p i r a t o r y   a i d s ,   i n v o l v i n g   v a r i a t i o n s   i n   p a r a m et e r s   r e l at e d   to   c o n t a c t   r a t e s   a n d   i n f e c t i o n   t r a n s m i s s i o n .   Dj i d j o u - D e m a s s e   e t   a l .   [ 1 5 ]   u t i l i ze s   o p t i m a l   c o n t r o l   t h e o r y   t o   e x p l o r e   t h e   b e s t   s t r at e g y   t h a t   c a n   b e   i m p l e m e n t e d   w h i l e  a w a i t i n g   t h e   v a c c i n e   b y   s e e k in g   a   s o l u t i o n   t h a t   m i n i m i z e s   t h e   n u m b e r   o f   d e a t h s   a n d   t h e   c o s t s   r e s u lt i n g   f r o m   t h e   i m p l e m e n t a t i o n   o f   t h e   c o n t r o l   s t r a t e g y   i ts e l f .   T h e i r   f i n d i n g s   s h o w   t h a t   s u c h   a  s o l u t i o n   l e a d s   t o   a n   i n c r e a s i n g   l e v e l   o f   c o n t r o l   p e a k i n g   a r o u n d   t h e   1 6 th  m o n t h   f r o m   t h e   o n s e t   o f   t h e   e p i d e m i c ,   f o l l o w e d   b y   a   s t e a d y   d e c l i n e   u n t i l   t h e   v a c c i n e   is   i m p l e m e n te d .   L i   a n d   G u o   [ 4 ]   e m p l o y e d   o p t i m a l   c o n t r o l   b y   i m p l e m e n t i n g   a   v a c c i n a t i o n   co n t r o l   s t r a t e g y   i n   a   m o d e l   w i t h   C O V I D - 1 9   m u t a t i o n s   ( D el ta   s t r a i n ) .   H o w e v e r ,   e x i s ti n g   m o d e l s   h a v e   n o t   s p e ci f i c a ll y   a d d r e s s e d   t h e   c h a ll e n g e s   p o s e d   b y   t h e   O m i c r o n   v a r i a n t   a n d   t h e   o r i g i n a l   v i r u s ,   n o r   h a v e   t h e y   f u l l y   u t i li ze d   t h e   p o t e n t i a l   o f   r e al - t i m e   d ata   i n t e g r a t i o n   f r o m   b o t h   a s p e ct s .   T h is   s tu d y   ai m s   to   ad d r ess   th ese  lim itatio n s   b y   en h a n cin g   t h e  r esp o n s iv en ess   o f   th e   SEI R   m o d el  t o   ch an g es  in   v ir u s   tr an s m is s io n   d y n am ics  th r o u g h   th e   in teg r atio n   o f   th e   ex ten d ed   Kalm a n   f ilter   a n d   o p tim a l   co n tr o l   s tr ateg ies.  T h is   ap p r o ac h   is   d esig n e d   t o   n o t  o n ly   i m p r o v e   th e   ad a p tab ilit y   o f   o u r   m o d els  b u t   also   to   p r o v id e   m o r e  e f f ec tiv e   an d   t im ely   r esp o n s es  to   th e   p a n d e m ic' s   ch allen g es.  Sp ec if ically ,   we  f o cu s   o n   th e   ap p licatio n   o f   th ese  ad v an ce d   tech n iq u es  to   m an a g e  p o p u la tio n s   th at  h av e   b ee n   v ac cin ate d ,   aim in g   to   r e f in e   th e  co n tr o l stra teg ies ag ain s t  C OVI D - 1 9   m o r e  ef f ec tiv ely .   T h e  n ex t  p ar t  o f   th is   p ap er   will  d escr ib e  th e  m eth o d o lo g y   we  u s e,   in clu d in g   d etails  ab o u t  th e  in teg r atio n   o f   t h e  ex ten d ed   Kalm an   f ilter   a n d   th e   d e v elo p m en t  o f   o p tim al  c o n tr o l   s tr ateg ies.  W e  will  p r esen t   s im u latio n   r esu lts   to   d em o n s tr ate  th e  ef f ec tiv en ess   o f   th is   ap p r o ac h   in   r ed u cin g   t h e  s p r ea d   o f   C OVI D - 1 9 .   Su b s eq u en tly ,   th e  d is cu s s io n   will c r itiq u e  th ese  r esu lt s   in   th e  co n tex t o f   ex is tin g   liter atu r e  an d   th eir   im p ac t o n   p u b lic  h ea lth   p o licy .   T h e   co n c lu s io n   will  s u m m ar ize   th e   s ig n if ican t  f i n d in g s   an d   p r o p o s e   d ir ec tio n s   f o r   f u tu r e   r esear ch   in   th is   f ield .       2.   M E T H O D   I n   c o n s t r u c t i n g   a   m a t h e m a t i ca l  m o d e l ,   a p p r o p r i a t e   a s s u m p t i o n s   a r e   n e e d e d   t o   m a k e   t h e   m o d e l   s i m p l e r ,   e a s i e r   t o   a n a l y z e ,   u n d e r s ta n d ,   a n d   i m p l e m e n t .   F u r t h e r m o r e ,   o n e   o f   t h e   i m p o r t a n t   c h a l l e n g e s   i n   m a t h e m at i c al  m o d e l s   is   d e t e r m i n i n g   p a r a m e t e r   v a l u es   b a s e d   o n   d at a ,   r eq u i r i n g   o p t i m i z a ti o n   m e t h o d s   t o   o v e r c o m e   t h i s   d i f f i c u l t y .   I n   t h i s   p a p e r ,   w e   a p p l i e d   t h e   e x t e n d e d   K a l m a n   f i l te r   a n d   s u c c e e d e d   i n   e s t i m a ti n g   t h e   v a l u e s   o f   s e v e r a l  p r e v i o u s l y   u n k n o w n   p a r a m e t e r s .   A d d i t i o n al l y ,   w e   d e v e l o p e d   c o n t r o l   s t r a te g i e s   t o   e f f e c t i v el y   m a n a g e   t h e   s p r e a d   o f   t h e   d i s e as e .   T h e   r e s u lt s   o f   t h e s e   c o n t r o l  s t r a t e g i es   a r e  s i m u l at e d   t o   d e m o n s t r a t e   t h e i r   e f f e c t i v e n ess   in   c o n t r o l l i n g   t h e   o u t b r e a k .   T h e   r e s e a r c h   m e t h o d o l o g y   is   i l l u s t r at e d   i n   F i g u r e   1 .     2 . 1 .     Da t a   co llect io n   I n   th is   s tu d y ,   C OVI D - 1 9   d at a  co llectio n   was  ca r r ied   o u t  b y   o b tain in g   d aily   d ata   f r o m   th e  Hea lth   Dep ar tm en t  f o r   th e  p er io d   f r o m   Feb r u ar y   6   to   Ma y   5 ,   2 0 2 2 ,   s p ec if ically   f o r   th e  DKI   J ak ar ta  p r o v i n ce .   T h e   co llected   d ata  i n clu d es  th e   n u m b er   o f   n ew  ca s es,  ac tiv e   ca s es,  v ac cin atio n s ,   q u ar an tin es,  r ec o v er ies,  a n d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 3 0 0 - 6 3 1 2   6302   d ea th s   th at  o cc u r r ed   ea c h   d a y   d u r i n g   th e  p er io d .   T h e   u s e  o f   th is   d ata  aim s   to   a n aly ze   th e  tr en d s   in   v ir u s   s p r ea d ,   th e  ef f ec tiv en ess   o f   th e  in ter v en tio n s   ap p lied ,   an d   th e  d y n am ics  o f   ca s e  ch an g es  in   th e  co m m u n ity .   T h is   in f o r m atio n   is   cr u cial   f o r   u n d er s tan d in g   th e   ch a r ac ter is tics   o f   C OVI D - 1 9   s p r ea d   in   th e  r eg io n   a n d   s er v es  as a   b asis   f o r   f u r th e r   h ea lth   p o licy   d ec is io n s .             Fig u r e  1 .   R esear ch   p r o ce s s   d iag r am   f o r   th e  o p tim izatio n   o f   t h e  m ath em atica l m o d el  o f   C O VI D - 19       2 . 2 .     F o rm ula t e   a   m a t hema t i ca l m o del o f   CO VID - 19   I n   th is   p ap er ,   th e   m o d el  em p l o y ed   is   p r o v id ed   with   ass u m p tio n s   as  p r o b lem   co n s tr ain ts   t o   f ac ilit ate  th e  co n s tr u ctio n   o f   th e  m o d el.   T h e  ass u m p tio n s   u tili ze d   ar e  i)   T h e  av er ag e  b ir th   r ate  is   e q u al  to   th e  av er ag e   d ea th   r ate,   s o   th e  to tal  p o p u lat io n   is   co n s tan t ;   ii)  T h e  p o p u latio n   is   clo s ed .   T h er e  is   n o   m o v em en t  ( m ig r atio n ,   m o b ilit y )   to   o r   f r o m   th e  o b s er v ed   ar ea ;   iii)  E v er y   h u m an   b ein g   b o r n   en ter s   a  s u s ce p tib le  p o p u latio n ;     iv )   I n d iv id u als  wh o   h av e   r ec ei v ed   th e  v ac cin e  b u t  h a v e  n o t   y et  g en er ated   a n tib o d ies  m i g h t sti ll  b e  s u s ce p tib le   to   in f ec tio n .   W h en   th e  v ac ci n e  d o es   not   o f f er   f u ll  im m u n ity   ag ain s t  th e  v ir u s ,   v ac cin at ed   in d iv id u als  ca n   r em ain   at  r is k   o f   c o n tr ac tin g   th e  d is ea s e  [ 1 6 ] ;   v )   I n f ec tio n   with   th e  Om icr o n   v ar ian t   is   tr an s m itted   th r o u g h   co n tact  with   in d iv id u als  ca r r y in g   th is   v ar ian t,  wh er ea s   in f ec tio n   with   th e  o r ig in al  s tr ain s   o cc u r s   v ia  co n tact  with   in d iv id u als  in f ec ted   with   th o s e  s tr ain s .   I t   i s   im p o r tan t  to   n o te  th at  s u s ce p tib le  in d iv id u als  wh o   co m e  in to   co n tact  with   t h o s e  in f ec ted   wi th   th e   o r ig i n al  v ir u s   m a y   co n t r ac t  th at  v ir u s   b u t   will  n o t   b e co m e  in f ec ted   with   th e  Om icr o n   v a r ian t  u n less   ex p o s ed   t o   it  s p ec if ically   [ 1 7 ] ;   v i)   T r a n s m is s io n   o cc u r s   th r o u g h   in te r ac tio n s   b etwe en   s u s ce p tib le  an d   in f e cted   in d iv id u als  [ 1 8 ] ;  an d   v i i)   I n d iv id u als  wh o   ar e  r ec o r d ed   as  co n f ir m e d   p o s itiv e  if   d ec lar ed   c u r ed   ar e  ass u m ed   to   b e  im m u n e  to   C O VI D - 19.     2 . 3 .     P a ra m et er   estima t io n   E x ten d ed   Kalm an   f ilter   ( E KF)   is   an   alg o r ith m   d esig n ed   to   esti m ate  s tates  in   n o n lin ea r   d y n am ic  s y s tem s   an d   is   r ep r esen ted   b y   ( 1 ) .      ( ) = ( ( ) )      ( 1 )     wh er e  ( . )   d en o tes  th e  n o n lin ea r   s y s tem   f u n ctio n .   B y   d is cr eti zin g   ( 1 )   i n   tim e   d o m ain ,   we   ca n   o b tain   th e  d is cr ete - tim e  m o d el:     + 1 = + ( )     ( 2 )     wh er e    r ep r esen ts   th e  s y s tem   s tate  at  tim e  p o in t  .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       Op tima l c o n tr o l str a teg ies b a s ed   o n   ex te n d ed   K a lma n   filt er in   ma th ema tica l   …   ( Dewi S u h ika )   6303   T h e  s tep s   o f   t h e  ex ten d ed   Ka lm an   f ilter   alg o r ith m   p r o ce e d   as  f o llo ws,  af ter   c o n v e r tin g   ( 1 )   in to   its   d is cr ete  f o r m .   a.   L in ea r ize  th e  s y s tem   m o d el  ( 1 ) ,   r esu ltin g   in   t h e  J ac o b ian   m a tr ix   .   b.   I n itializatio n   o f   ea ch   s tate  v ar iab le  an d   p ar am eter   wh e n   = 0   f o r   t h e  s y s tem   m o d el  ( 1 ) .   c.   Dete r m in e  th e  in itial v alu e  o f   th e  er r o r   co v a r ian ce   ̂ 0   b ased   o n   [ 1 9 ] .     ̂ 0 = [ ( 0 − ̂ 0 ) ( 0 − ̂ 0 ) ]     d.   C alcu late  th e  p r ed icted   s tate  u s in g       ̂ − = ̂ − 1 .     e.   Dete r m in e  th e  er r o r   co v ar ian c e  v alu e  o b tain ed   u s in g   th e  eq u atio n ,     − = − 1 + ℚ     f.   Nex t is th e  co r r ec tio n   s tag e.   C alcu late  Kalm an   g ain   b ased   o n   th e  f o llo win g   eq u atio n ,     = ( − + ℛ ) − 1 ,     with     is   th e  o b s er v atio n   m atr ix .   g.   Up d ate  s tate  esti m ates b ased   o n   th e  f o llo win g   eq u atio n ,     ̂ = ̂ − + ( − ̂ − )     h.   C alcu late  th e  er r o r   co v ar ian ce   u s in g   th e  f o ll o win g   eq u atio n ,     = [ − ] −     R ep ea t step s   ( a ) - ( d )   u n til all  iter atio n s   ar e  p r o ce s s ed   an d   th e   v alu es c o n v e r g e.     2 . 4 .     O pti m a l  c o ntr o l   Nu m er ically   s o lv in g   th is   o p tim al  co n tr o l  p r o b lem   u tili zin g   Po n tr y ag in ' s   m in im u m   p r in cip le  in v o lv es  d ev elo p in g   an   alg o r ith m   to   g en er ate  an   ap p r o x im ate  o p tim al  co n tr o l  s o lu tio n .   T h e  o p tim al  s y s tem   en co m p ass es  s tate  eq u atio n s ,   alo n g   with   th eir   in itial  co n d itio n s ,   co s tate  eq u atio n s ,   an d   ass o ciate d   tr an s v er s ality   co n d itio n s ,   as  w ell  as  o p tim al  co n tr o l  c h ar ac te r is tics .   T h is   co n tr o l  p r o b lem   c an   b e  s o lv ed   u s in g   th e  b ac k war d - f o r war d   s wee p   alg o r ith m   as in   [ 1 2 ] ,   [ 2 0 ] ,   in   th e  f o llo win g   m an n e r :   a.   Div id e  th e  tim e  in ter v al  [ 0 , ]   in to     eq u ally   s p ac ed   s u b in ter v als.  C r ea te  v ec to r s   = ( 1 , 2 , … , 6 )   an d   = ( 1 , 2 , … , 6 )   to   ap p r o x im ate  th e  s tate  an d   c o s tate  v ar iab les.   b.   I n itialize  th e  v alu es  o f   1 , 2 ,   an d   3   f o r   th e  e n tire   tim e  in ter v al,   s ettin g   1 ( 0 ) = 2 ( 0 ) = 3 ( 0 ) = 0 .  T h e  v ec to r s   1 , 2 ,   an d   3   r ep r esen t c o n tr o l a p p r o x im atio n s   at  tim e  .   c.   Star tin g   with   th e  i n itial  co n d itio n   1 = ( 0 ) = 0   an d   th e   v alu es  i n   1 , 2 ,   an d   3 ,   s tate  d if f er e n tial   eq u atio n   is   s o lv ed   f o r war d   wi th   r esp ec t  to   tim e  u s in g   t h e  4 th   o r d e r   R u n g e - Ku tta  m et h o d .   T h is   p r o v id es  a   n u m er ical  esti m ate  f o r   t h e  s tate  d ev elo p m en t.   d.   Usi n g   th e  tr an s v er s ality   co n d i tio n   + 1 = ( ) = 0   an d   th e  v ec to r   v alu es  1 ,  2 ,  3 ,   an d   ,   s o lv e  th e   co s tate  eq u atio n   b ac k war d   in   tim e  u s in g   th e   4 th - o r d er   R u n g e - Ku tta  m eth o d .   T h is   p r o v id es  a  n u m er ical  esti m ate  f o r   th e  co s tate.   e.   T h e  co n tr o l  v alu es  1 , 2 ,   an d   3   ar e  u p d ated   b y   s u b s titu tin g   th e  s tate  an d   co s tate  v alu es  in to   th e  o p tim al  co n tr o l c h a r ac ter izatio n .     f.   Nex t,  a  co n v er g e n ce   ch ec k   i s   ca r r ied   o u t.   I f   th e   v alu e  o f   th e  v ar iab le  b ein g   ca lcu lated   in   th e  c u r r e n t  iter atio n   an d   th e  v alu e  in   th e  p r ev io u s   iter atio n   a r e  q u ite  cl o s e  o r   co n v er g e,   t h en   th e  v al u e  o f   th e  v ar ia b le  in   th e   cu r r en t  iter atio n   is   c o n s id er ed   an   ac ce p tab le   s o lu tio n .   T h is   in d icate s   th at  th e  alg o r ith m   h as   co n v er g ed   o r   is   ap p r o ac h in g   th e  o p tim al  s o lu tio n .   I f   n o t,   th e  alg o r ith m   r etu r n s   to   s tep   2   f o r   th e  n ex t  iter atio n .   T h is   p r o ce s s   is   r ep ea ted   iter at iv ely   u n til  th e  n u m er ical  s o lu t io n   co n v e r g es  to   th e  o p tim al  s o lu tio n   o f   th e  g iv en   o p tim al  co n tr o l  p r o b lem .   T h is   m eth o d   is   a  co m b in atio n   o f   f o r wa r d   an d   b ac k war d   ap p r o ac h es  to   f in d   o p tim al  co n tr o l  u s in g   th e  4 th   o r d e r   R u n g e - K u tta  n u m er ical  m eth o d .   T h e  f o r war d   ap p r o ac h   in v o lv es   s im u latin g   th e  s tate  d y n am ics  f o r war d   in   tim e  u s in g   in iti al  g u ess es  f o r   th e  co n tr o l  v ar iab les,  wh ile  th e  b ac k war d   ap p r o ac h   in v o lv es  ad ju s tin g   th ese  co n tr o l  v ar ia b les  b ased   o n   th e  d is cr ep an c ies  o b s er v ed   in   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 3 0 0 - 6 3 1 2   6304   d esire d   s tate  tr ajec to r y .   T h r o u g h   iter ativ e   r ef in em e n t  o f   co n tr o ls ,   th is   m eth o d   ef f ici en tly   ad d r ess es  th e   ch allen g es  o f   n o n - lin ea r ities   an d   c o n s tr ain ts   in   c o n tr o l   s y s tem s ,   en s u r in g   ac cu r ac y   an d   s tab ilit y   in   th e   co m p u ted   s o lu tio n s .       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   3 . 1 .     Resul t   o f   t he  CO VID - 1 9   m o del   I n   th e   C OVI D - 1 9   m o d el,   th e   p o p u latio n   ( )   is   ca teg o r ized   i n to   eig h t  d is tin ct  c o m p ar tm e n ts   to   b etter   u n d er s tan d   an d   s im u late  th e  s p r ea d   o f   th e  v ir u s   an d   its   v ar ian ts .   T h e  co m p ar tm en t  ( )   r ep r esen ts   th e   s u b p o p u latio n   o f   in d iv id u als  wh o   ar e  s u s ce p tib le  to   th e  v ir u s   an d   h av e  n o t  b ee n   v ac cin at ed .   1 ( )   an d   2 ( )   d en o te  in d iv id u als  wh o   h av e   b ee n   ex p o s ed   to   th e  o r ig i n al  C OVI D - 1 9   v ir u s   an d   t h e   Om icr o n   v a r ian t,  r esp ec tiv ely .   ( )   in clu d es  th o s e  wh o   h av e   r ec eiv ed   v ac cin a tio n s .   1 ( )   an d   2 ( )   ar e  s u b s ets  o f   th e   p o p u latio n   in f ec ted   with   th e   o r ig in al  v ir u s   a n d   th e  Om icr o n   v a r ian t,  r esp ec tiv ely .   ( )   r e f er s   to   t h o s e  wh o   ar e  s ev er ely   in f ec ted   a n d   cu r r en tly   h o s p italized ,   wh ile  ( )   r ep r esen ts   in d iv id u als  wh o   h av e  r ec o v er ed   f r o m   th e  in f ec tio n ,   h ig h lig h tin g   th e   d y n am ics  an d   in ter ac tio n s   b etwe en   d if f er en t  s tag es  o f   th e  d is ea s e  w ith in   th e   p o p u latio n .   T h u s ,   th e  to tal  p o p u latio n   is   g iv en   b y ,     ( ) = ( ) + 1 ( ) + 2 ( ) + ( ) + 1 ( ) + 2 ( ) + ( ) + ( )     T h e  m ath em atica l  m o d el  f o r   t h e  s p r ea d   o f   C OVI D - 1 9   alo n g   with   co n tr o l  i n p u t  ca n   b e  s e en   in   th e  f o llo win g   s y s tem :     ̇ ( ) = − 1 1 ( 1 − 1 ( ) ) − 2 2 ( 1 − 1 ( ) ) − ( 1 + 2 ( ) )  −      ̇ 1 ( ) = 1 1 + 1 1 1 − 1 1 − 1     ̇ 2 ( ) = 2 2 + 2 2 2 − 2 2 − 2     ̇ ( ) = ( 1 + 2 ( ) )  − 1 1 1 − 2 2 2 −    ̇ 1 ( ) = 1 1 − 3 ( ) 1 − 1 1 − 1     ̇ 2 ( ) = 2 2 − 3 ( ) 2 − 2 2 − 2     ̇ ( ) = 3 ( ) 1 + 3 ( ) 2 − 3 −      ̇ ( ) = 1 1 + 2 2 + 3 −      ( 3 )     an d   th e  e x p lan atio n   o f   th e   p ar am eter s   in   m o d el  ( 3 )   ar e   p r o v i d ed   in   T a b le  1 .   T h e  co n tr o l   v ar iab le   1 ( )   r ep r ese n ts   h ea lth   e d u ca tio n   p r o v id e d   to   in d iv id u al    with   th e   ai m   o f   en h an cin g   th eir   u n d er s tan d in g   o f   p er s o n al   h ea lth   co n d itio n s ,   d is ea s e  p r ev e n tio n   ef f o r ts ,   an d   s tep s   to   m ain tain   o p tim al  h ea lth .   T h e  co n tr o l  v ar iab le  2 ( )   r ep r esen ts   th e  v ac c in atio n   in ter v e n tio n ,   wh ic h   is   in ten d ed   to   m itig ate  an d   m an ag e   th e   tr a n s m is s io n   o f   C OVI D - 1 9   b y   in cr ea s in g   th e   v ac cin atio n   co v er ag e  a m o n g   th e   p o p u latio n .   T h e  c o n tr o l  v ar ia b le  3 ( )   is   th e  is o latio n   r ate  g iv e n   to   1   an d   2   with   th e  aim   o f   r e d u cin g   th e   in f ec ted   p o p u latio n   o f   1   an d   2 .   T h e  b asic r ep r o d u ctio n   n u m b e r   ( 0 )   is   g iv en   b y ,     0 =  { ( 1 ( + ) + 1 1  ( + ) ) 1 1 , ( 2 ( + ) + 2 2  ( + ) ) 2 3 } .     D i s ea s e - f r e e   c o n d i ti o n s   o c c u r   if   t h e   d i s e a s e   is   n o t   e n d e m i c   o r   i n f e c t i o n   h a s   n o t   o c c u r r e d ,   n a m e l y   w h e n   0 < 1 .  E n d e m i c   c o n d i t i o n s   o c c u r   i f   t h e   d i s e as e   is   n o t   e n d e m i c   o r   i n f ec t i o n   h a s   n o t   o c c u r r e d ,   n a m e l y   w h e n   0 > 1 .     3 . 2 .     Resul t   o f   pa ra m et er   esti m a t i o n us ing   ex t ended K a lm a n f ilte r   B ef o r e  esti m atin g   th e  C OVI D - 1 9   s p r ea d   m o d el  u s in g   th e  ex ten d ed   Kalm an   f ilter   ( E KF) ,   d is cr etiza tio n   will  b e  ca r r ied   o u t  f i r s t.  Dis cr etiza tio n   its el f   aim s   to   o b tain   th e   f o r m   o f   th e  eq u atio n   in   a   d is cr ete  s tate  [ 2 1 ] .   T h is   i s   b ec au s e  th e  E KF  m eth o d   is   a   s y s t em   m o d el  th at  u s es  m ea s u r em en ts   an d   a  d is cr ete   tim e  s y s tem   m o d el.   I n   th e   C OVI D - 1 9   m o d el  ( 3 ) ,   it  will  b e  d is cr etize d   u s in g   a  f o r war d   f in ite  d if f er en ce   m eth o d   f o r   c h an g es  in   v ar ia b les  o v er   tim e.   T h e  f o llo win g   is   a  d is cr etiza tio n   o f   th e  C OVI D - 1 9   d is ea s e   tr an s m is s io n   m o d el:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       Op tima l c o n tr o l str a teg ies b a s ed   o n   ex te n d ed   K a lma n   filt er in   ma th ema tica l   …   ( Dewi S u h ika )   6305   + 1 = + ( − 1 1 − 2 2 − −   ) ∆     1 + 1 = 1 + ( 1 1 + 1 1 1 − 1 1 − 1 ) ∆     2 + 1 = 2 + ( 2 2 + 2 2 2 − 2 2 − 2 ) ∆     + 1 = + ( − 1 1 − 2 2 2 − ) ∆     1 + 1 = 1 + ( 1 1 − 3 1 − 1 1 − 1 ) ∆     2 + 1 = 2 + ( 1 2 − 3 2 − 2 2 − 2 ) ∆     + 1 = + ( 2 1 + 3 2 − 3 − ) ∆     + 1 = + ( 1 1 + 2 2 + 3 − ) ∆ .     ( 4 )     T h e  d is cr ete  m o d el  ( 4 )   ca n   b e  s im p lifie d   in to   th e  f o r m   o f   a  n o n lin ea r   f u n ctio n   as:     + 1 = + ( )     wh er e    is   th e  s y s tem   s tate  at  tim e  p o in t  .   I n   m o d el  ( 4 )   a  n ew  s tate  v ar iab le,   ̇ 1 = 0 , ̇ 2 = 0 , ̇ = 0 ,   ̇ 1 = 0 , ̇ 2 = 0 , ̇ 1 = 0 , ̇ 2 = 0   ̇ 3 = 0   d an   ̇ 3 = 0 .   Nex t,  t o   f o r m   a   s y s tem   m o d el,   i n   ( 4 )   a  s to ch asti c   f ac to r   in   th e   f o r m   o f   n o is e  is   ad d ed   as:      + 1 = + ( − 1 − 2 2 − −   ) ∆ + 1     1 + 1 = 1 + ( 1 1 + 1 1 1 − 1 − ) ∆ + + 2     2 + 1 = 2 + ( 2 2 + 2 2 2 − 2 2 − 2 ) ∆ + 3     + 1 = + ( − 1 1 − 2 2 2 − ) ∆ + 4     1 + 1 = 1 + ( 1 1 − 3 1 − 1 1 − 1 ) ∆ + 5     2 + 1 = 2 + ( 1 2 − 3 2 − 2 2 − 2 ) ∆ + 6     + 1 = + ( 3 1 + 3 2 − 3 − ) ∆ + 7     + 1 = + ( 1 1 + 2 2 + 3 − ) ∆ + 8   1 + 1 = 1 + 9     2 + 1 = 2 + 10     + 1 = + 11       1 + 1 = 1 + 12     2 + 1 = 2 + 13     1 + 1 = 1 + 14     2 + 1 = 2 + 15     3 + 1 = 3 + 16     3 + 1 = 3 + 17     ( 5 )     wh er e  ∆   is   th e  ch an g e  in   tim e   with   ∆ = 0 . 01 .    is   s y s tem   n o is e  in   a   s y s tem   m o d el  th at  is   n o r m a lly   d is tr ib u ted   with   ze r o   m ea n   an d   co v ar ia n ce   ℚ   o r   ca n   b e   wr itten   w ~ ( 0 , ℚ ) .   I t  is   ass u m ed   th at  th e  p ar am eter s   to   b e  esti m ated   ar e:  1 , 2 , , 1 , 2 , 1 , 2 , 2 , 3 ,     an d   3   as  a  c o n tin u o u s   p iece wis e  f u n ctio n s   with   ju m p s   ev er y   d ay ,   o b tain ed   i n   o n e  d ay   th e   v alu e s     1 , 2 ,   , 1 ,   2 ,   1 , 2 ,   2 ,   3 ,   an d   3   ar e  co n s tan t,  s o   t h at  eq u atio n s   1 + 1 = 1 ,   2 + 1 = 2 , + 1 = , 1 + 1 = 1 , 2 + 1 = 2 , 1 + 1 = 1 , 2 + 1 = 2 ,   3 + 1 = 3 ,   an d   3 + 1 = 3   s atis f ies.   I n   th e  p r o ce s s   o f   p ar am eter   esti m atio n   with   ex ten d ed   Kalm an   f ilter ,   it  is   a  co m m o n   p r ac tice  to   in tr o d u ce   a d d itio n al  p a r am et er s   as  n ew  s tate  v ar iab les.   E q u atio n   ( 5 )   is   a  s y s tem   m o d el,   wh ile  th e   m ea s u r em en t m o d el  is :     = +     wh er e    is   th e  s y s tem   n o is e  in   th e  m ea s u r em en t  m o d el  wh i ch   is   n o r m ally   d is tr ib u ted   with   ze r o   m ea n   an d   co v ar ian ce   ℛ   o r   u s u ally   wr itten   v ~ ( 0 , ℛ ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 3 0 0 - 6 3 1 2   6306   T h e   C   m atr ix   f o llo ws  th e  av aila b le  d ata  wh ich   in clu d es  , 1 , 2 , , 1 , 2 , ,   an d   .   T h e  s to ch asti c  f ac to r   in   th e   f o r m   o f   n o is e  co n tain ed   in   th e  e q u atio n   is   g en e r ated   f r o m   a   n u m b er   o f   r an d o m   n u m b er s   f r o m   th e   co m p u ter   th r o u g h   th e  MA T L AB   p r o g r am .   T h e  n o is e  g en er ated   is   ass u m ed   to   h av e  a  n o r m al  d is tr ib u tio n   with   a  m ea n   o f   ze r o   wh ile  th e  n o is e  v ar ian ce   is   as s u m ed   to   b e  co n s tan t  at  ℚ   an d   ℛ .  B y   f o llo win g   th e  alg o r ith m   s tep s   in   s u b   s ec t io n   2 . 3 ,   esti m atio n   r esu lts   ar e  o b tain ed   wh ich   ca n   b e  s ee n   in   T ab le  1 .   Valid atin g   th e   co n s tr u cted   m o d el' s   ac cu r ac y   en tails   co m p ar in g   n u m er ical   s im u latio n   o u tco m es  with   ac tu al  d ata  o b tain ed   f r o m   th e  DKI   J ak a r ta  Hea lth   Ser v ice  f r o m   Feb r u ar y   0 5   t o   Ma y   05 ,   2 0 2 2 .   T h e  f o llo win g   is   a  g r ap h   co m p ar in g   th e  in f ec ted   p o p u latio n   f r o m   t h e  r esu lts   o f   th e  n u m er ical  s i m u latio n   with   th e  d ata  s h o wn   in   Fig u r e  2 .       T ab le  1 .   E s tim atio n   r esu lts   o f   s ev er al  p ar am eter s   with   th e  ex ten d ed   Kalm an   f ilter   ( E KF)   P a r a me t e r   D e scri p t i o n   R e s u l t   E K F   R e f e r e n c e s   1   Tr a n sm i ssi o n   r a t e   o f   t h e   o r i g i n a l   v i r u s   0 . 09717   Est i m a t i o n   2   Tr a n sm i ssi o n   r a t e   o f   t h e   o mi c r o n   v i r u s   0 . 1097   Est i m a t i o n     V a c c i n a t i o n   r a t e s   0 . 1053   Est i m a t i o n   1   A n t i b o d i e s   ma y   n o t   h a v e   b e e n   f o r me d   b y   v a c c i n e   r e c i p i e n t s a g a i n st   t h e   o r i g i n a l   v i r u s a f t e r   2 8   d a y s.   0 . 05   [ 1 7 ]   2   A n t i b o d i e s   ma y   n o t   h a v e   f o r m e d   i n   v a c c i n e   r e c i p i e n t s  a g a i n st   t h e   O mi c r o n   v i r u s a f t e r   2 8   d a y s.   0 . 33   [ 2 2 ]   1   Th e   r a t e   o f   c h a n g e   o f   i n d i v i d u a l   e x p o su r e s fr o m  1   t o   1   0 . 1052   Est i m a t i o n   2   Th e   r a t e   o f   c h a n g e   o f   i n d i v i d u a l   e x p o su r e s  2   t o   2   0 . 1053   Est i m a t i o n   1   R e c o v e r y   r a t e   o f   e a c h   c o mp a r t me n t   1   0 . 04659   Est i m a t i o n   2   R e c o v e r y   r a t e   o f   e a c h   c o mp a r t me n t   2   0 . 05587   Est i m a t i o n   3   R e c o v e r y   r a t e   o f   e a c h   c o mp a r t me n t     0 . 05134   Est i m a t i o n   3   i so l a t i o n   r a t e   0 . 659   Est i m a t i o n                       Fig u r e  2 .  C OVI D - 1 9   m o d el  s i m u latio n   m atch in g   g r ap h   with   r ea l d ata       3 . 3 .     Desig n o ptim a l c o ntr o l   I n   th is   s u b s ec tio n ,   we  will  b e  ap p ly in g   o p tim al  co n tr o l  tech n iq u es  to   th e  C OVI D - 1 9   m o d el  ( 3 ) .   T h e   o b jectiv e  o f   th is   o p tim al  co n tr o l  is   to   m in im ize  th e  p er f o r m an ce   in d ex   with   th e  g o al  o f   r ed u cin g   th e   p o p u latio n s   1 ( )   an d   2 ( ) ,   wh ich   is   f o r m u lated   as ( 6 ) ,     ( 1 , 2 , 3 ) = ∫ ( 1 ( ) + 2 ( ) + 1 2 1 1 2 ( ) + 1 2 2 2 2 ( ) + 1 2 3 3 2 ( ) ) 0    ( 6 )     with   1 , 2 ,   d a n   3   r esp ec tiv ely   ar e   t h e  weig h t   co n s tan ts   o f   th e   co n tr o l  v ar iab les  in   th e  f o r m   o f   co s ts   f o r   h ea lth   ed u ca tio n   ( 1 ) ,   v ac cin atio n   ( 2 ) ,   an d   is o latio n   ( 3 ) .    r ep r esen ts   th e  en d   tim e  o f   th e  o b s er v atio n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       Op tima l c o n tr o l str a teg ies b a s ed   o n   ex te n d ed   K a lma n   filt er in   ma th ema tica l   …   ( Dewi S u h ika )   6307   Ou r   p r im ar y   f o c u s   is   o n   id en ti f y in g   th e   o p tim al  co n tr o l  ( 1 ∗ , 2 ∗ , 3 ∗ )   s u ch   th at     ( 1 ∗ , 2 ∗ , 3 ∗ ) = 1 , 2 , 3 ∈ ( 1 , 2 , 3 )     wh er e  = { ( 1 , 2 , 3 ) | ( )   is   L e b e s q ue   me a s ura b l e   on   [ 0 , 1 ] , ( = 1 , 2 , 3 ) } .   B ased   o n   s y s tem   ( 3 )   an d   in d ex   p e r f o r m an ce   in   ( 6 ) ,   a  H am ilto n ian   f u n ctio n   ca n   b e  f o r m ed   as:     ℋ = ℋ ( ( ) , ( ) , ( ) ) = 1 + 2 + 1 2 1 1 2 ( ) + 1 2 2 2 2 ( ) + 1 2 3 3 2 ( ) + 1 ( Λ − ( 1 − 1 ( ) ) 1  − ( 1 − 1 ( ) ) 1 2 − ( 1 + 2 ( ) )  −  ) + 2 ( ( 1 − 1 ( ) ) 1 1 + ( 1 − 1 ) 1 1 1 − 1 1 − 1 ) + 4 ( ( 1 + 2 ( ) )  − ( 1 − 1 ( ) ) 1 1 1 − ( 1 − 1 ( ) ) 2 2 2 −    ) + 5 ( 1 1 − 3 ( ) 1 − 1 2 − 1   ) + 6 ( 2 2 − 3 ( ) 2 − 2 2 − 2 ) + 7 ( 3 ( ) 1 + 3 ( ) 2 − 3 −    ) + 8 ( 1 1 + 2 2 + 3 −    ) .      wh er e  ( ) = ( ( ) , 1 ( ) , 2 ( ) , ( ) , 1 ( ) , 2 ( ) , ( ) , ( ) )   is   s tate   s y s tem   ( 3 )   an d   , = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8   ar e  th e  ad jo in t  v ar iab les o r   co s tate  v ar iab le.   Th eo r em  1 .   Su p p o s e  g i v en   th e  s o lu tio n s   ( ) , 1 ( ) , 2 ( ) , ( ) , 1 ( ) , 2 ( ) , ( ) , ( )   o f   th e  s tate  s y s tem   ( 3 )   a n d   o p tim al   co n tr o l  p air s   ( 1 ∗ , 2 ∗ , 3 ∗ ) ,   th er e  e x is t  co s tate  v ar ia b les   , = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 ,   wh ich   f u lf ill   th e  f o llo win g   a d jo in t sy s tem :     ̇ 1 = ( 1 − 2 ) 1 1 ( 1 − ) ( 1 − 1 ) + ( 1 − 3 ) 2 2 ( 1 − ) ( 1 − 1 ) + ( 1 − 4 ) ( 1 + 2 ) + 1     ̇ 2 = ( 1 + ) 2 − 1 5     ̇ 3 = ( 2 + ) 3 − 2 6     ̇ 4 = ( 4 − 2 ) 1 1 1 ( 1 − ) ( 1 − 1 ) + ( 4 − 3 ) 2 2 2 ( 1 − ) ( 1 − 1 ) + 4     ̇ 5 = − 1 + ( 1 − 2 ) 1 ( 1 − 1 ) ( 1 − 1 ) + ( 4 − 2 ) 1 1 ( 1 − 1 ) ( 1 − 1 ) + 5 ( 3 + 1 + )     − 3 7 − 1 8     ̇ 6 = − 1 + ( 1 − 3 ) 2 ( 1 − 2 ) ( 1 − 1 ) + ( 4 − 3 ) 2 2 ( 1 − 2 ) ( 1 − 1 ) + 6 ( 3 + 2 + )     − 3 7 − 2 8     ̇ 7 = 7 ( 3 + ) − 3 8     ̇ 8 = 8 .     T h e   c o s t at e   e q u at i o n   s y s t e m   r e l a t e d   t o   t h e   o p ti m a l   c o n t r o l s   ( 1 ∗ , 2 ∗ , , 3 ∗ )   ∈   a n d   s a ti s f y i n g   t h e  t r a n s v e r s al i ty   c o n d i t i o n s   ( ) , = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 .   A s   a   r es u l t ,   t h e   o p ti m a l   c o n t r o ls   a r e   o b t a i n e d   as :     1 ∗ =  { 0 , { 1 , 1 1 ( ( 2 − 1 ) 1 1 + ( 3 − 1 ) 2 2 + ( 2 − 4 ) 1 1 1 + ( 3 − 4 ) 2 2 2 ) }   }     2 ∗ =  { 0 , { 1 ,  ( 1 − 4 ) 2 } }     3 ∗ =  { 0 , { 1 , ( 5 − 7 ) 1 + ( 6 − 7 ) 2 3 } } .     3 . 4 .     Resul t   o f   n um er ica l sim ula t io n   I n   th is   s u b s ec tio n ,   we  co n d u ct  n u m er ical  s im u latio n s   o n   m o d els  b o th   with o u t  an d   wit h   co n tr o l  m ea s u r es  to   illu s tr ate  th e   im p o r tan ce   o f   im p lem en tin g   c o n tr o l  s tr ateg ies.  Op tim al  c o n tr o l  s im u latio n   is   ca r r ied   o u t  u s in g   th e  f o r war d - b ac k war d   s wee p   alg o r ith m .   T h e  p ar am eter   v alu es  u s ed   in   t h e  s im u latio n   ar e  in   T ab le  1 .   T h e  weig h t  v alu es  u s ed   ar e  1 = 10 , 2 = 20 ,   an d   2 = 20   an d   o b s er v ati o n   tim e  0 ≤ ≤ 150   d ay s .   I n   th is   p a p er ,   t h r ee   c o n tr o l  s ce n ar io s   a n d   s ev e n   co n tr o l  s tr ateg ies  ar e  p r esen ted ,   en co m p ass in g   a   co m b in atio n   o f   h ea lth   ed u ca tio n   ( 1 ( ) ) ,   v ac cin atio n   ( 2 ( ) ) ,   an d   is o latio n   m ea s u r es  ( 3 ( ) ) .    −   S c e n a r i o   1   c o n s is ts   o f   s i n g l e  co n t r o l s ,   n a m e l y   s t r a t e g y   1   ( h e al t h   e d u c a ti o n   c o n t r o l ) ,   s t r a te g y   2   ( v a c c i n a ti o n ) ,   a n d   s t r a t e g y   3   ( is o l a ti o n ) .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   14 ,   No .   6 ,  Dec em b e r   20 24 :   6 3 0 0 - 6 3 1 2   6308   −   Scen ar io   2   co n s is ts   o f   d o u b le   co n tr o ls ,   th er e   ar e  s tr ateg y   4   ( co m b in ed   h ea lth   ed u ca tio n   an d   v ac cin atio n   co n tr o l) ,   s tr ateg y   5   ( h ea lth   e d u ca tio n   an d   is o latio n   c o n tr o l) ,   an d   s tr ateg y   6   ( v ac cin atio n   an d   is o latio n   co n tr o l) .     −   Scen ar io   3   is   s tr ateg y   7 ,   th r ee   co n tr o l in p u ts   o f   h ea lth   ed u ca t io n ,   v ac cin atio n ,   an d   is o latio n .   I n   Fig u r e  3 ,   co n tr o l  r e p r esen t s   th e  ch an g e  in   c o n tr o l  ∗   with   tim e.   No te  th at  in itially   th e  o p tim al  co n tr o l  1 ∗   ( h ea lth   ed u ca tio n )   ta k es  a  m ax im u m   v alu e  at  ∈ [ 0 . 65 ] ,   th en   at  tim e  ∈ [ 65 , 150 ]   th e  o p tim al  co n tr o l  v al u e  1 ∗   b eg in s   to   d ec r e ase  u n til  o n   d a y   1 5 0   we  o b tai n   φ   1 ∗ = 0 .   I n   o p tim al  c o n tr o l  2 ∗   ( v ac ci n atio n )   tak es  a  m ax im u m   v alu e  at  ∈ [ 0 . 5 ] ,   th en   at  tim e   ∈ [ 5 , 150 ]   th e  o p tim al  co n tr o l  v alu e  2 ∗   b eg in s   to   d ec r ea s e  u n til  d ay   1 5 0   we  o b tain   2 ∗ = 0 .   Me a n wh ile,   th e  o p tim al  co n tr o l  3 ∗   ( i s o latio n )   tak es  a  m a x im u m   v a lu e  at  ∈ [ 0 . 95 ] ,   th en   at  tim e  ∈ [ 95 , 150 ]   th e  o p tim al  co n tr o l  v alu e  3 ∗   b eg in s   to   d ec r ea s e  u n til  o n   d ay   1 5 0   we  o b tain   3 ∗ = 0 .   T h is   m ea n s   th at  in itial ly   th e  co n tr o l  ef f o r t  is   ca r r ied   o u t   in   f u ll,  th en   th e  co n tr o l  v alu e  d ec r ea s es   g r ad u ally   u n til th e  en d   o f   th e  o b s er v atio n   r ea ch es z er o .   T o   p er f o r m   a  co m p r eh e n s iv e  co m p ar is o n   o f   all  av ailab le  co n tr o l  s tr ateg ies,  an   im p o r ta n t   s tep   is   to   ca lcu late  th e  to tal  n u m b er   o f   in f ec ted   in d iv id u als  ( T I I )   as   well  as   th e  to tal  ca s es  av er t ed   ( T C A)   f o r   ea ch   s tr ateg y .   I n   o th er   wo r d s ,   it  is   n ec ess ar y   to   e v alu ate  th e   ef f ec tiv en ess   o f   ea ch   co n tr o l  s tr ateg y   to   ass ess   its   ab ilit y   to   r ed u ce   th e  n u m b er   o f   p eo p le  i n f ec ted   a n d   th e  n u m b er   o f   ca s es th at  ca n   b e  p r ev en ted .     = ∫ ( 1 ( ) + 2 ( ) ) 0    a n d   = ∫ ( ̂ 1 ( ) + ̂ 2 ( ) − ( 1 ( ) + 2 ( ) ) ) 0  ,      wh er e  ( ̂ 1 ( ) + ̂ 2 ( ) )   r ep r esen ts   th e   n u m b er   o f   in f ec ted   in d i v id u als  wi th o u t  co n tr o l   m ea s u r es,  ( 1 ( ) + 2 ( ) )   d en o te  th e  in f ec ted   in d iv id u als  with   co n tr o l  s tr ateg y   [ 4 ] .  T h e  o u tc o m es  o f   all  co m p u tatio n s   ar e  p r esen ted   in   T a b le  2 .   I n   s in g le  in p u t  co n tr o l  s ce n ar i o s ,   o n ly   is o latio n   co n tr o l  s h o wed   a  s ig n if ican t  r ed u ctio n   i n   th e  n u m b e r   o f   in f ec ted   i n d iv id u als  co m p ar ed   to   h ea lth   ed u ca tio n   an d   v ac cin atio n   co n tr o ls .   T h is   r ed u ctio n   o cc u r r e d   b ec au s e,   in   m o d el  ( 3 ) ,   is o latio n   co n tr o l  is   d ir ec tly   ap p lied   to   alr ea d y   in f ec ted   in d iv id u al s ,   th u s   ac ce ler atin g   th e  d ec r ea s e  in   th e  n u m b er   o f   in f ec ted   in d iv i d u als  as  s h o wn   in   Fig u r e  4 .   I n   t h e  d o u b le  in p u t  co n tr o l  s ce n a r io   in   Fig u r e  5 ,   co m b in in g   is o latio n   co n tr o l  with   o th er   s tr ateg ies,  s u ch   as  v ac cin atio n   o r   h ea lth   ed u ca tio n ,   h as  a   g r ea ter   p o s itiv e  im p ac t  in   r ed u cin g   th e  n u m b er   o f   in f ec ted   in d iv id u als.  Fu r th e r m o r e ,   th e  tr ip le  in p u t  co n tr o l   s ce n ar io   s h o wed   b etter   r esu lts   co m p ar e d   to   s in g le  an d   d o u b le  in p u t  c o n tr o ls ,   in d icatin g   th at  th e  co m b in atio n   o f   th ese  th r ee   s tr ateg ies  is   m o r e  ef f ec tiv e   in   co n tr o llin g   t h e  s p r ea d   o f   th e  v i r u s .   T h e   im p lem en tatio n   o f   th e  s ev en th   s tr ateg y ,   wh ich   in clu d es h ea lth   ed u ca tio n ,   v ac cin atio n ,   an d   is o latio n   co n tr o l,  h as p r o v en   s u cc ess f u l in   ad d r ess in g   th e  C OVI D - 1 9   p an d em ic,   r ed u cin g   th e   s p r ea d   o f   th e  v ir u s   an d   co s ts ,   as sh o wn   in   Fig u r e  6 .           Fig u r e  3 .   Op tim al  c o n tr o l  b y   i m p lem en tin g   h ea lth   ed u ca tio n ,   v ac cin atio n ,   an d   is o latio n   co n tr o ls       T h e  co m b in atio n   o f   th r ee   s tr ateg ies  ( h ea lth   e d u ca tio n ,   v ac ci n atio n ,   a n d   is o latio n )   in   d ea lin g   with   th e   C OVI D - 1 9   p an d e m ic  s h o ws  th e  h i g h est  ef f ec tiv e n ess ,   with   o n ly   3 , 4 1 7 , 1 0 9   in f ec te d   in d iv i d u als  an d   8 8 , 7 5 2 , 0 4 8   ca s es  av er ted ,   r e co r d in g   an   in f ec tio n   a v er ted   r atio   o f   9 6 . 3 0 %  a n d   a  p er f o r m an ce   in d e x   o f   3 , 4 1 7 , 5 1 0 .   T h is   s tr ateg y   is   s i g n if ican tly   s u p er io r   co m p ar e d   to   o th er s .   Fo r   in s tan ce ,   is o latio n   co n tr o l  alo n e   m an ag ed   to   r ed u ce   8 8 , 5 9 6 , 9 8 4   ca s es  with   an   av er ted   r at io   o f   9 6 . 1 3 %,  wh ile  th e  co m b in atio n   o f   h ea lth   ed u ca tio n   an d   is o latio n   ap p r o ac h es  a  s im ilar   e f f ec tiv en ess   with   9 6 . 2 8 %  ca s es  av e r ted .   M ea n wh ile,   th e   u s e  o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       Op tima l c o n tr o l str a teg ies b a s ed   o n   ex te n d ed   K a lma n   filt er in   ma th ema tica l   …   ( Dewi S u h ika )   6309   v ac cin atio n   alo n e  was  o n ly   ab le  to   av er t  1 3 . 0 4 %  o f   in f e ctio n s .   T h ese  r esu lts   in d icate   th at  an   in teg r ate d   ap p r o ac h   in v o lv in g   is o latio n ,   v ac cin atio n ,   an d   h ea lth   e d u c atio n ,   wh e n   im p lem e n ted   to g eth er ,   p r o v i d es  th e   m o s t  co m p r e h en s iv e  p r o tectio n   ag ain s t  th e  s p r ea d   o f   C OVI D - 1 9 ,   u n d e r lin in g   t h e   im p o r tan ce   o f   a   m u ltifa ce ted   s tr ateg y   in   p an d e m ic  r esp o n s e.         ( a)     ( b )     Fig u r e  4 .   Po p u latio n   d y n am ics   1 ( )   an d   2 ( )   b y   im p lem en tin g   s in g le  co n tr o l in p u t           ( a)   ( b )     Fig u r e  5 .   Po p u latio n   d y n am ics   1 ( )   an d   2 ( )   b y   im p lem en tin g   d o u b le   co n tr o l in p u t           ( a)   ( b )     Fig u r e  6 .  Po p u latio n   d y n am ics   1 ( )   an d   2 ( )   b y   im p lem en tin g   t h r ee   c o n tr o l in p u t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.