冠狀病毒傳播仿真器的原理和實現（Python版)

摘要：本文首先會解釋一下到底什么是"冠狀病毒"，以及殺死"冠狀病毒"的方法。然后會利用Python實現一個"冠狀病毒"傳播仿真器，來演示一下為何“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，會有什么后果（一定是很嚴重的）。

????相信大家現在一定和我一樣，無比郁悶。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。而且很多人宅在家里的每一天都會做同一個偉大的計劃！！

????那么我們為什么不能出門呢？答案大家都已經知道了，這就是一種被稱為“冠狀病毒”的東西在搗亂。據鐘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，所以需要盡可能避免在14天內接觸更多的人。而宅在家里是最好的選擇。不過這是頭一次放這么長的假，而且還必須呆在家里，也是相當郁悶，恍惚間竟想起了猴哥，500年你是怎么熬過來的呢！

下面就先來了解下到底什么是冠狀病毒！

1. 什么是冠狀病毒

????如果詳細解釋什么是冠狀病毒，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，有生物的部分特征），不能獨立生存，需要依賴于宿主，也就是人體的細胞。換句話說，病毒需要***人體的細胞才能生存。病毒可以利用細胞中的成分復制自身，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。

????那么"冠狀病毒"呢？當然也屬于病毒的一種，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），所以稱為"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"屬于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。這才是"冠狀病毒"的殺手锏，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。這應該屬于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），因為癌癥等細胞疾病還無法完全治愈。

????既然病毒目前還無法直接殺死，那么這么多痊愈的病人是如何做到的呢？其實可以采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。

1.? 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

2. 干擾"冠狀病毒"在細胞內的復制過程（例如，RNA干擾），讓"冠狀病毒"無法正常復制自身，也就是讓"冠狀病毒"沒有后代，這樣"冠狀病毒"就會由于自身的生命終結而死亡。

????目前絕大多數痊愈的病人屬于第一種情況，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，然后通知這些被感染的細胞啟動自毀程序，當這些細胞被銷毀后，那么病毒也就被消滅了。

????不過可能有的同學會問，既然病毒可以被抗體細胞消滅，那么這么多醫護人員和醫療設備豈不是多余了。其實并不是多于的，而是非常必要。這是因為病毒在***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。正是由于這些醫療器械（如呼吸機），盡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，這些痊愈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，由于不同人的體質不同。極個別的個體，抗體細胞非常強大，造成了"冠狀病毒"無法快速復制（但仍然在復制，只是增速變慢），這也是為什么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，是不會表現出任何癥狀的）。

????還有就是，為什么"冠狀病毒"感染者在發病時大多會有肺炎的癥狀，而且伴隨著發燒呢？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，是為了增強抗體細胞對抗"冠狀病毒"的籌碼。不過由于一些人的抗體細胞的戰斗力實在太差（可能有部分人是因為年齡太大的原因），所以就算抗體細胞等來了援軍，也于事無補，這些就是已經死亡的被感染者（大多是60歲以上的老年人）。所以等疫情結束后，好好鍛煉身體吧，擁有強壯的身體，不能保證你不得病，但至少可以增加得病后活下來的幾率。

對于目前正在研發的抗"冠狀病毒"的藥物主要是通過第2種方式消滅病毒的。也就是干擾病毒的復制過程，不過很遺憾，到現在為止，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，我們已經了解了"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，基本上就是基于12個字： 有癥狀趕快治，沒癥狀要隔離。這也是國際上通用的原則。

????前6個字容易理解，有癥狀了，就直接進醫院了。如果沒癥狀呢？沒癥狀有兩種情況：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），由于"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，是因為怕被別人感染。不過這里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群，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里接受治療了。不過由于被感染者太多，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，直到被感染者為0，疑似者為0時，疫情才會徹底結束，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、空余床位、繼續床位、病毒傳播率、病毒潛伏期、醫院收治響應時間、醫院當前床位、安全距離、平均流動意向。

????啟動程序，會利用初始值進行模擬，初始發病人數為50人，市民總數為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床位，初始值是100。如果用參數值進行模擬，100張床位很快就會被填滿，然后病毒在人群中就會大爆發，很快紅點就會遍布人群，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，這時政府開始采取緊急措施。主要有兩個：封城和關閉娛樂場所、增加醫院的床位。前者是為了避免感染更多的人，后者是為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，將流動意向調整為-1.71。并且增加床位323個。

????這時總床位數變成了423。這里的流動意向在-3和3之間，如果是3，表示市民的活動意愿非常強烈，例如，正好是春節時期，市民逛商場，聚會非常頻繁。流動意愿越小，流動意愿就越低。這里調成-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。 流動意愿遠低于春節正常的值。不過盡管政府采取了一定的措施，但由于是在疫情開始后一個月才采取了緊急措施，所以病毒已經擴散了，因此，疫情并沒有得到非常明顯的緩解。如下圖所示。 主要表現為市民仍然可以自由活動（盡管不能參加聚會），仍然存在一定的感染風險。 而且醫院床位明顯不足。

????為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，并且建立的多個方艙醫院。醫院床位得到了很大的緩解。這里將參數設置成最大值來模擬這一過程，增加床位1200個，流動意向設置為-3.0，也就是說基本上市民不流動了。如下圖所示。

????這時看到床位已經增加到了1623，比急需的床位多了不少，而且人員趨于不流動，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為發病人數，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，實際情況沒這么順利。仿真器可以立刻增加醫院床位數，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，那么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，基于Python語言。

????這里主要涉及到仿真器效果繪制，以及如何模擬多個參數。先來說一下繪制市民的狀態。繪制的工作通過drawing.py文件的Drawing類來完成。該類是QWidget的子類，這也就意味著Drawing類本身是PyQt5的一個組件。與按鈕、標簽類似。只是并不需要往Drawing上放置任何子組件。只要在Drawing上繪制各種圖形即可。

????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方法重新繪制組件的內容。Drawing類中paintEvent方法的代碼如下：

????def?paintEvent(self,?event):
????????qp?=?QPainter()
????????qp.begin(self)
????????#?繪制城市的各種狀態的市民
????????self.drawing(qp)
????????qp.end()

????在繪制圖像前，需要創建QPainter對象，然后調用QPainter對象的begin方法，結束繪制后，需要調用QPainter對象的end方法。上面代碼中的drawing方法用于完成具體的繪制工作。

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方法中需要繪制這5000個表示市民的小矩形。代碼如下：

def?drawing(self,?event):
???????...?...
????????#?繪制代表市民的小矩形
????????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。并在循環中根據Person對象的狀態設置小矩形的顏色，以及分別統計不同人群的數量，這些數量會顯示在仿真器右側的組件中。最后，使用drawRect方法繪制表示每一個市民的小矩形。這樣就繪制了當前狀態的5000個市民。

????當然，這些狀態要不斷更新。這里使用線程每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，調用該方法后，Drawing就會調用自身的paintEvent方法重新繪制整個組件的內容。

????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，用于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。該方法屬于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）大于醫院響應時間，即醫院準備好病床了，可以抬走了
????????????bed?=?Hospital().pick_bed()??#?查找空床位
????????????if?bed?==?None:
????????????????#?沒有空床位，報告需求床位數
????????????????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)?????????#?騰出床位
????????????if?Hospital().need_bed_count?>?0:
????????????????Hospital().need_bed_count?-=?1

????????#?增加一個正態分布用于潛伏期內隨機發病時間
????????latency_symptom_time?=?sp.random.normal(Params.virus_latency?/?2,25)

????????#?處理發病的潛伏期感染者

????????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，并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制表示5000個市民的狀態。右側各種數據并不是繪制在頁面上的，而是通過QtDesigner設計的右側的界面，然后將Drawing對象作為標準的組件放在了主界面的左側。設計界面如下圖所示：

????然后通過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方法向仿真器發布命令，例如，更新床位數的代碼如下：

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)
??????#?向仿真器發布命令
????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
?????#?更新床位數
????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()}張床位',?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：

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，如果大家想詳細了解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。

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()

個人簡介

李寧，沈陽歐瑞科技創始人，寧哥教育創始人，暢銷書作家，51CTO金牌講師，企業內訓講師，擁有超過20年軟件開發和培訓經驗。曾經出版超過40本IT暢銷書，代表作有《Python爬蟲技術：深入理解原理、技術與開發》、《Python從菜鳥到高手》，制作視頻課程超過1000小時，擁有學員和讀者數百萬。 主要使用的技術包括Python、Go、JavaScript、Java、Flutter等。目前正在帶領團隊開發超平臺開發工具UnityMarvey，使用自研發的Ori語言，可以同時跨操作系統、數據庫、云平臺等多個平臺，通過超布局技術實現可視化UI設計，支持客戶端服務端一體化技術。