基于SEIR模型的新冠肺炎疫情研究

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2019年底爆发的新型冠状病毒肺炎至今仍在全世界各地流行。新冠病毒与早年间的SARS和MERS相似,同样会引起呼吸道传染性疾病,也同样具有传染力强的特点,但与二者不同的是,新冠病毒的致死率要明显低于SARS和MERS,而且新冠病毒具有高度变异性,同时可能会出现无症状感染者。这些不同点使得新冠病毒至今未能被消灭。因为新冠病毒的出现,全世界人民的生活发生了巨大改变,人民的生命财产安全持续受到威胁。因此建立适用于当前疫情发展阶段的传染病动力学模型,能够反映疫情变化趋势并预测疫情的走向,为未来疫情防控方面提供一定的理论支持。这对我们恢复生活的方方面面,尽快走出新冠病毒笼罩的阴霾具有重要的实际意义。本研究基于SEIR模型对同时段的西安和英国COVID-19疫情的发展过程进行了研究。首先,基于SEIR模型对模型的仓室及参数进行修正,得到包含易感者类(S)-潜伏者类(E)-感染者类(I)-隔离易感者类(Sq)-隔离潜伏者类(Eq)-隔离感染者类(Iq)-康复者类(R)七个仓室的模型。其次,根据西安的具体疫情防控措施的实施情况,将模型的拟合过程分为三个时间段。前两个时间段均采取固定的参数,第三个时间段根据模型拟合情况略作调整将治愈速率取为时变参数,经过调整后明显提高了模型的拟合精度。其中参数估计采用非线性最小二乘估计的最优化算法——信赖域算法得到最优参数,再用四阶龙格-库塔方法对模型进行拟合求解。进而,从两个方面对模型进行评价:从模型拟合效果方面进行评价,由于平均绝对百分比误差MAPE有缺陷,因此结合了平均绝对百分比误差MAPE和均方根误差RMSE对模型的拟合效果进行评价,结果是隔离感染者类(Iq)评价指标表现较为理想,感染者类(I)和康复者类(R)的结果虽有误差,但其误差在可接受范围内;从实际意义方面进行评价,对比三个阶段的参数均具有明显的实际意义,进一步说明了构建的模型符合实际情况。最后通过改变模型参数讨论了西安在此次疫情中采取的防疫措施,结论是我国目前采取的措施能够非常有效地阻止疫情的进一步发展。许多国家所采取的疫情防控措施与我国所采取的有诸多不同,有些地区的COVID-19 病例数据量级比较大,因此本研究还选用了同时段的英国疫情进行研究讨论。首先,基于SEIR模型对仓室和参数进行修正后建立了 SEIRD模型,并在实证分析中对模型参数再作调整,将治愈速率和死亡率取为时变的参数。模型的评价指标MAPE为3.07%,同时通过最小二乘估计得到的最优参数具有明显的实际意义。其次,对模型作了短时间预测,模型预测结果具有一定偏差,但预测结果与实际疫情发展趋势一致,说明预测结果具有一定的参考价值。进而,选取2021年12月4日至2022年1月10日的英国疫情数据对比具有固定参数的SEIRD模型和SIRD模型。结果显示,前者的MAPE为3.45%,而后者的MAPE为10.73%,这表明SEIRD模型的拟合效果要优于SIRD模型的拟合效果。最后,通过改变模型参数对英国疫情的发展进行讨论,结果表明,隔离和个人防护措施能够很大程度的控制感染人数的增加。
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