冠狀病毒傳播仿真器的原理和實現（Python版)

本文摘要：

本文首先會解釋一下到底什麼是"冠狀病毒"，以及殺死"冠狀病毒"的方法。然後會利用Python實現一個"冠狀病毒"傳播仿真器，來演示一下爲何“不出門“ +“瘋狂建醫院”會間接殺死病毒（動態模擬了從發生疫情，到疫情結束的整個過程）。以及如果控制不好，會有什麼後果（一定是很嚴重的）。

相信大家現在一定和我一樣，無比鬱悶。好不容易盼到過年了，買了一大堆好吃的，結果哪也去不了，只能在家消耗這些美食了。而且很多人宅在家裏的每一天都會做同一個偉大的計劃！！

那麼我們爲什麼不能出門呢？答案大家都已經知道了，這就是一種被稱爲“冠狀病毒”的東西在搗亂。據鍾南山院士和其他一些專家推測，這種“冠狀病毒”的潛伏期是14天左右，所以需要儘可能避免在14天內接觸更多的人。而宅在家裏是最好的選擇。不過這是頭一次放這麼長的假，而且還必須呆在家裏，也是相當鬱悶，恍惚間竟想起了猴哥，500年你是怎麼熬過來的呢！

下面就先來了解下到底什麼是冠狀病毒！

1. 什麼是冠狀病毒

如果詳細解釋什麼是冠狀病毒，先要從病毒講起，估計要寫一本書了，不過完全沒有必要。大家只要知道一點就好。病毒不是生物（類生物，有生物的部分特徵），不能獨立生存，需要依賴於宿主，也就是人體的細胞。換句話說，病毒需要攻擊人體的細胞才能生存。病毒可以利用細胞中的成分複製自身，從而達到繁殖的目的。如果受到感染的細胞過多，人體就會生病。

那麼"冠狀病毒"呢？當然也屬於病毒的一種，不過它不是普通的病毒。首先看看"冠狀病毒"的樣子，病毒表面有很多凸起的冠（看起來還挺漂亮的），所以稱爲"冠狀病毒"。

"冠狀病毒"除了外形上與普通病毒有差異，在本質上與普通病毒也是不同的。普通病毒通常都是DNA病毒，也就是雙螺旋結構。而"冠狀病毒"屬於RNA病毒，也就是單螺旋結構。雙螺旋結構的DNA病毒更穩定，不容易變異。但RNA病毒只有一個鏈，非常不穩定，容易變異。這纔是"冠狀病毒"的殺手鐗，通過變異抵抗人類的反擊。目前"冠狀病毒"是否變異，還很難說。

2. 如何殺死"冠狀病毒"

現在的問題是，如何殺死"冠狀病毒"。當然，最直接的方法是將"冠狀病毒"趕出細胞，或直接從細胞中清除，不過目前人類的技術還做不到這一點。這應該屬於比細胞醫學更高端的醫學：分子醫學或原子醫學。目前人類的科技水平甚至還沒完全達到細胞醫學的高度（最多0.7個細胞醫學），因爲癌症等細胞疾病還無法完全治癒。

既然病毒目前還無法直接殺死，那麼這麼多痊癒的病人是如何做到的呢？其實可以採用如下兩種方法間接殺死"冠狀病毒"，也包括其他大多數病毒。

利用人體內的抗體細胞（如T細胞），將被感染的細胞連同"冠狀病毒"一起消滅
干擾"冠狀病毒"在細胞內的複製過程（例如，RNA干擾），讓"冠狀病毒"無法正常複製自身，也就是讓"冠狀病毒"沒有後代，這樣"冠狀病毒"就會由於自身的生命終結而死亡。

目前絕大多數痊癒的病人屬於第一種情況，也就是通過自身的抗體細胞（如T細胞）檢測人體內被感染的細胞，然後通知這些被感染的細胞啓動自毀程序，當這些細胞被銷燬後，那麼病毒也就被消滅了。

不過可能有的同學會問，既然病毒可以被抗體細胞消滅，那麼這麼多醫護人員和醫療設備豈不是多餘了。其實並不是多於的，而是非常必要。這是因爲病毒在攻擊正常細胞的同時，也讓人體的抵抗力開始下降，人體內的抗體細胞是有限的，這些抗體細胞會到處救火，顧不上對付"冠狀病毒"了。正是由於這些醫療器械（如呼吸機），儘可能讓人體機能恢復到接近正常人的水平，這樣各種抗體細胞就可以集中力量對付"冠狀病毒"了。所以說，這些痊癒的病人其實是通過自身的抗體細胞消滅了"冠狀病毒"，而醫療器械、各種藥物，醫務人員的護理，其實是抗體細胞的援軍。另外，由於不同人的體質不同。極個別的個體，抗體細胞非常強大，造成了"冠狀病毒"無法快速複製（但仍然在複製，只是增速變慢），這也是爲什麼有的個體的潛伏期會超過14天的原因，但這畢竟是極少數。潛伏期是被病毒感染的細胞數量達到足以致病的時間（人體內如果只有少量的被病毒感染的細胞，是不會表現出任何症狀的）。

還有就是，爲什麼"冠狀病毒"感染者在發病時大多會有肺炎的症狀，而且伴隨着發燒呢？其實這就是抗體細胞在和"冠狀病毒"進行較量呢！進醫院隔離，是爲了增強抗體細胞對抗"冠狀病毒"的籌碼。不過由於一些人的抗體細胞的戰鬥力實在太差（可能有部分人是因爲年齡太大的原因），所以就算抗體細胞等來了援軍，也於事無補，這些就是已經死亡的被感染者（大多是60歲以上的老年人）。所以等疫情結束後，好好鍛鍊身體吧，擁有強壯的身體，不能保證你不得病，但至少可以增加得病後活下來的機率。

對於目前正在研發的抗"冠狀病毒"的藥物主要是通過第2種方式消滅病毒的。也就是干擾病毒的複製過程，不過很遺憾，到現在爲止，還沒有被證明非常有效的藥物可以做到這一點。

3. 對付"冠狀病毒"的手段

從生物學角度，我們已經瞭解了"冠狀病毒"的發病原理，但在現實中，如何操作呢？

其實對付"冠狀病毒"以及其他大多數病毒，基本上就是基於12個字：有症狀趕快治，沒症狀要隔離。這也是國際上通用的原則。

前6個字容易理解，有症狀了，就直接進醫院了。如果沒症狀呢？沒症狀有兩種情況：疑似和正常人。疑似主要是指與被感染者近距離接觸，或從外地來本地的人員（輸入者），由於"冠狀病毒"的潛伏期是14天左右，所以這些疑似者至少需要被隔離14天才會確定是否真的被感染。而正常人只要沒和被感染者近距離接觸，就不會被感染。這些人之所以也需要隔離，是因爲怕被別人感染。不過這裏的隔離通常是在自己的家中，不出門。通過隔離，可以大幅度減少病毒感染新的人羣，也就是讓存量不再增加或少增加。而還有很多被感染者，這些人就需要在醫院裏接受治療了。不過由於被感染者太多，所以武漢等地區快速建起了很多臨時醫院。這是用來減少存量的。當存量不但不會增加、而且在不斷減少，直到被感染者爲0，疑似者爲0時，疫情纔會徹底結束，這也是本文要介紹的病毒擴散仿真器的基本原理。

4. 用病毒擴散仿真器來演示病毒擴散和疫情結束的全過程

在實現這個仿真器之前，先來演示下這個仿真器。

仿真器可以對多個數據進行模擬，包括健康者人數、潛伏期人數、發病者人數、已經隔離的人數、已經死亡的人數、空餘牀位、繼續牀位、病毒傳播率、病毒潛伏期、醫院收治響應時間、醫院當前牀位、安全距離、平均流動意向。

啓動程序，會利用初始值進行模擬，初始發病人數爲50人，市民總數爲5000人。如下圖所示。
中間區域的若干個點表示各種狀態的市民。白色的表示健康市民、黃色表示潛伏期市民、紅色表示發病市民、黑色表示死亡的市民。右側的豎條表示醫院的牀位，初始值是100。如果用參數值進行模擬，100張牀位很快就會被填滿，然後病毒在人羣中就會大爆發，很快紅點就會遍佈人羣，如下圖所示

當前天數已經顯示過了31天（耽誤了一個月），感染者已經接近1000了，這時政府開始採取緊急措施。主要有兩個：封城和關閉娛樂場所、增加醫院的牀位。前者是爲了避免感染更多的人，後者是爲了消耗被感染者的存量。所以通過下面的設置來調整參數。例如，將流動意向調整爲-1.71。並且增加牀位323個。

這時總牀位數變成了423。這裏的流動意向在-3和3之間，如果是3，表示市民的活動意願非常強烈，例如，正好是春節時期，市民逛商場，聚會非常頻繁。流動意願越小，流動意願就越低。這裏調成-1.76，表示市民不能參加聚會、不能出城、出門需要戴口罩，但市民仍然可以在市內流動。流動意願遠低於春節正常的值。不過儘管政府採取了一定的措施，但由於是在疫情開始後一個月才採取了緊急措施，所以病毒已經擴散了，因此，疫情並沒有得到非常明顯的緩解。如下圖所示。主要表現爲市民仍然可以自由活動（儘管不能參加聚會），仍然存在一定的感染風險。而且醫院牀位明顯不足。

爲了更進一步控制疫情，政府開始封閉小區，更進一步限制人員的活動，以及軍方開始干預，派出了大量的醫護人員以及各種醫療設備，並且建立的多個方艙醫院。醫院牀位得到了很大的緩解。這裏將參數設置成最大值來模擬這一過程，增加牀位1200個，流動意向設置爲-3.0，也就是說基本上市民不流動了。如下圖所示。

這時看到牀位已經增加到了1623，比急需的牀位多了不少，而且人員趨於不流動，發病人數不斷減少（都被送進了醫院），而且潛伏期人數逐漸轉換爲發病人數，也被送進了醫院，最終，潛伏期人數和發病者人數都是0，疫情結束，如下圖所示。共耗費了60天。當然，實際情況沒這麼順利。仿真器可以立刻增加醫院牀位數，可以立刻隔離人員，但在實際操作中，建立醫院需要時間，隔離也需要協調，尤其是上千萬人的大城市。

不過只要能做到隔離和及時就醫，冠狀病毒疫情結束也只是時間問題。當然，這要在這兩點做的比較好的情況下，如果處理失當，那麼仿真器就會呈現下圖的狀態，完全失控，人類將面臨一場浩劫。

5. 病毒傳播仿真器的實現

現在來談談仿真器實現的原理。仿真器使用Python和PyQt5實現。PyQt5是封裝了Qt library的跨平臺GUI開發庫，基於Python語言。

這裏主要涉及到仿真器效果繪製，以及如何模擬多個參數。先來說一下繪製市民的狀態。繪製的工作通過drawing.py文件的Drawing類來完成。該類是QWidget的子類，這也就意味着Drawing類本身是PyQt5的一個組件。與按鈕、標籤類似。只是並不需要往Drawing上放置任何子組件。只要在Drawing上繪製各種圖形即可。

在PyQt5中，任何一個QWidget的子類，都可以實現一個paintEvent方法，當組件每次刷新時，就會調用paintEvent方法重新繪製組件的內容。Drawing類中paintEvent方法的代碼如下：

    def paintEvent(self, event):

        qp = QPainter()
        qp.begin(self)
        # 繪製城市的各種狀態的市民
        self.drawing(qp)
        qp.end()

在繪製圖像前，需要創建QPainter對象，然後調用QPainter對象的begin方法，結束繪製後，需要調用QPainter對象的end方法。上面代碼中的drawing方法用於完成具體的繪製工作。

仿真器可以模擬5000個市民的狀態，所以需要用5000個小矩形來表示這5000個市民。也就是在drawing方法中需要繪製這5000個表示市民的小矩形。代碼如下：

def drawing(self, event):
       ... ...
        # 繪製代表市民的小矩形
        persons = Persons().persons
        if persons == None:
            return
        normal_person_count = 0
        latency_person_count = 0
        confirmed_person_count = 0
        freeze_person_count = 0
        death_person_count = 0
              # 掃描內一個人的狀態
        for person in persons:
            if person.state == NORMAL:
                # 健康人
                qp.setPen(Qt.white)
                normal_person_count += 1
            elif person.state == LATENCY:
                # 潛伏期感染者
                qp.setPen(QColor(255,238,0))
                latency_person_count += 1
            elif person.state == CONFIRMED:
                # 確診患者
                qp.setPen(Qt.red)
                confirmed_person_count += 1
            elif person.state == FREEZE:
                # 已隔離者
                qp.setPen(QColor(72, 255, 252))
                freeze_person_count += 1
            elif person.state == DEATH:
                # 死亡患者
                qp.setPen(Qt.black)
                death_person_count += 1
            person.update()   # 更新每一個人的狀態
            bed_half_size = Hospital().bed_size // 2
            rect = QRect(person.x - bed_half_size, person.y - bed_half_size,Hospital().bed_size//2, Hospital().bed_size//2)
            brush = QBrush(Qt.SolidPattern)
            brush.setColor(qp.pen().color())

            qp.setBrush(brush)
            qp.drawRect(rect)
            ... ...

在上面的代碼中，通過 Persons對象的persons屬性獲取表示市民的對象（Person對象）列表。並在循環中根據Person對象的狀態設置小矩形的顏色，以及分別統計不同人羣的數量，這些數量會顯示在仿真器右側的組件中。最後，使用drawRect方法繪製表示每一個市民的小矩形。這樣就繪製了當前狀態的5000個市民。

當然，這些狀態要不斷更新。這裏使用線程每100毫秒刷新一次，這些功能在refresh.py文件的Refresh類中，代碼如下：

from PyQt5.QtCore import *
from params import  *

class Refresh(QThread):
    def __init__(self, drawing):
        super(Refresh, self).__init__()
        self.drawing = drawing
    def run(self):
        while not Params.success:
            try:
                QThread.msleep(100)
                # 刷新Drawing
                self.drawing.update()
                Params.current_time += 1
            except:
                pass

每次刷新Drawing，需要調用update方法，調用該方法後，Drawing就會調用自身的paintEvent方法重新繪製整個組件的內容。

在paintEvent方法中，還調用了Person對象的update方法，該方法是我們自己編寫的，用於不斷更新每一個人的狀態，這些狀態會根據多個參數進行協調。該方法屬於Person類，代碼如下：

    def update(self):
        # 如果已經隔離或者死亡了，就不需要處理了
        if self.state == FREEZE or self.state == DEATH:
            return
        # 處理已經確診的感染者（即患者）
        if self.state == CONFIRMED and self.dead_time == 0:
            destiny = random.randrange(1,10001)  # 幸運數字，[1,10000]隨機數
            if destiny >= 1 and destiny <= int(Params.fatality_rate * 10000):
                # 幸運數字落在死亡區間
                dt = int(sp.random.normal(Params.dead_time,Params.dead_variance))
                self.dead_time = self.confirmed_time + self.dead_time
            else:
                self.dead_time = -1   # 逃過了死神的魔爪

        if self.state == CONFIRMED and Params.current_time - self.confirmed_time >= Params.hospital_receive_time:
            # 如果患者已經確診，且（世界時刻-確診時刻）大於醫院響應時間，即醫院準備好病牀了，可以擡走了
            bed = Hospital().pick_bed()  # 查找空牀位
            if bed == None:
                # 沒有空牀位，報告需求牀位數
                if not self.need_bed:
                    Hospital().need_bed_count += 1
                    self.need_bed = True

            else:
                # 安置病人
                self.used_bed = bed
                self.state = FREEZE
                self.x = bed.x + Hospital().bed_size // 2
                self.y = bed.y +  Hospital().bed_size // 2
                if self.need_bed and Hospital().need_bed_count > 0:
                    Hospital().need_bed_count -= 1
                bed.is_empty = False
        # 處理病死者
        if (self.state == CONFIRMED or self.state == FREEZE) and Params.current_time >= self.dead_time and self.dead_time > 0:
            self.state = DEATH                          # 患者死亡
            personpool.Persons().latency_persons.remove(self)      # 已經死亡，無法傳染別人，需要從確診者中刪除
            Hospital().empty_bed(self.used_bed)         # 騰出牀位
            if Hospital().need_bed_count > 0:
                Hospital().need_bed_count -= 1

        # 增加一個正態分佈用於潛伏期內隨機發病時間
        latency_symptom_time = sp.random.normal(Params.virus_latency / 2,25)

        # 處理髮病的潛伏期感染者

        if Params.current_time - self.infected_time > latency_symptom_time and self.state == LATENCY:
            self.state = CONFIRMED                                  # 潛伏者發病
            self.confirmed_time = Params.current_time              # 刷新確診時間
        # 處理未隔離者的移動問題
        self.action()
        # 處理健康人被感染的問題
        persons = personpool.Persons().persons

        # 不是健康人，返回
        if self.state >= LATENCY:
            return
        # 通過一個隨機幸運值和安全距離決定感染其他人
        latency_persons = personpool.Persons().latency_persons.copy()
        for person in latency_persons:
            random_value = random.random()
            if random_value < Params.broad_rate and self.distance(person) < Params.safe_distance:
                self.be_infected()
                break

update方法主要就是根據在params.py中的各種參數變量，以及隨機值，計算下一次狀態中潛伏期人數、感染人數、被隔離人數等數據，並且在每次刷新頁面時更新這些數據。

以上的描述就是如何繪製表示5000個市民的狀態。右側各種數據並不是繪製在頁面上的，而是通過QtDesigner設計的右側的界面，然後將Drawing對象作爲標準的組件放在了主界面的左側。設計界面如下圖所示：

然後通過pyuic將.ui文件生成.py文件，在程序中調用即可。這些組件的更新同樣是在前面給出的drawing方法中。

另外，這個仿真器還提供了動態設置參數的功能。這是通過另外一個程序實現的，兩個程序通過socket通訊。這個設置程序同樣是通過QtDesigner設計的，設計界面如下圖所示。

在設置程序中，通過Transmission類的send_command方法向仿真器發佈命令，例如，更新牀位數的代碼如下：

from PyQt5.QtWidgets import *
from socket import *
class Transmission:
    def __init__(self,ui):
        self.ui = ui
        self.host = 'localhost'
        self.port = 5678
        self.addr = (self.host, self.port)
      # 向仿真器發佈命令
    def send_command(self, command, value = None):
        tcp_client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
        tcp_client_socket.connect(self.addr)
        if value == None:
            value = 0
        data = command + ':' + str(value)
        tcp_client_socket.send(('%s\r\n' % data).encode(encoding='utf-8'))
        data = tcp_client_socket.recv(1024)
        result = data.decode('utf-8').strip()
        tcp_client_socket.close()
        return result
     # 更新牀位數
    def update_bed_count(self):
        print(self.ui.horizontalSliderBedCount.value())
        result = self.send_command('add_bed_count',self.ui.horizontalSliderBedCount.value())
        if result == 'ok':
            QMessageBox.information(self.ui.centralwidget, '消息', f'成功添加了{self.ui.horizontalSliderBedCount.value()}張牀位', QMessageBox.Ok)

在仿真器端，通過Receiver以及TCPServer來接收設置程序發過來的命令，如果成功設置，返回ok。Receiver類以及相關的代碼如下：

from socketserver import (TCPServer as TCP,StreamRequestHandler as SRH)
from common import *
from params import *
from hospital import *
from PyQt5.QtCore import *
import sys
# 響應客戶端請求事件的類
class MyRequestHandler(SRH):
    def handle(self):
       # 讀取客戶端發送的數據
        data = str(self.rfile.readline(),'utf-8')
        index = data.find(':')
        command = data[:index]
        value = data[index + 1:]
        value = int(value)
             # 執行具體的命令
        if command == 'add_bed_count':
            Params.hospital_bed_count +=  value
            Hospital().free_bed_count = Hospital().free_bed_count + value
            Hospital().compute(value)
        elif command == 'set_flow_intention':
            Params.average_flow_intention = value / 100
        elif command == 'set_broad_rate':
            Params.broad_rate = value / 100
        elif command == 'set_latency':
            Params.virus_latency = value * 10
        elif command == 'close':
            Params.app.quit()
        self.wfile.write(b'ok\r\n')

# 在線程中監聽客戶端的請求
class Receiver(QThread):
    tcp_server = None
    def __init__(self):
        super(Receiver,self).__init__()
        self.host = ''
        self.port = 5678
        self.addr = (self.host,self.port)
        Receiver.tcp_server = TCP(self.addr, MyRequestHandler)

    def run(self):
        Receiver.tcp_server.serve_forever()

以上就是這個病毒傳播仿真器的基本實現方法，其中涉及到了大量PyQt5的知識，如果大家想詳細瞭解PyQt5技術，可以參考我的《PyQt5（Python）開發與實戰視頻課程》課程。另外，《冠狀病毒傳播仿真器的原理和實現（Python版)》視頻課程即將推出，歡迎關注。

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關注“極客起源”公衆號獲得而技術支持

《Python爬蟲技術：深入理解原理、技術與開發》已經出版

冠狀病毒傳播仿真器的原理和實現（Python版)

1. 什麼是冠狀病毒

2. 如何殺死"冠狀病毒"

3. 對付"冠狀病毒"的手段

4. 用病毒擴散仿真器來演示病毒擴散和疫情結束的全過程

5. 病毒傳播仿真器的實現

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