用Scratch來模擬肺炎傳染有多可怕

苗森 謝作如

2020年初，一場新型冠狀病毒引發的肺炎席卷神州大地。隨著肺炎疫情的蔓延，大部分人響應政府號召，盡量避免外出，但仍有人不以為然，照常外出社交娛樂。針對這一現象，Ele實驗室發布了《計算機仿真程序告訴你為什么現在還沒到出門的時候》的網絡視頻，利用編程模擬病毒傳播過程，以可視化的方法展示人口流動、隔離床位等因素對疫情防控的影響，點擊量和轉發量上百萬，同時也讓人們領略到計算機編程的魅力。

Ele實驗室用的編程語言是Java，中小學生最熟悉的編程語言卻是Scratch，能否利用Scratch來模擬肺炎傳染？筆者想到Scratch偵測模塊中的“碰到”指令，與肺炎傳染中的人員接觸頗為相似，于是帶著這個問題，開啟了一場Scratch模擬肺炎傳染的編程之旅（如圖1）。

● 作品規劃

Scratch模擬肺炎傳染的程序設計主要包含4個重要問題：①怎樣模擬人群分布和人口流動？②怎樣模擬肺炎傳染的過程？③怎樣模擬肺炎救治過程？④怎樣對感染人數和疫情蔓延時間進行統計？表1是上述4個程序設計重要問題說明。

● 角色設計

根據系統設計中的傳播過程建模，在Scratch的角色區創建4個角色：健康者、首批病患、提示者和隔離區。

1.健康者

健康者在初始狀態的基礎上，根據系統設定的流動性參數，持續不斷地移動，在此過程中可能經歷4種狀態：健康狀態、感染病毒但未發病狀態、感染病毒且已發病狀態和感染病毒已隔離救治狀態。為了在模擬程序中更容易區分這4種狀態，分別使用4個造型以不同的顏色標記（如表2）。

2.首批感染者

首批感染者相對于健康者而言，在初始化時就是感染未發病狀態，后續經歷發病和隔離兩種狀態，因此它可以與健康者共用一套角色造型。

3.隔離區

隔離區負責收治已發病的肺炎感染者。初始為“空倉”狀態，床位充裕，但收治隔離病人會不斷擠占床位，當床位已滿時，隔離區就無法再收治，此時隔離區切換造型為“滿倉”狀態（如表3）。

4.提示人

提示人根據感染人數計算出感染率，當感染率達到50%時提出警示，當感染率達到90%時再次提出警示。

● 工作流程

根據系統設計中的假設，結合Scratch3.0的指令功能，筆者繪制了Scratch模擬肺炎傳染程序的流程簡圖（如上頁圖2）。

需要說明的是：①健康者與首批病患者的角色本體在完成克隆指令后，不參與程序中的交互，實際參與交互的是健康者和首批病患的克隆體。②程序生成克隆體需要一段時間，這段時間不應計入疫情蔓延時間;先克隆健康者，再克隆首批病患，計時從首批病患克隆完成之后開始。③假設床位充足時，發病即確診，即隔離救治。④假設加入病患感染病毒未發病，尚處于潛伏期，無法得到救治;只有當病患發病后，才能得到救治。因此，盡管在首批病患發病前，受傳染人數可能超過床位量，但隔離區在首批病患發病后才開始判斷是否滿倉。

● 程序編寫

模擬程序中涉及的量包括：模擬人數（健康者和首批病患）、人口流動性參數、床位量參數、延遲度參數、感染人數、感染率、時間等。經測試，受Scratch克隆體運行機制和程序復雜度的雙重限制，本程序的模擬人數不宜超過100，因此直接把模擬人數設定為100，其中健康者98人，首批病患2人。其他變量的創建如表4所示。

健康者和首批患者是模擬程序中的核心角色，他們的腳本較為復雜。以健康者的腳本為例，其腳本指令如圖3、圖4所示。

● 模擬測試

測試環境：Windows10操作系統、電腦配置CPU Intel（R）i5-8265U、內存8GB、顯卡Intel（R） UHD Graphics 620。筆者分別輸入如下頁表5所示的5組數據，每組數據模擬運行三次，以數值在中間的一次為準，將模擬結果用折線圖的形式呈現，如下頁圖5所示。

從折線圖中，第③組代表正常人群流動且不進行任何隔離治療措施時的趨勢，疫情肺炎感染率迅速增加。比較第①組至第③組可以發現，當人們盡量減少外出，也就是降低人群的流動性后，肺炎疫情將大為緩解。比較第②組與第④組，相同的人群流動性和延遲度，增加床位量，對肺炎疫情有所緩解。比較第④組與第⑤組，相同的人群流動性和床位數，如采取措施縮短病患從感染到隔離治療的時間，肺炎疫情也有所緩解。

當然，這個程序還存在諸多問題，如輸入相同參數進行多次模擬，每次模擬結果之間的差距較大，模擬結果將受測試電腦性能影響導致結果不一致性。要更逼真地模擬肺炎感染，可以從兩方面努力：①優化模擬程序算法，把肺炎傳播的各方面因素納入其中，例如，健康者與病患接觸時并非一定被感染，存在一個感染的概率;用正態分布代替隨機分布，更加符合現實中的人群分布狀態等。②選擇更專業的編程工具。畢竟Scratch并非為數學模擬而開發，對克隆體數量的支持有限，而諸如Java、MATLAB等編程工具可以支持更為復雜的函數，擁有更高的程序執行效率。

回看這個程序的設計，并沒有高深莫測的算法，也不需要復雜的編程工具，稍有編程基礎的學生通過自己努力就可以完成。但要把這個程序寫好，學生需要了解傳染病的傳染規律，了解常見的傳染病數學模型。筆者相信，通過編寫這樣的程序，學生將體會編程并非就是簡單地敲打代碼，而是一項非常綜合的工作，正所謂“汝果欲學詩，功夫在詩外”。