近日，鐘南山院士團(tuán)隊(duì)在Journal of Thoracic Disease發(fā)表“基于SEIR優(yōu)化模型和AI對公共衛(wèi)生干預(yù)下的中國COVID-19暴發(fā)趨勢預(yù)測”的文章。

該研究預(yù)測了COVID-19疫情全國在2月下旬達(dá)到高峰，4月底趨于平緩。如管控措施推遲5天實(shí)施，中國大陸的疫情規(guī)模預(yù)估將擴(kuò)大至3倍；如減低武漢管控力度，湖北可能在3月中旬出現(xiàn)第二次疫情高峰并延續(xù)至4月下旬。其中，優(yōu)化的SEIR模型和AI模型預(yù)測表明，截至4月底國內(nèi)有9萬至12萬的疫情規(guī)模，請大眾不要誤解，模型預(yù)測與現(xiàn)實(shí)是存在一定差距的，如政府繼續(xù)嚴(yán)格的管控政策，提高診斷水平，推出使用藥物，該疫情規(guī)模將得到極大控制。另外，本文提及的湖北出現(xiàn)二次高峰是在管控降低的情況下作出的假設(shè)，如正常春運(yùn)，復(fù)工等。按目前情況，湖北省政府仍將繼續(xù)保持嚴(yán)格管控，出現(xiàn)二次高峰的可能性也相對較少。

目前本文預(yù)測結(jié)果是基于2月9日前的管控政策，疫情規(guī)模均比Lancet及國外學(xué)者預(yù)測的少。Wu等學(xué)者預(yù)測武漢的疫情規(guī)模將在1月25日達(dá)到17.5萬例，疫情將在4月達(dá)到高峰。同樣，Read等人預(yù)測，在沒有控制措施的情況下，將在2月4日達(dá)到高峰，高達(dá)19萬例。即使是交通管控也不能獲得很好的效果。上述預(yù)測均沒有考慮到我國嚴(yán)格管控的措施，導(dǎo)致可能夸大的疫情規(guī)模。本文數(shù)據(jù)顯示截至4月底國內(nèi)疫情現(xiàn)存確診病例（非累計確診數(shù)）高峰不高于7萬例，湖北不高于52000例，廣東和浙江不高于1200例，目前流行數(shù)據(jù)均在本文的預(yù)測范圍內(nèi)，更貼近真實(shí)情況。

文章結(jié)果結(jié)論是基于SEIR數(shù)學(xué)模型和AI模型進(jìn)行預(yù)測的，歡迎大家閱讀。

楊子峰1,5，曾志奇1，王珂2，黃淑珊1,7，梁文華1，Mark Zanin1,7，劉鵬3，曹旭東3，高中強(qiáng)3，麥芷桐1，梁靖怡1，劉曉青1，李時悅1，黎毅敏1，葉楓1，關(guān)偉杰1，楊一帆4，李飛4，羅圣美4，謝玉琪1，劉斌6，王周瑯1，張少博2，王耀南2，鐘南山1，何建行1

1廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院廣州呼吸健康研究院呼吸疾病國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國家呼吸系統(tǒng)疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心

2橫琴鯨準(zhǔn)智慧醫(yī)療科技有限公司

3南京云創(chuàng)大數(shù)據(jù)科技股份有限公司

4星環(huán)信息科技 （上海） 有限公司

5澳門科技大學(xué)，中藥質(zhì)量研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，澳門藥物及健康應(yīng)用研究院，中醫(yī)藥學(xué)院，澳門特別行政區(qū)，中國

6昆明理工大學(xué)

7香港大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，香港特別行政區(qū)，中國

通訊作者   何建行

電子郵箱: hejx@vip.163.com

鐘南山

電子郵箱: nanshan@vip.163.com

注：楊子峰、曾志奇、王珂、黃淑珊、梁文華、Mark Zanin、劉鵬對此文章貢獻(xiàn)相同。

摘要

背景：中國湖北省武漢市新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）的暴發(fā)恰逢人口大規(guī)模遷徙的春運(yùn)時期。為遏制疫情蔓延，中國政府于2020年1月23日起采取了大規(guī)模檢疫、限制出行和對可疑病例監(jiān)控等前所未有的全國性防疫干預(yù)措施。但尚不清楚這些政策是否有益于流行病的控制。

方法：本研究將2020年1月23日前后的人口遷徙數(shù)據(jù)以及最新的COVID-19流行病學(xué)數(shù)據(jù)整合到經(jīng)典傳染病學(xué)預(yù)測模型（SEIR）中并得出流行曲線。此外，基于2003年SARS數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練的人工智能（AI）方法來預(yù)測本次疫情的流行趨勢。

結(jié)果：推測本次疫情全國在2月下旬達(dá)到高峰，4月底趨于平緩。如管控措施推遲5天實(shí)施，中國大陸的疫情規(guī)模預(yù)估將擴(kuò)大至3倍；如減低武漢管控力度，湖北可能在3月中旬出現(xiàn)第二次疫情高峰并延續(xù)至4月下旬。

結(jié)論：優(yōu)化的SEIR模型及成功建立的人工智能模型能有效預(yù)測新冠病毒的流行趨勢，證實(shí) 1月23日起實(shí)施的公共衛(wèi)生干預(yù)措施有效控制了疫情發(fā)展。

引言

2019年12月，中國湖北省武漢市暴發(fā)了由新型人畜共患病冠狀病毒（SARS-CoV-2）引發(fā)的非典型肺炎（COVID-19）[1-2]。之后，疫情迅速蔓延。截至目前，國內(nèi)已報告7萬余例感染病例和2000多例死亡病例，全球報告感染超過3000例 [3-4]，疫情嚴(yán)重程度已超過2003年的嚴(yán)重急性呼吸綜合征（SARS）[5]。本次疫情恰逢在春運(yùn)期間暴發(fā)，為遏制疫情，中國于2020年1月23日開始實(shí)施前所未有的公共衛(wèi)生干預(yù)策略[6]：封閉武漢的離城通道，延長了法定假日，采取了嚴(yán)格旅行和公共聚會限制措施，關(guān)閉了公共場所，并在全國范圍內(nèi)實(shí)施了健康監(jiān)測。但是，尚不清楚這些政策對疫情的控制效果，以及應(yīng)當(dāng)保持實(shí)施多長時間。因此，本研究通過優(yōu)化的易感-暴露-感染-退出（SEIR）流行病學(xué)模型，結(jié)合了1月23日前后的國內(nèi)遷徙數(shù)據(jù)以及最新的COVID-19流行病學(xué)數(shù)據(jù)來預(yù)測疾病發(fā)展進(jìn)程。另外，還使用了2003年SARS冠狀病毒暴發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行了機(jī)器學(xué)習(xí)，通過人工智能（AI）方法證實(shí)了我們的模型預(yù)測。

結(jié)果

一、湖北省、廣東省和浙江省的疫情進(jìn)展

本文選擇了COVID-19確診病例數(shù)最多的三個省份進(jìn)行研究[7-8]。2月10日，湖北省、廣東省和浙江省COVID-19的確診病例分別為31728例、1177例和1117例 （圖1A）。1月7日至23日，廣東省和浙江省的遷出人數(shù)達(dá)到最大且高于流入量。而對于湖北省來說，在1月23日之前，由于春節(jié)期間遷移人口的返回，其遷入人數(shù)大于流出量。1月23日之后，湖北省開始實(shí)施公共衛(wèi)生干預(yù)措施如限制出行，遷移曲線與廣東省和浙江省相比明顯較為平坦（圖1B）。

圖1. 模型數(shù)據(jù) （A）截止2月10日各省確認(rèn)的COVID-19病例，數(shù)據(jù)來自https://voice.baidu.com/act/newpneumonia/newpneumonia/?from=osari_pc_3. （B）2020年春節(jié)假期湖北、廣東、浙江三省遷移率指數(shù)（實(shí)線-流入，虛線-流出）

SEIR是一種流行病學(xué)模型，此模型假設(shè)將人群劃分為四種狀態(tài)：易感[S]、暴露或潛伏[E]、感染[I]或退出[R]來預(yù)測傳染性疾病動力學(xué)。每個狀態(tài)的人口比例由每個狀態(tài)之間的變化率決定：β （[S] 指向[E]或[S]指向[I]）, σ （[E]指向[I]） 以及 γ （[I]指向[R]）。參考每個省可用遷移指數(shù)（數(shù)據(jù)取至分析當(dāng)日），隨后根據(jù)我們的假設(shè)情況模擬往后日期的遷移指數(shù)。對于廣東省、浙江省、湖北省和中國（在模擬中，交通限制減弱），則使用了2019年的遷移指數(shù)，而且認(rèn)為在[E]指向[S]的遷移率β1是[I]指向[S]的β2的5倍。

由于湖北省目前已實(shí)行嚴(yán)格檢疫措施，假設(shè)2月10日之后湖北省的遷移指數(shù)設(shè)為零。在2月12日之前，確診病例主要是基于PCR技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，本模型預(yù)測將在2月20日達(dá)到單個流行高峰，存在42,792（95%CI 30,149–52,941）例現(xiàn)存確診病例。預(yù)計疫情在4月下旬趨于平緩，總病例數(shù)預(yù)估達(dá)到59,578 （95%CI 39,189–66,591）。如果延遲實(shí)施干預(yù)措施，疫情將在2月25日達(dá)到高峰，當(dāng)天前后預(yù)估有115,061例現(xiàn)存確診病例，暴發(fā)總?cè)藬?shù)會達(dá)到167,598例。如果提前5天采取干預(yù)措施，疫情預(yù)計在2月15日達(dá)到高峰，最終病例數(shù)將不會超過25,000（圖2）。

圖2. 改進(jìn)的SEIR模型預(yù)測曲線 （A）湖北省有嚴(yán)格管控，（B）湖北省減少管控力度，（C） 廣東省，（D） 浙江省和（E）中國在1月23日（藍(lán)色），5天后（灰色）和5天前（紅色）采取干預(yù)措施時的流行曲線，把每天現(xiàn)存確診病例的實(shí)際數(shù)據(jù)被擬合到曲線 （圓圈）上

然后，考慮湖北省減少隔離措施，公眾有一定程度的社會流動，由此假設(shè)r=10。預(yù)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)有2月18日和3月11日這兩個流行高峰，分別有51,581（95%CI 39,874–63,994）和47,144（95%CI 36,305–58,484）例現(xiàn)存確診病例，最后疫情總規(guī)模將達(dá)到73,180 （95%CI 51,308–85,839）例。如果把干預(yù)措施實(shí)施延遲5天，暴露病例比例起初的增加將導(dǎo)致感染病例呈指數(shù)增長，流行峰值為2月21日和3月17日。截止4月末，仍可能存在30,000例以上的現(xiàn)存病例，而總病例數(shù)預(yù)估將會達(dá)到166,930例確診例數(shù)。如果提前5天實(shí)施干預(yù)措施，則疫情將在2月11日達(dá)到高峰，現(xiàn)存確診病例可能達(dá)到8,031例，疫情規(guī)模上升至15,965例 （圖2B）。

廣東省和浙江省不是疫情發(fā)源地，本研究預(yù)計廣東省和浙江省均在2月20日達(dá)到流行高峰，分別為1,202（95%CI 1,042–1,340）例和1,172（95%CI 1,004–1,314）例現(xiàn)存確診病例，且預(yù)計兩省的疫情將在4月中旬趨于平緩。廣東省和浙江省疫情最終規(guī)模預(yù)估分別達(dá)到1,511（95%CI 1,097–1,948）例和1,491（95%CI 1,066–1,851）例確診例數(shù)。如果政府延遲5天實(shí)施干預(yù)措施，廣東省和浙江省預(yù)計分別在2月26日和25日達(dá)到高峰，現(xiàn)存確診病例可能分別達(dá)到3,553例和3,522例，兩個省疫情的最終規(guī)?？赡芫鶠?0,061例確診病例。如果政府提前5天實(shí)行干預(yù)，疫情將得到有效控制（圖2C和D）。

二、全國疫情模型

1月23日實(shí)施控制措施后，COVID-19傳染幾率降低。一定數(shù)量易感人群的存在使平均每日新感染人數(shù)穩(wěn)定增加?；谀壳案深A(yù)措施，預(yù)計疫情將于2月28日達(dá)到高峰，現(xiàn)存確診病例達(dá)到59,764（95%CI 51,979–70,172）例。截至4月底趨于平緩，預(yù)計疫情最終規(guī)模預(yù)估共計122,122（95%CI 89,741–156,794）例。如果延遲5天實(shí)施干預(yù)措施，由于感染者平均每天接觸的次數(shù)增加，傳染系數(shù)（率）將會更大。病例數(shù)量呈指數(shù)增加，可能在3月4日達(dá)到高峰，達(dá)到173,372例現(xiàn)存確診病例，疫情最終規(guī)模預(yù)估為351,874例確診病例。如提前5天實(shí)施干預(yù)措施，全國疫情最終規(guī)模可能減少至40,991例確診病例 （圖2E）。

三、LSTM對中國疫情的預(yù)測

LSTM模型是一種遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN），本研究基于2003年SARS流行病學(xué)數(shù)據(jù)，納入COVID-19流行病學(xué)參數(shù)例如傳染概率、傳染系數(shù)（率）、潛伏率和退出率等進(jìn)行模型訓(xùn)練。根據(jù) LSTM模型預(yù)測，新增病例在2月4日達(dá)到高峰，到4月底預(yù)估有9.5萬例確診病例（圖3A）。隨后，我們對來自SEIR、LSTM以及中國每日新增病例數(shù)報告的數(shù)據(jù)繪制曲線。在1月22日至2月10日之間，新確診病例實(shí)際數(shù)量與LSTM預(yù)測數(shù)據(jù)的曲線之間顯著擬合（圖3B）。SEIR和LSTM模型均預(yù)測在2月4日到7日之間會出現(xiàn)每日新增病例高峰，達(dá)到4000例。SEIR模型還預(yù)測2月中下旬的每日新增病例可能有幾個新的小感染高峰出現(xiàn)，這可能是返程人口流動及復(fù)工導(dǎo)致的。

圖3. （A）LSTM預(yù)測的全國COVID-19病例累計數(shù)量，（B）根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)（紫色）、SEIR模型（橙色）和LSTM模型（綠色）計算的COVID-19新增病例數(shù)

討論

為了應(yīng)對1月15日開始暴發(fā)的COVID-19疫情，中國宣布啟動一級應(yīng)急響應(yīng)（最高級別公共衛(wèi)生響應(yīng)），在全國范圍內(nèi)實(shí)施了管控措施。除了封鎖武漢及其他鄰近地區(qū)以外，還要求必須嚴(yán)格報告往返湖北省的情況。同時，不鼓勵湖北居民返回工作地，而且即便是經(jīng)過武漢的非湖北居民，也被要求進(jìn)行14天的自我隔離。然而，武漢封城的有效性和必要性受到了質(zhì)疑，還有報道稱這樣的做法是否太晚[13-14]。Wu等學(xué)者預(yù)測，如果不采取控制措施，武漢的疫情規(guī)模將在1月25日達(dá)到17.5萬例，疫情將在4月達(dá)到高峰[13]。同樣，Read等人預(yù)測，在沒有控制措施的情況下，將在2月4日達(dá)到高峰，高達(dá)19萬例[14]。值得注意的是，他們預(yù)測到在武漢大規(guī)模封城的情況下，中國其他城市也仍將經(jīng)歷與武漢相似的疫情增長。然而，事實(shí)并非如此。廣東和浙江是受影響僅次于湖北的兩個省份，僅占全國PCR確診病例的6.6%。與武漢相比，這兩個省控制措施出臺相對較快。因此，相比于湖北，該兩省疫情增長放緩，說明了隔離和管控措施是有效的。本模型同樣預(yù)測，延后5天執(zhí)行控制措施將使疫情規(guī)模增加至3倍。

自本文分析以后，真實(shí)流行趨勢已證實(shí)與本研究預(yù)測曲線相吻合。在上周，廣東省和浙江省已報道每天的新增病例少于6例，而湖北的新增病例也同樣呈現(xiàn)下降的趨勢。對于廣東省和浙江省，移動人口已經(jīng)逐漸開始返程（由于依然存在限制，因此與前幾年返程相比，遷移率會相對較低），從而引發(fā)了潛在病例進(jìn)入的擔(dān)憂。目前只有湖北省依然有大量病例，其他省份遷移人口可能不會構(gòu)成重大風(fēng)險。廣東省和浙江省實(shí)行持續(xù)的早期發(fā)現(xiàn)與隨后進(jìn)行的隔離措施對于防止第二次流行高峰的出現(xiàn)是很有效的。

本研究強(qiáng)調(diào)的另一個關(guān)鍵點(diǎn)是放緩湖北省的檢疫限制將導(dǎo)致新的易感人群涌入，即春節(jié)后返程人員，將導(dǎo)致湖北省的疫情在3月11日左右出現(xiàn)另一個小高峰。大量資源應(yīng)被運(yùn)至湖北省來建設(shè)新的醫(yī)院和檢疫中心，以改善醫(yī)療護(hù)理及減少暴露風(fēng)險。以上所有的措施都可能減少傳播，并有助于緩和二次高峰出現(xiàn)的影響。

COVID-19的暴發(fā)引發(fā)了對人口密集城市公共衛(wèi)生流行病控制的重大挑戰(zhàn)：決定何時實(shí)施控制措施。目前需要市或省疾控中心的陽性檢測結(jié)果以確診病例，這一過程至少需要30小時[15]。2月12日，湖北政府將根據(jù)影像學(xué)檢查、中性粒細(xì)胞計數(shù)和流行病學(xué)關(guān)聯(lián)等歸為臨床診斷病例，使得一夜之間增加了1.6萬例病例。但除了湖北省以外，其他省份都沒有采用這一分類方法，致使全國COVID-19確診病例數(shù)出現(xiàn)了混淆。盡管有人可能認(rèn)為臨床診斷病例并不完全準(zhǔn)確，但目前的PCR診斷方法也同樣存在不足[15]。直到有更進(jìn)一步確診的方法之前，如血清陽性率流行數(shù)據(jù)可用于評估真實(shí)發(fā)病率，本研究可以預(yù)見的是，基于PCR確診的流行曲線可能被低估。

圖3中的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了我們研究中使用的兩種方法的優(yōu)點(diǎn)和弱點(diǎn)?；谠缙诘墓罍y，本SEIR模型使用了7天的潛伏期[2]。到目前，有報道證明潛伏期到癥狀發(fā)作的中位時間是3天[11]，此病毒的潛伏期更接近于SARS-CoV的潛伏期，但可以從0到24天不等。我們測試了該模型對不同潛伏期的敏感性，發(fā)現(xiàn)較短的潛伏期會加速疫情高峰，但不會對疫情規(guī)模大小產(chǎn)生顯著影響。這可能解釋了真實(shí)曲線和LSTM預(yù)測曲線之間的顯著擬合，以及SEIR模型預(yù)測高峰滯后性問題。遺憾的是，用于機(jī)器學(xué)習(xí)的SARS流行病數(shù)據(jù)是來自2003年4月至6月，對于長期的預(yù)測來說這是個有限的數(shù)據(jù)庫。

本模型也沒有考慮到其他可能增加確診病例數(shù)的因素，如診斷能力。武漢市政府最近宣布了一項(xiàng)政策，要求對每一位疑似人員和返工人員進(jìn)行測試[16]。如果武漢市政府能夠提高檢測能力，盡量控制返回人員的流入量，但結(jié)果仍可能出現(xiàn)一個連續(xù)的高峰甚至第二個高峰。本研究的另一個局限性是我們無法考慮季節(jié)的影響。季節(jié)改變帶來的氣溫升高對于廣東非典疫情的消失很重要[17]。如果氣溫變化也適用于COVID-19，那么廣東的疫情將比浙江和湖北消失得更早。

結(jié)論

本SEIR優(yōu)化模型可精準(zhǔn)預(yù)測新冠病毒的流行趨勢，同時，人工智能預(yù)測模型已成功建立并且顯示與SEIR模型相似的趨勢，證實(shí)了1月23日起實(shí)施的公共衛(wèi)生干預(yù)措施有效控制了疫情發(fā)展。嚴(yán)格的防控措施如“早期篩查”最好實(shí)施至2020年4月底。

致謝

我們感謝橫琴鯨準(zhǔn)智慧醫(yī)療科技有限公司的成于伽、紀(jì)冰怡和許碧峰的技術(shù)支持。

表1. 本研究預(yù)測結(jié)果總結(jié)

a假設(shè)湖北省仍然嚴(yán)格管控，沒有返程高峰b假設(shè)湖北省減少管控，有返程高峰

（注：英文原文附文章補(bǔ)充方法的說明）。

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本文轉(zhuǎn)載自“AME科研時間”