COVID-19 疫情發展的狀態評估與預測分析
2020 年 2 月 17 日
北京航空航天大學復雜數據分析研究中心 ?? 2020年02月17日
北京航空航天大學學術委員會副主任、經管學院學術委員會主任、致真書院院長王惠文教授,曾任民建北京市委副主委,主要從事經濟管理中復雜數據統計分析的理論、方法與應用研究。在這場抗擊COVID-19 疫情的戰役中,她帶領團隊的老師和學生在另一條戰線上,也在共同奮斗,努力貢獻自己的力量。
王惠文團隊從大年二十九到今天,專注地做了一件事,就是每天收集和分析關于 COVID-19 疫情的數據和信息。在此期間,通過持續的數據跟蹤與分析,他們初步了解到了一些疫情發展的特征與規律,也收獲了很多新的知識和感悟。最終形成上報了 20 多個提案,提交了5 篇研究報告。本文是王惠文、盧珊老師和張嚴文、吳祁穎同學主筆的若干研究報告的綜述性簡介。
2020 年 2 月 17 日,這是學校原定寒假結束后上班的第一天。放假前曾經計劃了許多假期想做的事情,然而從大年二十九到今天,我們實驗室的老師還有許多同學們卻一起專注地做了一件事,就是每天收集和分析關于 COVID-19 疫情的數據和信息。在此期間,通過持續的數據跟蹤與分析,我們初步了解到了一些疫情發展的特征與規律,也收獲了很多新的知識和感悟。
在抗擊 COVID-19 疫情期間,總是有朋友問:什么時候后能到“拐點”,什么時候抗疫形勢會出現轉折?這啟發我們去思考和探討:究竟什么是“拐點”,用什么指標去測量和觀測它(們)?一場疫情發展的全過程可以劃分成幾個基本階段?我們現在正處于那一個階段之中?
本文試圖通過對數據的觀察和分析來解釋上述問題。但需要說明的是,從 COVID-19 疫情爆發至今,各地區的疫情發展階段不同,而湖北地區的情況比較特殊。由于篇幅所限,本文將重點對全國(除湖北)的 30 個省市的情況進行討論。下面,我們將在第一節簡要介紹對疫情防控全過程的階段劃分方法;在第二節,通過對實際數據的觀察,說明全國(除湖北)地區目前所處的是哪一個階段,并對其未來發展進行預測分析;在第三節,我們將進一步對一些重點地區的情況進行分析;最后在第四節,給出了全文的總結。
一、疫情防控全過程的階段劃分方法
為了運用統計分析方法來研究疫情發展的狀態和過程,我們主要采用了國家每日公布一些基礎數據,例如:當日新增確診人數、當日新增出院人數、當日死亡人數等,并由此計算“當日在院治療人數”:
當日在院治療人數= 當日累計確診人數–當日累計治愈出院人數 – 當日累計死亡人數 結合 SARS 時期的研究經驗我們發現,一場大規模流行病的疫情發展過程可以被劃分為 4 個階段,即:爆發期、受控期、緩和期、收斂期。
“爆發期”通常是在流行病爆發的初始階段。由于社會系統對疫病的認識不充分,社會的反應和動員過程存在一定的時滯,因此這時的疫病防控能力較低,傳染率很高,每日新增確診人數的增加速度非常快,累計入院的患者人數會呈現指數增長的態勢。
經過爆發期的震撼,社會管理系統開始積極反應,通過采取一系列緊急措施,快速建立了疾病防控體系,使得每日傳染率出現明顯下降,于是每日新增確診病例也開始下降。所以在疫情防控過程中,一旦形勢有所好轉,我們將首先會看見第一個拐點的出現,即:“新增確診人數”指標從爆發期快速上升后達到峰值,而后進入下降通道。所以,第一拐點的出現,意味著是 “爆發期”結束的時刻。這是一個十分積極的信號,表示政府公共衛生管理措施明顯見效,疫情已經進入“受控期”。不過,由于此時治愈出院的人數還比較少,所以每日在院治療的人數還會繼續增加一段時間。
隨后,即將出現的是第二個拐點,即:“每日在院治療人數”指標達到峰值后開始下降。這時,治愈出院人數的增長速度已經大于新增確診人數的增長速度,整個疫情形勢開始進入“緩和期”,全社會具有傳染能力的人群基數不斷縮小,醫療資源的壓力也將得到明顯的緩解。再接下來,還將相繼出現兩次“零點”現象。第一次,是社會上的新增病例出現“零報告”。這時,除醫院外,整個社會的防控工作壓力基本解除,抗疫工作將進入“收斂期”;而第二次“零點”到達的時刻,是指在院治療人數等于零(或者還有少部分人正在康復中)。至此,疫情基本結束,可以解除警報。
綜上所述,我們提出在劃分爆發期、受控期、緩和期、收斂期的時候,有 4 個“里程碑”的觀察點,即上面所說的:“兩個拐點”和“兩個零點”。其中,“第一拐點”是新增確診人數達到峰值后開始下降,意味著公共衛生防控措施初見成效,疫情已脫離爆發期進入受控期;“第二拐點”是在院治療人數達到峰值后開始下降,疫情進入了緩和期;“第一零點”是指新增病例的零報告,全社會可以恢復正常的生產生活;而“第二零點”是指在院治療人數等于零,疫情結束。(具體劃分方法,請參見表 1)
階段劃分 | 爆發期 | 受控期 | 緩和期 | 收斂期 |
| 該時期開始的 | 新增病例 | 新增病例 | 在院治療人數 | 新增病例 |
該時期結束的 | 新增病例 | 在院治療人數 | 新增病例 | 在院治療人數 |
二、全國(除湖北)地區的抗疫階段分析與預測
下面,首先根據 2020 年 1 月 22 日至 2 月 15 日國家公布的數據,來觀察和分析全國(除湖北)地區的 COVID-19 疫情目前正處于哪一個階段。如上所述,在疫情的爆發期,最典型的特征是新增確診病例數量急速增加,累計確診病例數量呈現指數增長趨勢。這種指數曲線的特點是,一開始看起來比較平緩,而一旦越過“奇點”之后,每日新增確診病例的數量就會飆升,因而對醫療資源的需
求每日劇增,防疫斗爭也將變得極其艱難。爆發期結束的標志性特征,是達到了“第一拐點”。根據實際數據報道,我們在2020 年 1 月 30 日就觀察到,全國(除湖北)地區的新增確診人數達到峰值,之后連續兩天持續下降。后來,因為受節后復工的影響,自 2 月 2 日起,每日新增確診人數又出現小幅波動,但隨后很快又開始持續下降。由此可以判斷,從 2020 年 1 月底開始,全國(除湖北)地區疫情已經脫離爆發期和進入了受控期,第一階段抗疫工作已初見效。(參見圖 1)

圖?1 全國(除湖北)新增確診人數的觀測數據
接下來,繼續觀察“第二拐點”是否到來。這時,重點要觀察的現象是:“在院治療人數”是否達到峰值后進入下降通道。從全國(除湖北)地區 2020 年 2 月 11 日的數據可以觀察到,當日在院治療人數已經達到了峰值,之后開始平穩下降(參見圖 2)。由此可以判斷,該地區已越過了“第二拐點”進入緩和期,抗疫形勢實現了關鍵轉折。

圖?2?全國(除湖北)地區的第二拐點的觀察數據
利用全國(除湖北)地區的現有數據,我們還可以對“第一零點”和“第二零點”這 2 個里程碑時間點進行預測建模。從目前的預測結果來看,如果這些地區能持續保持現有防疫力度,則預計在 3 月初就可以看見“第一零點”,實現新增病例零報告,因而可以恢復正常的生產生活;不過,屆時在醫院治療的病人數量還比較大,只要切實保證不再出現大規模的院內感染,以及不出現醫院的感染源再次輸入社會,則大約在3 月中旬左右,有望看見“第二零點”,這些地區的疫情可基本結束。

圖?3?全國(除湖北)地區疫情發展階段的模擬預測分析
三、重點地區的抗疫形勢分析
為了進一步了解各地區抗疫形勢的具體狀況,我們采用 2020 年 2 月 11 日到 2 月15 日的數據,以“在院治療人數 5 日均值”為橫軸,以“新增確診人數 5 日均值”為縱軸,繪制了全國(除湖北)的 30 個地區的散點圖(參見圖 4)。

圖?4全國(除湖北)在院治療人數?5?日均值—新增確診人數?5?日均值的散點圖
從圖 4 可以看出,除湖北外,全國防控任務最為艱巨的 6 個地區分別是廣東、浙江、河南、湖南、安徽、江西;事實上,這些重點地區的抗疫形勢的走向,會在很大程度上決定全國(除湖北)地區的工作局面。因此,我們來看一下這 6 個重點地區的新增確診人數和當日在院治療人數的動態趨勢圖(分別參見圖 5 和圖 6)。從圖中可以看到,這 6 個重點地區都已經先后達到了第一拐點和第二拐點,這也從微觀數據上印證了我們在第二節所得到的結論。

圖?5?? 6?個重點地區的新增確診人數

圖 6 6 個重點地區的在院治療人數
此外,如果再仔細觀察圖 4 還可以看出,山西、甘肅、遼寧、吉林、內蒙、寧夏、新疆、西藏、青海等地區的患者基數較小,并且近五日內新增確診人數的平均值小于 5人,已經可以考慮恢復正常的經濟社會生活。
四、小結
本文利用國家每日公布的數據信息,把疫情發展的全過程劃分為 4 個階段,即:爆發期、受控期、緩和期、收斂期。同時,指出有 4 個“里程碑”的觀察點,它們分別是兩個拐點和兩個零點。其中,“第一拐點”是新增確診人數達到峰值后開始下降,意味著政府防控措施初見成效,疫情已脫離爆發期進入受控期;“第二拐點”是在院治療人數達到峰值后開始下降,疫情進入緩和階段;“第一零點”是指新增病例的零報告,全社會可以恢復正常的生產生活;而“第二零點”是指在院治療人數等于零,疫情結束。
通過對現有數據進行觀察可知,自 2020 年 1 月 30 日開始,全國(除湖北)地區的每日新增確診人數就開始下降;隨著治愈出院人數的不斷增加,在 2020 年 2 月 11日,該地區的當日在院治療人數達到峰值后也開始下降。各方面數據都可以顯示,這些地區的抗疫工作已經取得顯著成效。而根據現有數據進行預測建模,預計大約在 3月上旬,會出現新增病例的零報告;然后,大約在 3 月中旬左右,疫情有望基本結束。
需要說明的是,由于沒有收集到詳細的“疑似病例”排查的數據系列,所以本文僅僅使用了每日新增確診人數的指標。不過,我們曾經考慮過最壞的假設,把所有的每日疑似病例都放到每日確診人數中。而盡管如此,有關第一拐點、第二拐點以及第一零點的分析結論都沒有太大的變化。只是由于屆時住院人數太多,要達到第二零點,大約需要到 5 月上旬了。當然,如果醫院管理和診療水平很高,一方面絕對不再出現院內感染,另一方面患者治愈出院的速度進一步提高,那么疫情結束的時間還將提前。
還特別需要強調的是,在疫情發展的四個階段中,所謂的“拐點”的出現,只意味著抗疫形勢出現了轉折,但并不意味著“安全點”的到來!因為這時候恰恰是住院人數的高峰時期,并且每日還會有相當數量的新增病例。所以抗疫工作依然不能放松警惕,一定要謹防傳染率有再次走高的風險。
從本文分析中還可以看到,比如山西、甘肅、遼寧、吉林、內蒙、寧夏、新疆、西藏、青海等地,這些地區的患者基數小,而且近五日內新增確診人數的平均值已經小于 5 人,因此可以考慮恢復正常的生產生活秩序。同時也建議國家在繼續做好密切監測和防控措施的基礎上,指導各地區分期、分批地恢復社會經濟活動,從而更好地實現今年的經濟社會發展目標任務。
最后,還希望借此機會,衷心感謝我們團隊所有的老師和同學們!在這場抗擊COVID-19 疫情的戰役中,大家在另一條戰線上,也在共同奮斗,努力貢獻自己的力量。到目前為止,我們團隊的老師和同學們已經通過各種渠道上報了 20 多個提案,提交了5 篇研究報告。這篇文章則是王惠文、盧珊老師和張嚴文、吳祁穎同學主筆的若干研究報告的綜述性簡介。
責任編輯:劉海梅
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