“虛擬戰(zhàn)疫”：精準(zhǔn)探尋最優(yōu)解

楊妹 凡寧 方姝陽(yáng)

4月8日零時(shí)，因受新冠病毒侵襲而封城76天的武漢終于解封，人們興奮地看到了“武漢重啟”！

而在一座特殊的“城市”里，人們也開(kāi)始了新的工作和生活，居民小A在日志表中列出了離開(kāi)武漢的計(jì)劃，學(xué)生小B準(zhǔn)備出門購(gòu)買幾本急需的專業(yè)書(shū)籍……看到這一幕，科研人員的情緒也隨之好轉(zhuǎn)，按下了演化“快進(jìn)鍵”。

小A、小B居住的這座“城市”可不一般，它被建在有“國(guó)之重器”之稱的“天河”超級(jí)計(jì)算機(jī)上——這是一個(gè)具有1108.1萬(wàn)人口、198個(gè)街道辦事處或社區(qū)的人工城市，搭建了社區(qū)、工廠、學(xué)校等典型場(chǎng)景。在那里，生活著很多虛擬居民，他們和我們一樣，居住在家庭和社區(qū)中，也有親人、朋友、同學(xué)、同事等。他們每天的行為模式也和真實(shí)世界中的我們相仿，有的去學(xué)校上學(xué)，有的去公司上班，有的去逛商場(chǎng)……

建起這樣一座“城市”，目的只有一個(gè)——通過(guò)模擬新冠病毒傳播，優(yōu)化疫情防控方案。

只為打“有準(zhǔn)備之仗”

當(dāng)前抗擊新冠肺炎疫情，是一場(chǎng)沒(méi)有硝煙的戰(zhàn)“疫”。人類需要共同面對(duì)的，是極其兇險(xiǎn)狡猾又看不見(jiàn)的敵人——新冠病毒。

德國(guó)軍事理論家克勞塞維茨認(rèn)為，戰(zhàn)爭(zhēng)是充滿不確定性的領(lǐng)域，戰(zhàn)爭(zhēng)中行動(dòng)所依據(jù)的情況有四分之三好像隱藏在云霧里一樣。現(xiàn)代戰(zhàn)史也證明，戰(zhàn)爭(zhēng)是復(fù)雜巨大的系統(tǒng)，其結(jié)果難以預(yù)測(cè)。因此，在計(jì)算機(jī)上構(gòu)設(shè)接近實(shí)戰(zhàn)的“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”，是一種通過(guò)提前虛擬預(yù)演，為軍事人員解開(kāi)戰(zhàn)爭(zhēng)迷霧的有力手段。

通俗地說(shuō)，“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”是一個(gè)與真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)相似的虛擬環(huán)境，基于相似原理，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)等構(gòu)建而成。

面對(duì)全球蔓延的新冠肺炎疫情，如何科學(xué)防疫是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和效果評(píng)估才能得出最優(yōu)解。然而，真實(shí)社會(huì)經(jīng)不起反復(fù)實(shí)驗(yàn)，同樣也需要用仿真方式模擬一個(gè)“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”，在其中演化疫情傳播過(guò)程，讓各種防控措施和病毒展開(kāi)對(duì)抗，檢驗(yàn)防控效果。

放眼全球，使用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)模擬方法研究疫情的傳播和防控，國(guó)外已有很多成果。例如，美國(guó)東北大學(xué)和ISI基金會(huì)共同研發(fā)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(dòng)中，這些模型都在不約而同地開(kāi)展著同一項(xiàng)工作：基于全球各城市真實(shí)人口和人口遷移數(shù)據(jù)，得出新增病例數(shù)、傳播高峰期等量化數(shù)據(jù)，模擬出可能的流行病傳播結(jié)果。

這些模型，為研究傳染病傳播規(guī)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(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，有的著重研究城市間交通對(duì)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(duì)重點(diǎn)區(qū)域的研究，有的沒(méi)有考慮個(gè)體差異對(duì)病毒傳播的影響，有的沒(méi)有考慮疫情防控手段的實(shí)施效果，有的無(wú)法支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的快速調(diào)整。尤其是分析我國(guó)的疫情防控措施時(shí)，由于地區(qū)文化、人口分布、人群出行、通勤能力差異等因素，無(wú)法支持定量精準(zhǔn)的計(jì)算和評(píng)估，也就無(wú)法科學(xué)指導(dǎo)如何應(yīng)對(duì)疫情防控這類突發(fā)事件。不過(guò)，這為我國(guó)科研人員提供了研究靈感。

不見(jiàn)硝煙卻似實(shí)戰(zhàn)

結(jié)合對(duì)2009年H1N1疫情、2014年埃博拉疫情進(jìn)行計(jì)算實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，由國(guó)防科技大學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)院平行仿真團(tuán)隊(duì)、中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院、湖南大學(xué)國(guó)家超算長(zhǎng)沙中心攜手組建的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)基于多Agent的計(jì)算實(shí)驗(yàn)方法（從微觀個(gè)體角度，結(jié)合宏觀政策開(kāi)展實(shí)驗(yàn)），構(gòu)建了一個(gè)不見(jiàn)硝煙卻似實(shí)戰(zhàn)的“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”——新冠病毒傳播預(yù)測(cè)和防控措施評(píng)估系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由疫情傳播情景構(gòu)造、計(jì)算實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)支撐環(huán)境、疫情傳播可視化和措施評(píng)估等模塊構(gòu)成。打個(gè)比方說(shuō)，“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”的運(yùn)行過(guò)程就像是開(kāi)一局“CS游戲”：疫情傳播情景構(gòu)造模塊可以根據(jù)疫情的傳播特征，給“游戲”設(shè)定合適參數(shù)；計(jì)算實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)模塊則負(fù)責(zé)生產(chǎn)大量實(shí)驗(yàn)樣本，給“游戲”構(gòu)造人物、建筑、場(chǎng)景等模型；疫情傳播可視化模塊能實(shí)時(shí)展現(xiàn)“游戲”的運(yùn)行畫(huà)面，讓人們直觀看到疫情的傳播過(guò)程；措施評(píng)估模塊像是“游戲”結(jié)束后的評(píng)價(jià)，反映出防控措施的效果；計(jì)算實(shí)驗(yàn)支撐環(huán)境模塊就是提供計(jì)算支持、保障“游戲”運(yùn)行的服務(wù)器——天河超級(jí)計(jì)算機(jī)，依賴其強(qiáng)大的運(yùn)算速度和計(jì)算能力，讓“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”可以快速運(yùn)行和高效產(chǎn)出。

既然“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”的后盾如此強(qiáng)大，那它究竟有哪些不凡之處呢？

——它能將傳染病動(dòng)力學(xué)模型和人工社會(huì)計(jì)算實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，用宏觀和微觀的方式，在整體防控政策的指導(dǎo)下，從個(gè)體角度對(duì)疫情防控風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行定量分析。

——它能利用多種數(shù)據(jù)分析手段，針對(duì)不同典型區(qū)域、不同影響因素，建立多場(chǎng)景、多尺度城市區(qū)域模型。

——它還可根據(jù)疫情的實(shí)時(shí)發(fā)展同步調(diào)整，快速預(yù)測(cè)疫情在重點(diǎn)防控區(qū)域的走向，為防控提供預(yù)警。

在現(xiàn)實(shí)的病毒傳播中，人們關(guān)系越親密意味著越可能成為“密切接觸者”；不同的場(chǎng)所具有不同的封閉性、聚集性，帶來(lái)的病毒傳播風(fēng)險(xiǎn)也各不相同。同時(shí)，根據(jù)公共衛(wèi)生應(yīng)急響應(yīng)等級(jí)的不同，同一個(gè)虛擬場(chǎng)所采取不同防控措施后，也會(huì)導(dǎo)致不同的傳播風(fēng)險(xiǎn)。這些“不同”融入“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”中的每一個(gè)個(gè)體、每一處場(chǎng)所，“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”便開(kāi)啟超級(jí)模式，在“天河”超級(jí)計(jì)算機(jī)上快速運(yùn)行，以遠(yuǎn)超真實(shí)演進(jìn)速率的方式演算出未來(lái)數(shù)天的疫情發(fā)展情況，給出預(yù)報(bào)和預(yù)警。

通過(guò)在“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”設(shè)計(jì)海量樣本，科研人員能夠?qū)σ咔榈膫鞑ミ^(guò)程進(jìn)行多路徑演化和復(fù)盤分析。針對(duì)人口分布、醫(yī)療資源儲(chǔ)備、文化背景等特征，評(píng)估和優(yōu)化各種防控措施組合，特別是從成本和效果兩個(gè)角度，對(duì)每個(gè)人的防控措施進(jìn)行精細(xì)化評(píng)測(cè)。通過(guò)反復(fù)計(jì)算實(shí)驗(yàn)、迭代尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)防控預(yù)案的分級(jí)評(píng)價(jià)，為政府治理提供合理有效的建議。

搭建多維演練平臺(tái)

在“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”上，建模與仿真技術(shù)就如同一座建筑的框架結(jié)構(gòu)，屬于重要支撐。隨著與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、智能交互等新技術(shù)手段的進(jìn)一步深入結(jié)合，建模與仿真技術(shù)正在向服務(wù)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”還將大有可為。

在軍事領(lǐng)域，以軍事建模與仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”，已為越來(lái)越多指戰(zhàn)員提供了錘煉軍事技能、提升戰(zhàn)斗力的多維演練平臺(tái)。未來(lái)，它能更好地支持人在回路的對(duì)抗推演，實(shí)現(xiàn)對(duì)指揮員決策過(guò)程的訓(xùn)練支持；支撐實(shí)際裝備在線接入和多樣化智能交互，使受訓(xùn)人員獲得接近實(shí)戰(zhàn)的沉浸式訓(xùn)練體驗(yàn)；實(shí)現(xiàn)專家與智能機(jī)器的結(jié)合，以人為主、人機(jī)融合，以更加協(xié)作、智能的方式構(gòu)建未來(lái)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)室，為戰(zhàn)法研究等問(wèn)題提供量化分析手段，達(dá)到有效的戰(zhàn)前預(yù)警、人員訓(xùn)練、方案評(píng)估、作戰(zhàn)推演，為打好“有準(zhǔn)備之仗”奠定基礎(chǔ)。

可以想見(jiàn)，在沒(méi)有邊界的“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”上，指揮員能實(shí)現(xiàn)對(duì)各軍兵種、各型裝備、各類編制組成、各種戰(zhàn)法的對(duì)抗過(guò)程模擬，并以沉浸式完成整個(gè)武裝力量的編訓(xùn)工作。

當(dāng)然，“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”不僅是軍事人員的演練場(chǎng)，它的構(gòu)設(shè)也將成為社會(huì)應(yīng)急管理部門應(yīng)對(duì)各類非常規(guī)突發(fā)事件的有效手段。除了新冠肺炎疫情這類公共衛(wèi)生事件外，在應(yīng)對(duì)地震等自然災(zāi)害事件時(shí)，運(yùn)用它也可對(duì)救災(zāi)人員進(jìn)場(chǎng)路線、救援物資調(diào)配、醫(yī)療人員救治方案等進(jìn)行實(shí)時(shí)在線演練；在應(yīng)對(duì)危化品爆炸這類災(zāi)難事故時(shí)，它可以支持對(duì)人員疏散路徑、?；诽幹眠^(guò)程、交通疏導(dǎo)等方案的精準(zhǔn)尋優(yōu)?？傊?，在“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”上，科研人員針對(duì)各類非常規(guī)突發(fā)事件，都可摸索到應(yīng)急決策和精準(zhǔn)處置方法。

天有不測(cè)風(fēng)云。各類突發(fā)事件正給國(guó)家治理、國(guó)家安全帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。根據(jù)事件發(fā)展變化可做出靈活調(diào)整的“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”，將在疫情和災(zāi)情防控一線發(fā)揮出更加重要的作用。

（本文轉(zhuǎn)載自2020年4月17日《解放軍報(bào)》）