隔離檢測(cè)、旅行限制、啟用定點(diǎn)醫(yī)院、發(fā)放防疫物資……當(dāng)一場(chǎng)大流行病突如其來(lái)時(shí)，如何精準(zhǔn)把握這些防控政策的時(shí)度效，最大程度減少各項(xiàng)損失?傳染病仿真系統(tǒng)正逐漸成為一個(gè)重要工具，引起各國(guó)重視。

作為一種常見(jiàn)研究手段，仿真在諸多科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的簡(jiǎn)化，它可以解釋數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)行動(dòng)。當(dāng)傳染病暴發(fā)時(shí)，我們也能基于各項(xiàng)數(shù)據(jù)建模，估算出它的傳染速度、危險(xiǎn)程度等，為開(kāi)展應(yīng)急處置策略提供依據(jù)，對(duì)干預(yù)措施開(kāi)展成本效益分析。早在1927年，傳染病學(xué)領(lǐng)域就提出了經(jīng)典的“倉(cāng)室模型”，基于數(shù)學(xué)邏輯方法和語(yǔ)言，根據(jù)是否感染、康復(fù)等標(biāo)準(zhǔn)，將不同類(lèi)型的人群分為不同“倉(cāng)室”，針對(duì)人群在不同倉(cāng)室間的轉(zhuǎn)移概率，使用微分方程來(lái)建模求解，進(jìn)而完成相關(guān)估計(jì)和預(yù)測(cè)。

不過(guò)，現(xiàn)實(shí)情況往往比模型復(fù)雜得多?？v觀人類(lèi)發(fā)展史，可以說(shuō)是一部人類(lèi)與傳染病做斗爭(zhēng)的歷史。城鎮(zhèn)化加快、國(guó)際經(jīng)貿(mào)發(fā)展、社會(huì)交往增加等，使傳染病傳播的速度更快、范圍更廣、危害也更大，迫切需要對(duì)其進(jìn)行更加精確的模擬。

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，海量數(shù)據(jù)得到收集與儲(chǔ)存，計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力不斷提高，“基于個(gè)體模型”應(yīng)運(yùn)而生。與“倉(cāng)室模型”將人群粗分為幾大類(lèi)不同，這是結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)世界的一個(gè)“仿真建模”，如同為真實(shí)世界打造一個(gè)沙盤(pán)。它將每個(gè)人視為獨(dú)立的對(duì)象，通過(guò)模擬微觀層面的個(gè)體行為，例如人與人或環(huán)境之間的接觸、感染后的病程等，自下而上地對(duì)宏觀層面的復(fù)雜動(dòng)態(tài)進(jìn)行詮釋?zhuān)蒲莩鱿到y(tǒng)的宏觀結(jié)果。

除了透視當(dāng)下復(fù)雜動(dòng)態(tài)，仿真模型還可以把時(shí)鐘調(diào)撥到過(guò)去或未來(lái)，通過(guò)復(fù)盤(pán)已發(fā)生事件來(lái)溯源問(wèn)題癥結(jié)，或者通過(guò)預(yù)判即將發(fā)生的事情來(lái)防患于未然。比如，可依據(jù)真實(shí)的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)生成虛擬城市，模擬病毒在城市中的傳播，仿真出停工、停學(xué)、擴(kuò)大社交距離等各項(xiàng)手段的效果，為科學(xué)施策提供依據(jù)。

沙盤(pán)越逼真，提供的防控建議越可靠。因此，基于個(gè)體的仿真模型要真正發(fā)揮效果，提高仿真質(zhì)量是關(guān)鍵。疫情分析系統(tǒng)主要由模型和數(shù)據(jù)兩部分組成。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，除了關(guān)注分析模型外，科學(xué)家們?cè)絹?lái)越重視數(shù)據(jù)真?zhèn)?、精度、可信度等?wèn)題，通過(guò)利用多源信息融合等技術(shù)去粗取精、去偽存真，為模型輸入更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

對(duì)全球性流行病建模，國(guó)際科學(xué)合作尤為重要。進(jìn)行全球范圍的疫情仿真，需要各國(guó)積極分享感染率、海陸空交通流量等信息，為跨國(guó)旅行的模擬及限流措施的制定提供更全面的數(shù)據(jù)。不同國(guó)家在制定自身防控政策時(shí)也可以參考使用仿真系統(tǒng)。目前，我們團(tuán)隊(duì)的建模研究成果已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織的新冠肺炎疫情數(shù)據(jù)庫(kù)收錄，為支持全球抗疫工作貢獻(xiàn)了中國(guó)智慧。

(吳琳王飛作者單位：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所)

關(guān)鍵詞： 仿真 科學(xué)領(lǐng)域