仿真在諸多科學領域有著廣泛應用

隔離檢測、旅行限制、啟用定點醫院、發放防疫物資……當一場大流行病突如其來時，如何精準把握這些防控政策的時度效，最大程度減少各項損失?傳染病仿真系統正逐漸成為一個重要工具，引起各國重視。

作為一種常見研究手段，仿真在諸多科學領域有著廣泛應用。通過對現實世界的簡化，它可以解釋數據、預測和設計行動。當傳染病暴發時，我們也能基于各項數據建模，估算出它的傳染速度、危險程度等，為開展應急處置策略提供依據，對干預措施開展成本效益分析。早在1927年，傳染病學領域就提出了經典的“倉室模型”，基于數學邏輯方法和語言，根據是否感染、康復等標準，將不同類型的人群分為不同“倉室”，針對人群在不同倉室間的轉移概率，使用微分方程來建模求解，進而完成相關估計和預測。

不過，現實情況往往比模型復雜得多。縱觀人類發展史，可以說是一部人類與傳染病做斗爭的歷史。城鎮化加快、國際經貿發展、社會交往增加等，使傳染病傳播的速度更快、范圍更廣、危害也更大，迫切需要對其進行更加精確的模擬。

隨著信息時代的到來，海量數據得到收集與儲存，計算機運算能力不斷提高，“基于個體模型”應運而生。與“倉室模型”將人群粗分為幾大類不同，這是結合計算機技術對世界的一個“仿真建模”，如同為真實世界打造一個沙盤。它將每個人視為獨立的對象，通過模擬微觀層面的個體行為，例如人與人或環境之間的接觸、感染后的病程等，自下而上地對宏觀層面的復雜動態進行詮釋，推演出系統的宏觀結果。

除了透視當下復雜動態，仿真模型還可以把時鐘調撥到過去或未來，通過復盤已發生事件來溯源問題癥結，或者通過預判即將發生的事情來防患于未然。比如，可依據真實的人口統計學數據生成虛擬城市，模擬病毒在城市中的傳播，仿真出停工、停學、擴大社交距離等各項手段的效果，為科學施策提供依據。

沙盤越逼真，提供的防控建議越可靠。因此，基于個體的仿真模型要真正發揮效果，提高仿真質量是關鍵。疫情分析系統主要由模型和數據兩部分組成。在大數據時代，除了關注分析模型外，科學家們越來越重視數據真偽、精度、可信度等問題，通過利用多源信息融合等技術去粗取精、去偽存真，為模型輸入更高質量的數據，提高分析結果的準確性。

對全球性流行病建模，國際科學合作尤為重要。進行全球范圍的疫情仿真，需要各國積極分享感染率、海陸空交通流量等信息，為跨國旅行的模擬及限流措施的制定提供更全面的數據。不同國家在制定自身防控政策時也可以參考使用仿真系統。目前，我們團隊的建模研究成果已經被世界衛生組織的新冠肺炎疫情數據庫收錄，為支持全球抗疫工作貢獻了中國智慧。

(吳琳王飛作者單位：中國科學院計算技術研究所)

關鍵詞： 仿真 科學領域