冠状病毒传播仿真器的原理和实现（Python版)【附源代码】
银河使者 人气:0本文摘要：
本文首先会解释一下到底什么是"冠状病毒"，以及杀死"冠状病毒"的方法。然后会利用Python实现一个"冠状病毒"传播仿真器，来演示一下为何“不出门“ +“疯狂建医院”会间接杀死病毒（动态模拟了从发生疫情，到疫情结束的整个过程）。以及如果控制不好，会有什么后果（一定是很严重的）。
相信大家现在一定和我一样，无比郁闷。好不容易盼到过年了，买了一大堆好吃的，结果哪也去不了，只能在家消耗这些美食了。而且很多人宅在家里的每一天都会做同一个伟大的计划！！
那么我们为什么不能出门呢？答案大家都已经知道了，这就是一种被称为“冠状病毒”的东西在捣乱。据钟南山院士和其他一些专家推测，这种“冠状病毒”的潜伏期是14天左右，所以需要尽可能避免在14天内接触更多的人。而宅在家里是最好的选择。不过这是头一次放这么长的假，而且还必须呆在家里，也是相当郁闷，恍惚间竟想起了猴哥，500年你是怎么熬过来的呢！
下面就先来了解下到底什么是冠状病毒！
1. 什么是冠状病毒
如果详细解释什么是冠状病毒，先要从病毒讲起，估计要写一本书了，不过完全没有必要。大家只要知道一点就好。病毒不是生物（类生物，有生物的部分特征），不能独立生存，需要依赖于宿主，也就是人体的细胞。换句话说，病毒需要攻击人体的细胞才能生存。病毒可以利用细胞中的成分复制自身，从而达到繁殖的目的。如果受到感染的细胞过多，人体就会生病。
那么"冠状病毒"呢？当然也属于病毒的一种，不过它不是普通的病毒。首先看看"冠状病毒"的样子，病毒表面有很多凸起的冠（看起来还挺漂亮的），所以称为"冠状病毒"。
"冠状病毒"除了外形上与普通病毒有差异，在本质上与普通病毒也是不同的。普通病毒通常都是DNA病毒，也就是双螺旋结构。而"冠状病毒"属于RNA病毒，也就是单螺旋结构。双螺旋结构的DNA病毒更稳定，不容易变异。但RNA病毒只有一个链，非常不稳定，容易变异。这才是"冠状病毒"的杀手锏，通过变异抵抗人类的反击。目前"冠状病毒"是否变异，还很难说。
2. 如何杀死"冠状病毒"
现在的问题是，如何杀死"冠状病毒"。当然，最直接的方法是将"冠状病毒"赶出细胞，或直接从细胞中清除，不过目前人类的技术还做不到这一点。这应该属于比细胞医学更高端的医学：分子医学或原子医学。目前人类的科技水平甚至还没完全达到细胞医学的高度（最多0.7个细胞医学），因为癌症等细胞疾病还无法完全治愈。
既然病毒目前还无法直接杀死，那么这么多痊愈的病人是如何做到的呢？其实可以采用如下两种方法间接杀死"冠状病毒"，也包括其他大多数病毒。
1. 利用人体内的抗体细胞（如T细胞），将被感染的细胞连同"冠状病毒"一起消灭
2. 干扰"冠状病毒"在细胞内的复制过程（例如，RNA干扰），让"冠状病毒"无法正常复制自身，也就是让"冠状病毒"没有后代，这样"冠状病毒"就会由于自身的生命终结而死亡。
目前绝大多数痊愈的病人属于第一种情况，也就是通过自身的抗体细胞（如T细胞）检测人体内被感染的细胞，然后通知这些被感染的细胞启动自毁程序，当这些细胞被销毁后，那么病毒也就被消灭了。
不过可能有的同学会问，既然病毒可以被抗体细胞消灭，那么这么多医护人员和医疗设备岂不是多余了。其实并不是多于的，而是非常必要。这是因为病毒在攻击正常细胞的同时，也让人体的抵抗力开始下降，人体内的抗体细胞是有限的，这些抗体细胞会到处救火，顾不上对付"冠状病毒"了。正是由于这些医疗器械（如呼吸机），尽可能让人体机能恢复到接近正常人的水平，这样各种抗体细胞就可以集中力量对付"冠状病毒"了。所以说，这些痊愈的病人其实是通过自身的抗体细胞消灭了"冠状病毒"，而医疗器械、各种药物，医务人员的护理，其实是抗体细胞的援军。另外，由于不同人的体质不同。极个别的个体，抗体细胞非常强大，造成了"冠状病毒"无法快速复制（但仍然在复制，只是增速变慢），这也是为什么有的个体的潜伏期会超过14天的原因，但这毕竟是极少数。潜伏期是被病毒感染的细胞数量达到足以致病的时间（人体内如果只有少量的被病毒感染的细胞，是不会表现出任何症状的）。
还有就是，为什么"冠状病毒"感染者在发病时大多会有肺炎的症状，而且伴随着发烧呢？其实这就是抗体细胞在和"冠状病毒"进行较量呢！进医院隔离，是为了增强抗体细胞对抗"冠状病毒"的筹码。不过由于一些人的抗体细胞的战斗力实在太差（可能有部分人是因为年龄太大的原因），所以就算抗体细胞等来了援军，也于事无补，这些就是已经死亡的被感染者（大多是60岁以上的老年人）。所以等疫情结束后，好好锻炼身体吧，拥有强壮的身体，不能保证你不得病，但至少可以增加得病后活下来的几率。
对于目前正在研发的抗"冠状病毒"的药物主要是通过第2种方式消灭病毒的。也就是干扰病毒的复制过程，不过很遗憾，到现在为止，还没有被证明非常有效的药物可以做到这一点。
3. 对付"冠状病毒"的手段
从生物学角度，我们已经了解了"冠状病毒"的发病原理，但在现实中，如何操作呢？
其实对付"冠状病毒"以及其他大多数病毒，基本上就是基于12个字： 有症状赶快治，没症状要隔离。这也是国际上通用的原则。
前6个字容易理解，有症状了，就直接进医院了。如果没症状呢？没症状有两种情况：疑似和正常人。疑似主要是指与被感染者近距离接触，或从外地来本地的人员（输入者），由于"冠状病毒"的潜伏期是14天左右，所以这些疑似者至少需要被隔离14天才会确定是否真的被感染。而正常人只要没和被感染者近距离接触，就不会被感染。这些人之所以也需要隔离，是因为怕被别人感染。不过这里的隔离通常是在自己的家中，不出门。通过隔离，可以大幅度减少病毒感染新的人群，也就是让存量不再增加或少增加。而还有很多被感染者，这些人就需要在医院里接受治疗了。不过由于被感染者太多，所以武汉等地区快速建起了很多临时医院。 这是用来减少存量的。 当存量不但不会增加、而且在不断减少，直到被感染者为0，疑似者为0时，疫情才会彻底结束，这也是本文要介绍的病毒扩散仿真器的基本原理。
4. 用病毒扩散仿真器来演示病毒扩散和疫情结束的全过程
在实现这个仿真器之前，先来演示下这个仿真器。
仿真器可以对多个数据进行模拟，包括健康者人数、潜伏期人数、发病者人数、已经隔离的人数、已经死亡的人数、空余床位、继续床位、病毒传播率、病毒潜伏期、医院收治响应时间、医院当前床位、安全距离、平均流动意向。
启动程序，会利用初始值进行模拟，初始发病人数为50人，市民总数为5000人。如下图所示。
中间区域的若干个点表示各种状态的市民。白色的表示健康市民、黄色表示潜伏期市民、红色表示发病市民、黑色表示死亡的市民。右侧的竖条表示医院的床位，初始值是100。如果用参数值进行模拟，100张床位很快就会被填满，然后病毒在人群中就会大爆发，很快红点就会遍布人群，如下图所示
当前天数已经显示过了31天（耽误了一个月），感染者已经接近1000了，这时政府开始采取紧急措施。主要有两个：封城和关闭娱乐场所、增加医院的床位。前者是为了避免感染更多的人，后者是为了消耗被感染者的存量。所以通过下面的设置来调整参数。例如，将流动意向调整为-1.71。并且增加床位323个。
这时总床位数变成了423。这里的流动意向在-3和3之间，如果是3，表示市民的活动意愿非常强烈，例如，正好是春节时期，市民逛商场，聚会非常频繁。流动意愿越小，流动意愿就越低。这里调成-1.76，表示市民不能参加聚会、不能出城、出门需要戴口罩，但市民仍然可以在市内流动。 流动意愿远低于春节正常的值。不过尽管政府采取了一定的措施，但由于是在疫情开始后一个月才采取了紧急措施，所以病毒已经扩散了，因此，疫情并没有得到非常明显的缓解。如下图所示。 主要表现为市民仍然可以自由活动（尽管不能参加聚会），仍然存在一定的感染风险。 而且医院床位明显不足。
为了更进一步控制疫情，政府开始封闭小区，更进一步限制人员的活动，以及军方开始干预，派出了大量的医护人员以及各种医疗设备，并且建立的多个方舱医院。医院床位得到了很大的缓解。这里将参数设置成最大值来模拟这一过程，增加床位1200个，流动意向设置为-3.0，也就是说基本上市民不流动了。如下图所示。
这时看到床位已经增加到了1623，比急需的床位多了不少，而且人员趋于不流动，发病人数不断减少（都被送进了医院），而且潜伏期人数逐渐转换为发病人数，也被送进了医院，最终，潜伏期人数和发病者人数都是0，疫情结束，如下图所示。共耗费了60天。当然，实际情况没这么顺利。仿真器可以立刻增加医院床位数，可以立刻隔离人员，但在实际操作中，建立医院需要时间，隔离也需要协调，尤其是上千万人的大城市。
不过只要能做到隔离和及时就医，冠状病毒疫情结束也只是时间问题。当然，这要在这两点做的比较好的情况下，如果处理失当，那么仿真器就会呈现下图的状态，完全失控，人类将面临一场浩劫。
5. 病毒传播仿真器的实现
现在来谈谈仿真器实现的原理。仿真器使用Python和PyQt5实现。PyQt5是封装了Qt library的跨平台GUI开发库，基于Python语言。
这里主要涉及到仿真器效果绘制，以及如何模拟多个参数。先来说一下绘制市民的状态。绘制的工作通过drawing.py文件的Drawing类来完成。该类是QWidget的子类，这也就意味着Drawing类本身是PyQt5的一个组件。与按钮、标签类似。只是并不需要往Drawing上放置任何子组件。只要在Drawing上绘制各种图形即可。
在PyQt5中，任何一个QWidget的子类，都可以实现一个paintEvent方法，当组件每次刷新时，就会调用paintEvent方法重新绘制组件的内容。Drawing类中paintEvent方法的代码如下：
def paintEvent(self, event):
qp = QPainter()
qp.begin(self)
# 绘制城市的各种状态的市民
self.drawing(qp)
qp.end()
在绘制图像前，需要创建QPainter对象，然后调用QPainter对象的begin方法，结束绘制后，需要调用QPainter对象的end方法。上面代码中的drawing方法用于完成具体的绘制工作。
仿真器可以模拟5000个市民的状态，所以需要用5000个小矩形来表示这5000个市民。也就是在drawing方法中需要绘制这5000个表示市民的小矩形。代码如下：
def drawing(self, event):
... ...
# 绘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
# 扫描内一个人的状态
for person in persons:
if person.state == NORMAL:
# 健康人
qp.setPen(Qt.white)
normal_person_count += 1
elif person.state == LATENCY:
# 潜伏期感染者
qp.setPen(QColor(255,238,0))
latency_person_count += 1
elif person.state == CONFIRMED:
# 确诊患者
qp.setPen(Qt.red)
confirmed_person_count += 1
elif person.state == FREEZE:
# 已隔离者
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() # 更新每一个人的状态
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)
... ...
在上面的代码中，通过 Persons对象的persons属性获取表示市民的对象（Person对象）列表。并在循环中根据Person对象的状态设置小矩形的颜色，以及分别统计不同人群的数量，这些数量会显示在仿真器右侧的组件中。最后，使用drawRect方法绘制表示每一个市民的小矩形。这样就绘制了当前状态的5000个市民。
当然，这些状态要不断更新。这里使用线程每100毫秒刷新一次，这些功能在refresh.py文件的Refresh类中，代码如下：
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，需要调用update方法，调用该方法后，Drawing就会调用自身的paintEvent方法重新绘制整个组件的内容。
在paintEvent方法中，还调用了Person对象的update方法，该方法是我们自己编写的，用于不断更新每一个人的状态，这些状态会根据多个参数进行协调。该方法属于Person类，代码如下：
def update(self):
# 如果已经隔离或者死亡了，就不需要处理了
if self.state == FREEZE or self.state == DEATH:
return
# 处理已经确诊的感染者（即患者）
if self.state == CONFIRMED and self.dead_time == 0:
destiny = random.randrange(1,10001) # 幸运数字，[1,10000]随机数
if destiny >= 1 and destiny <= int(Params.fatality_rate * 10000):
# 幸运数字落在死亡区间
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 # 逃过了死神的魔爪
if self.state == CONFIRMED and Params.current_time - self.confirmed_time >= Params.hospital_receive_time:
# 如果患者已经确诊，且（世界时刻-确诊时刻）大于医院响应时间，即医院准备好病床了，可以抬走了
bed = Hospital().pick_bed() # 查找空床位
if bed == None:
# 没有空床位，报告需求床位数
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
# 处理病死者
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) # 已经死亡，无法传染别人，需要从确诊者中删除
Hospital().empty_bed(self.used_bed) # 腾出床位
if Hospital().need_bed_count > 0:
Hospital().need_bed_count -= 1
# 增加一个正态分布用于潜伏期内随机发病时间
latency_symptom_time = sp.random.normal(Params.virus_latency / 2,25)
# 处理发病的潜伏期感染者
if Params.current_time - self.infected_time > latency_symptom_time and self.state == LATENCY:
self.state = CONFIRMED # 潜伏者发病
self.confirmed_time = Params.current_time # 刷新确诊时间
# 处理未隔离者的移动问题
self.action()
# 处理健康人被感染的问题
persons = personpool.Persons().persons
# 不是健康人，返回
if self.state >= LATENCY:
return
# 通过一个随机幸运值和安全距离决定感染其他人
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方法主要就是根据在params.py中的各种参数变量，以及随机值，计算下一次状态中潜伏期人数、感染人数、被隔离人数等数据，并且在每次刷新页面时更新这些数据。
以上的描述就是如何绘制表示5000个市民的状态。右侧各种数据并不是绘制在页面上的，而是通过QtDesigner设计的右侧的界面，然后将Drawing对象作为标准的组件放在了主界面的左侧。设计界面如下图所示：
然后通过pyuic将.ui文件生成.py文件，在程序中调用即可。这些组件的更新同样是在前面给出的drawing方法中。
另外，这个仿真器还提供了动态设置参数的功能。这是通过另外一个程序实现的，两个程序通过socket通讯。这个设置程序同样是通过QtDesigner设计的，设计界面如下图所示。
在设置程序中，通过Transmission类的send_command方法向仿真器发布命令，例如，更新床位数的代码如下：
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)
# 向仿真器发布命令
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
# 更新床位数
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()}张床位', QMessageBox.Ok)
在仿真器端，通过Receiver以及TCPServer来接收设置程序发过来的命令，如果成功设置，返回ok。Receiver类以及相关的代码如下：
from socketserver import (TCPServer as TCP,StreamRequestHandler as SRH)
from common import *
from params import *
from hospital import *
from PyQt5.QtCore import *
import sys
# 响应客户端请求事件的类
class MyRequestHandler(SRH):
def handle(self):
# 读取客户端发送的数据
data = str(self.rfile.readline(),'utf-8')
index = data.find(':')
command = data[:index]
value = data[index + 1:]
value = int(value)
# 执行具体的命令
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')
# 在线程中监听客户端的请求
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()
以上就是这个病毒传播仿真器的基本实现方法，其中涉及到了大量PyQt5的知识，如果大家想详细了解PyQt5技术，可以参考我的《PyQt5（Python）开发与实战视频课程》课程。另外，《冠状病毒传播仿真器的原理和实现（Python版)》视频课程即将推出，欢迎关注。
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《冠状病毒传播仿真器（Python版）》（扫描进入课程页面）
https://ke.qq.com/course/1045964?tuin=a22a65ce
《PyQt5实战视频课程》（扫描进入课程页面）
https://ke.qq.com/course/374285?tuin=a22a65ce
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