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“虛擬戰疫”:系統工程學院副研究員陳彬為您講述——精準探尋最優解

近日

經習主席批準

軍隊支援湖北醫療隊圓滿完成任務后

陸續從武漢回撤

國內疫情防控阻擊戰取得階段性成效


然而

面對全球蔓延的新冠肺炎疫情

如何科學防疫是個復雜的系統工程

需要反復實驗和效果評估才能得出最優解


國防科大系統工程學院平行仿真團隊

攜手中南大學湘雅三醫院

湖南大學國家超算長沙中心

構建了一個不見硝煙卻似實戰的

“虛擬戰場”

——新冠病毒傳播預測和防控措施評估系統


只為打“有準備之仗”


當前抗擊新冠肺炎疫情,是一場沒有硝煙的戰“疫”。人類需要共同面對的,是極其兇險狡猾又看不見的敵人——新冠病毒。


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利用虛擬戰場模擬的疫情擴散趨勢


德國軍事理論家克勞塞維茨認為,戰爭是充滿不確定性的領域,戰爭中行動所依據的情況有四分之三好像隱藏在云霧里一樣。現代戰史也證明,戰爭是復雜巨大的系統,其結果難以預測。

因此,在計算機上構設接近實戰的“虛擬戰場”,是一種通過提前虛擬預演,為軍事人員解開戰爭迷霧的有力手段。

面對全球蔓延的新冠肺炎疫情,如何科學防疫是個復雜的系統工程,同樣也需要用仿真方式模擬一個“虛擬戰場”,在其中演化疫情傳播過程,讓各種防控措施和病毒展開對抗,檢驗防控效果。

放眼全球,使用數學和計算機模擬方法研究疫情的傳播和防控,國外已有很多成果。例如美國東北大學和ISI基金會共同研發的GLEAM模型,是基于常微分方程(ODE)研究傳染病傳播的代表,能夠支持埃博拉病毒、瘧疾、禽流感等傳染病模型。在此次抗擊新冠肺炎疫情行動中,這些模型都在不約而同地開展著同一項工作:基于全球各城市真實人口和人口遷移數據,得出新增病例數、傳播高峰期等量化數據,模擬出可能的流行病傳播結果。

這些模型,為研究傳染病傳播規律提供了各種途徑。但研究目的各不相同:有的聚焦于揭示統計學規律,有的著重研究城市間交通對全球傳播的影響。研究的方法也存在種種不足和短板:有的不支持對重點區域的研究,有的沒有考慮個體差異對病毒傳播的影響,有的沒有考慮疫情防控手段的實施效果,有的無法支持實時數據的快速調整。

尤其是分析我國的疫情防控措施時,由于地區文化、人口分布、人群出行、通勤能力差異等因素,無法支持定量精準的計算和評估,也就無法科學指導如何應對疫情防控這類突發事件。不過,這為我們的科研人員提供了研究靈感。


不見硝煙卻似實戰


結合對2009年H1N1疫情、2014年埃博拉疫情進行計算實驗的經驗,由系統工程學院平行仿真團隊、中南大學湘雅三醫院、湖南大學國家超算長沙中心攜手組建的聯合攻關團隊,通過基于多Agent的計算實驗方法(從微觀個體角度,結合宏觀政策開展實驗),構建了一個不見硝煙卻似實戰的“虛擬戰場”——新冠病毒傳播預測和防控措施評估系統。


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新冠病毒傳播預測和防控措施評估系統組成示意圖


該系統由疫情傳播情景構造、計算實驗方案設計、計算實驗支撐環境、疫情傳播可視化和措施評估等模塊構成。

打個比方說,“虛擬戰場”的運行過程就像是開一局“CS游戲”:

疫情傳播情景構造模塊可以根據疫情的傳播特征,給“游戲”設定合適參數;

計算實驗方案設計模塊則負責生產大量實驗樣本,給“游戲”構造人物、建筑、場景等模型;

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層級化人工社會示意圖


疫情傳播可視化模塊能實時展現“游戲”的運行畫面,讓人們直觀看到疫情的傳播過程;

措施評估模塊像是“游戲”結束后的評價,反映出防控措施的效果;

計算實驗支撐環境模塊就是提供計算支持、保障“游戲”運行的服務器——天河超級計算機,依賴其強大的運算速度和計算能力,讓“虛擬戰場”可以快速運行和高效產出。

既然“虛擬戰場”的后盾如此強大,那它究竟有哪些不凡之處呢?

——它能將傳染病動力學模型和人工社會計算實驗相結合,用宏觀和微觀的方式,在整體防控政策的指導下,從個體角度對疫情防控風險和應對措施進行定量分析。

——它能利用多種數據分析手段,針對不同典型區域、不同影響因素,建立多場景、多尺度城市區域模型。

——它還可根據疫情的實時發展同步調整,快速預測疫情在重點防控區域的走向,為防控提供預警。

在現實的病毒傳播中,人們關系越親密意味著越可能成為“密切接觸者”;不同的場所具有不同的封閉性、聚集性,帶來的病毒傳播風險也各不相同。同時,根據公共衛生應急響應等級的不同,同一個虛擬場所采取不同防控措施后,也會導致不同的傳播風險。這些“不同”融入“虛擬戰場”中的每一個個體、每一處場所,“虛擬戰場”便開啟超級模式,在“天河”超級計算機上快速運行,以遠超真實演進速率的方式演算出未來數天的疫情發展情況,給出預報和預警。

通過在“虛擬戰場”設計海量樣本,科研人員能夠對疫情的傳播過程進行多路徑演化和復盤分析。針對人口分布、醫療資源儲備、文化背景等特征,評估和優化各種防控措施組合,特別是從成本和效果兩個角度,對每個人的防控措施進行精細化評測。通過反復計算實驗、迭代尋優,實現對防控預案的分級評價,為政府治理提供合理有效的建議。


搭建多維演練平臺


在“虛擬戰場”上,建模與仿真技術就如同一座建筑的框架結構一樣,屬于重要支撐。隨著與云計算、大數據、人工智能、物聯網、智能交互等新技術手段的進一步深入結合,建模與仿真技術正在向服務化、智能化、網絡化方向發展,“虛擬戰場”還將大有可為。

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基于“虛擬戰場”應對突發事件的人機交互推演


在軍事領域,以軍事建模與仿真技術為基礎的“虛擬戰場”,已為越來越多指戰員提供了錘煉軍事技能、提升戰斗力的多維演練平臺。

未來,它能更好地支持人在回路的對抗推演,實現對指揮員決策過程的訓練支持;支撐實際裝備在線接入和多樣化智能交互,使受訓人員獲得接近實戰的沉浸式訓練體驗;實現專家與智能機器的結合,以人為主、人機融合,以更加協作、智能的方式構建未來作戰實驗室,為戰法研究等問題提供量化分析手段,達到有效的戰前預警、人員訓練、方案評估、作戰推演,為打好“有準備之仗”奠定基礎。

可以想見,在沒有邊界的“虛擬戰場”上,指揮員能實現對各軍兵種、各型裝備、各類編制組成、各種戰法的對抗過程模擬,并以沉浸式完成整個武裝力量的編訓工作。

當然,“虛擬戰場”不僅是軍事人員的演練場,它的構設也將成為社會應急管理部門應對各類非常規突發事件的有效手段。

除了新冠肺炎疫情這類公共衛生事件外,在應對地震等自然災害事件時,運用它也可對救災人員進場路線、救援物資調配、醫療人員救治方案等進行實時在線演練;在應對危化品爆炸這類災難事故時,它可以支持對人員疏散路徑、危化品處置過程、交通疏導等方案的精準尋優。

總之,在“虛擬戰場”上,科研人員針對各類非常規突發事件,都可摸索到應急決策和精準處置方法。

天有不測風云。各類突發事件正對國家治理、國家安全帶來嚴峻挑戰。根據事件發展變化可做出靈活調整的“虛擬戰場”,將在疫情和災情防控一線發揮出更加重要的作用。


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