全球超100万人感染新冠，Nature揭秘帝国理工如何预测疫情趋势

本文来自微信公众号： 新智元（ID： AI_era），作者：张佳，题图来自：视觉中国

全球新冠肺炎确诊病例已破百万！对于这次疫情，我们心中有千千万万个问题，为了回答这些问题，全世界的科学家们纷纷建模预测，而这些预测，也成为决策者制定应对措施的关键。今天为大家奉上Nature特别报告：推动世界响应COVID-19的模拟。

全球新冠肺炎确诊病例已破百万！

截止发稿，全球累计新冠肺炎确诊病例已经超过一百万人，其中美国确诊人数超24万位列第一，意大利、西班牙均超11万位列二、三位。

此时此刻，我们都想知道，疫情何时结束？最后会有多少人丧失？而想要知道这些问题的答案，模型预测是一种方式。

日前，Nature发布了一个针对这次疫情的特别报告，把目标锁定在了全球科学家们不断进行的COVID-19模拟。

地址：https://www.nature.com/articles/d41586-020-01003-6

帝国理工模型预测：不采取措施，英国或死亡超50万人、美国或死亡220万人

3月中旬，帝国理工学院通过模型模拟了新冠病毒在英国人口中的快速传播，如果政府不采取行动，可能会有超过50万人死亡，首相 Boris Johnson 几乎立即宣布了对人们行动的新的严格限制。

同样的模型表明，如果不采取行动，美国可能会面临220万人死亡，白宫也立马采取相应措施。

英（橙）美（蓝）每10万人每日死亡人数模型

世界各国政府正依靠数学预测来帮助指导应对这一流行病的决策。 伦敦帝国理工学院的数学流行病学家Neil Ferguson指出，计算机模拟只占模型团队在危机中进行的数据分析的一小部分，但它们在决策中越来越重要。

英国流行病学家Neil Ferguson

但是，正如Ferguson和其他建模者所警告的那样，关于SARS-CoV-2如何传播的许多信息仍然是未知的，必须进行估计或假设，这限制了预测的准确性。例如，帝国理工模型的早期版本估计，SARS-CoV-2的严重程度将与流感相当，因此必须让感染者住院治疗。结果证明是错误的。

在这次大流行中，模拟的真正表现可能在几个月或几年之后就会变得明朗。但是，要了解COVID-19模型的价值，关键是要知道它们是如何建立的，以及它们是建立在哪些假设之上的。“我们正在构建对现实的简化表达。模特不是水晶球，”Ferguson说。

新冠肺炎基本预测模型有哪些？

许多模拟疾病传播方式的模型对于已经发展了多年的各个学术团体都是独一无二的。但是数学原理是相似的。

这些模型基于试图了解人们如何在三种主要状态之间移动、以及移动的速度：个体要么易受病毒感染 (S) ，要么已被感染 (I)，然后要么恢复健康(R)，要么死亡。R组被认为对病毒免疫，因此不能再传播感染。具有天然免疫力的人也属于这个群体。

最简单的 SIR 模型做出了一些基本假设，例如，每个人都有同样的机会从一个被感染的人身上感染病毒，因为人群完全均匀地混合在一起，而且患有这种疾病的人在死亡或康复之前都具有同样的传染性。 

更先进的模型能够为政策制定者在新出现的大流行期间进行定量预测，它们将人们按年龄、性别、健康状况、就业、接触人数等等细分为更小的群体，以确定谁在何时何地与谁见面。

如果不采取控制措施，中国人每天平均社会接触

通过使用有关人口规模和密度、人口年龄、交通联系、社交网络的规模以及医疗保健提供的详细信息，建模者使用微分方程来控制人口群体在空间和时间上的移动和相互作用，从而构建一个城市、地区或整个国家的虚拟副本。然后他们在这个世界上播下感染的种子，观察事态的发展。

建模者还以不同的方式模拟人们的活动。在“基于方程”（equation-based）的模型中，个体被分成种群。但是，为了更好地反映现实，这些群体被分割成更小、更具代表性的社会子集，这些模型变得越来越复杂。 

一种替代方法是使用“基于代理”（agent-based）的方法，每个人根据自己的特定规则移动和行动——就像电子游戏《模拟城市》系列中的模拟人物一样。

模型这么多，选择哪种最好？

帝国理工团队在这场流行病中同时使用了基于代理和基于方程的模型。 研究小组在3月16日运行的模拟试验，通知英国政府的新型冠状病毒肺炎卫生组织应急反应，使用了一个建于2005年建立的基于代理的模型（观察如果 H5N1禽流感突变成一个可以轻易在人与人之间传播的版本，泰国会发生什么；2006年，同样的模型被用来研究英国和美国如何减轻致命流感的影响）。

3月26日，Ferguson和他的团队发布了COVID-19的全球影响预测，该预测使用了更简单的基于方程的方法。它把人分成四组：S、E、I和R，其中“E”是指那些已经暴露但还没有感染的人。

Azra Ghani

同样在这一团队的流行病学家Azra Ghani表示：“它们给出的总体数字大致相似。”例如，全球预测表明，如果美国不对该病毒采取行动，它将有218万人死亡。相比之下，早期基于代理的模拟，在使用相同的死亡率和繁殖数量假设的情况下运行，估计有220万美国人死亡。

“不同的模型各有优缺点，这取决于你想问的问题，”巴黎Pierre-Louis流行病学与公共卫生研究所的建模师Vittoria Colizza说。

尽管根据所选的方法，预测可能不会有很大的差异，但人们自然会怀疑这些模拟结果的可靠程度。不幸的是，在大流行期间，很难获得数据（比如感染率）来判断一个模型的预测。

意大利克雷莫纳一家医院的病人

为了尽量减少不完整数据和错误假设的影响，建模者通常会执行数百次单独的运行，每次输入参数都会稍微调整。这种“敏感度分析”试图防止模型输出在单个输入发生变化时剧烈摆动。Ferguson表示，为了避免过度依赖一种模型，英国政府听取了许多模型团队的建议，包括帝国理工和LSHTM的团队。“我们都得出了类似的结论，”Ferguson说。

随着疫情发展，模型不断更新

媒体报道表明，帝国理工在3月初进行模型更新是促使英国政府改变其大流行政策的关键因素。研究人员最初估计15% 的住院病例需要在重症监护室治疗中心（ICU）进行治疗，但后来更新到30% ，该数字在3月16日首次公开发布时使用。该模型显示，只有4,000多张ICU病床的英国医疗服务机构将不堪重负。

伦敦的 ExCel 会议中心已经变成了一所临时医院

英国政府此前曾提出过一种理论，即“群体免疫”。但在看到新数据后，他们改变了方式，下令采取社会隔离（social-distancing）措施。

批评者接着问，为什么之前没有讨论社会隔离问题？为什么没有进行广泛的测试？为什么建模者选择了15%这一数字？（因为一月份的一篇论文显示，中国有超过30%的COVID-19患者需要接受ICU治疗）

Ferguson说，模型更新的重要性可能被夸大了。他说，甚至在此之前，模型已经表明，如果完全不加以控制，新冠肺炎明年可能会杀死约50万英国公民，并且ICU将超负荷运转。咨询小组曾讨论过通过社会疏远来抑制大流行，但官员们担心这只会在今年晚些时候导致更大规模的第二次疫情爆发。像韩国那样的广泛测试并没有被考虑，弗格森说，部分原因是因为英国的卫生机构已经告诉政府顾问，它们无法快速扩大测试规模。

至于中国关于 ICU 的数据，临床医生已经看过了，但是注意到似乎只有一半的病例需要有创机械通气。给了其他患者加压氧气，因此可能不需要ICU病床。基于这一点和他们的病毒性肺炎的经验，临床医生建议建模者15% 是一个更好的假设。

英国的干预措施减少了病毒的有效繁殖数量

全世界应该效仿韩国的做法

随着研究人员发现有关该病毒的更多信息，他们正在更新许多其他关键变量。在3月26日关于COVID-19的全球影响的报告，帝国理工团队将其3月16日的R0估算值上调为2.4-3.3；在3月30日关于该病毒在11个欧洲国家传播的报告中，研究人员将其范围定为3-4.7之间。

John Edmunds

但是一些重要的信息对建模者来说仍然是隐藏的。LSHTM 的建模者John Edmunds说，一种可靠的测试方法能够看到谁被感染而没有症状，因此可以转移到康复小组中去，这将改变模型制造者的游戏规则，并可能显著改变预测的大流行病的传播路径。

Sunetra Gupta

为了强调需要进行这种测试，由英国理论流行病学家Sunetra Gupta领导的英国牛津大学研究小组建议，英国有记录的死亡模式可能符合一系列 SIR 模型，其中包括一个假设数百万人已经被感染，但尚未表现出任何症状的模型。 只有揭示过去感染的测试才能显示实际情况。

还有一个重要的未知数：人们对这些强制的改变将作何改变，以及这种改变是否会像科学家期望的那样减少传染性接触。例如，在中国进行的一项调查显示，武汉和上海的居民报告说，在当局实施的社会隔离措施期间，他们与其他人的日常接触减少了7到9倍。

帝国理工研究小组表示，在感染病例死亡率达到每周每10万人0.2例之前，如果所有国家都采取严格的社会隔离、检测和隔离确诊病例的策略，那么到今年年底，新冠肺炎的全球死亡总数可能会减少到190万例以下。Ferguson在3月25日表示，英国的反应让他“有理由相信” ，英国的死亡总人数将控制在2万以下。

Ferguson表示，整个欧洲的全国性封锁已经在努力减少SARS-CoV-2的传播，正如预期的那样。但对于那些担心本国经济和被封锁的公民身心健康的国家来说，社会隔离还要维持多久是一个大问题。现在，保持社交距离将减少病毒的传播，但一个帝国理工的模型显示，解除这些措施可能会使今年晚些时候或明年出现第二波大流行。

帝国理工第二波大流行预测模型

Ferguson说，他希望各国在实践中能够效仿韩国的做法。韩国通过大量测试和追踪感染者的接触者，成功地实施了较为宽松的社会隔离政策。只有在解除封锁限制时密切监测各地区（正如中国湖北省目前所做的那样) ，才能为建模人员提供预测大流行长期死亡人数所需的信息。

本文来自微信公众号： 新智元（ID： AI_era），作者：张佳