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    王聪, 严洁, 王旭, 李敏

    Analysis on early spatiotemporal transmission characteristics of COVID-19

    Wang Cong, Yan Jie, Wang Xu, Li Min
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    • 通过最新公布的流行病学数据估计了易感者-感染者模型参数, 结合百度迁徙数据和公开新闻报道, 刻画了疫情前期武汉市人口流动特征, 并代入提出的支持人口流动特征的时域差分方程模型进行动力学模拟, 得到一些推论: 1)未受干预时传染率在一般环境下以95%的置信度位于区间[0.2068, 0.2073], 拟合优度达到0.999; 对应地, 基本传染数 R 0位于区间[2.5510, 2.6555]; 极限环境个案推演的传染率极值为0.2862, 相应的 R 0极值为3.1465; 2)百度迁徙规模指数与铁路发送旅客人数的Pearson相关系数达到0.9108, 有理由作为人口流动的有效估计; 3)提出的模型可有效推演疫情蔓延至外省乃至全国的日期, 其中41.38%的预测误差 ≤ 1 d, 79.31%的预测误差 ≤ 3 d, 96.55%预测误差 ≤ 5 d, 总体平均误差约为 2.14 d.
      In this paper, a simple susceptible-infected (SI) model is build for simulating the early phase of COVID-19 transmission process. By using the data collected from the newest epidemiological investigation, the parameters of SI model is estimated and compared with those from some other studies. The population migration data during Spring festival in China are collected from Baidu.com and also extracted from different news sources, the migration characteristic of Wuhan city in the early phase of the epidemic situation is captured, and substituted into a simple difference equation model which is modified from the SI model for supporting migrations. Then several simulations are performed for the spatiotemporal transmission process of COVID-19 in China. Some conclusions are drawn from simulations and experiments below. 1) With 95% confidence, the infection rate of COVID-19 is estimated to be in a range of 0.2068–0.2073 in general situation, and the corresponding basic reproduction number R 0is estimated to be in a range of 2.5510–2.6555. A case study shows that under an extreme condition, the infection rate and R 0are estimated to be 0.2862 and 3.1465, respectively. 2) The Pearson correlation coefficient between Baidu migration index and the number of travelers sent by railway is 0.9108, which indicates a strong linear correlation between them, thus it can be deduced that Baidu migration index is an efficient tool for estimating the migration situation. 3) The epidemic arrival times for different provinces in China are estimated via simulations, specifically, no more than 1 day within an estimation error of 41.38%; no more than 3 days within an error of 79.31%, and no more than 5 days with an error of 95.55%. An average estimation error is 2.14 days.
          通信作者:严洁,yan_jie@foxmail.com
        • 基金项目:国家自然科学基金(批准号: 61602331)资助的课题
          Corresponding author:Yan Jie,yan_jie@foxmail.com
        • Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61602331)
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      • 日期 人数 日期 人数 日期 人数 日期 人数 日期 人数
        12/09 1 12/17 12 12/21 29 12/25 47 12/29 78
        12/11 2 12/18 14 12/22 37 12/26 49 12/30 90
        12/12 5 12/19 16 12/23 40 12/27 59 12/31 102
        12/15 8 12/20 25 12/24 45 12/28 68
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        截至时点 估计发病人数 实际发病人数 上报CCDC人数
        软件抓取法 蒙特卡罗法
        2019/12/31 102 49 102 0
        2020/01/10 738 459 738—781 41
        2020/01/20 6162 5800 6143—6187 291
        2020/01/31 32661 29654 32633—32677 11821
        2020/02/11 44692 69163 44672 44730
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        截止日期 $\beta $ 置信区间 R2 截止日期 $\beta $ 置信区间 R2
        2019/12/31 0.2213 [0.2152, 0.2274] 0.868 2020/01/11 0.2066 [0.2056, 0.2274] 0.990
        2020/01/01 0.2171 [0.2116, 0.2225] 0.878 2020/01/12 0.2063 [0.2056, 0.2071] 0.993
        2020/01/02 0.2168 [0.2127, 0.2209] 0.923 20200/1/13 0.2060 [0.2054, 0.2067] 0.995
        2020/01/03 0.2159 [0.2127, 0.2191] 0.949 2020/01/14 0.2059 [0.2054, 0.2064] 0.997
        2020/01/04 0.2155 [0.2130, 0.2179] 0.967 2020/01/15 0.2056 [0.2052, 0.2060] 0.998
        2020/01/05 0.2138 [0.2118, 0.2159] 0.973 2020/10/16 0.2058 [0.2054, 0.2061] 0.998
        2020/01/06 0.2127 [0.2109, 0.2144] 0.980 2020/01/17 0.2060 [0.2057, 0.2063] 0.999
        2020/01/07 0.2109 [0.2093, 0.2126] 0.980 2020/01/18 0.2064 [0.2061, 0.2066] 0.999
        2020/01/08 0.2091 [0.2075, 0.2107] 0.979 2020/01/19 0.2065 [0.2063, 0.2067] 0.999
        2020/01/09 0.2080 [0.2067, 0.2094] 0.984 2020/01/20 0.2066 [0.2064, 0.2068] 0.999
        2020/01/10 0.2067 [0.2054, 0.2080] 0.985 2020/01/21 0.2070 [0.2068, 0.2073] 0.999
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        截至时点 $\beta $
        0.2213 0.2159 0.2080 0.2066
        2019/12/31 130 116 97 95
        2020/01/10 1190 1001 777 753
        2020/01/20 10870 8666 6220 5964
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        日期 迁徙指数 人数/万 日期 迁徙指数 人数/万 日期 迁徙指数 人数/万
        2020/01/10 6.6232 27 2020/01/22 11.8403 29.96 2019/01/29 7.0282 27.2
        2020/01/11 7.5612 29.8 2019/01/21 4.5718 21.6 2019/01/30 7.1072 27.7
        2020/01/12 6.2165 27 2019/01/22 4.6892 21.4 2019/01/31 7.4800 28.1
        2020/01/13 5.7620 24.8 2019/01/23 4.8062 23 2019/02/01 8.7140 29.8
        2020/01/15 5.9087 26.5 2019/01/24 4.8605 21.7 2019/02/02 9.6043 31.5
        2020/01/16 6.0028 27.7 2019/01/26 7.0436 27 2019/02/03 9.2247 29.1
        2020/01/19 7.4060 30 2019/01/28 6.7706 26.8
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        省份 $\beta $ 实际日期 省份 $\beta $ 实际日期
        0.2213 0.2159 0.2070 0.2213 0.2159 0.2070
        安徽 01/06 01/06 01/07 01/07 辽宁 01/11 01/12 01/13 01/09
        北京 01/07 01/07 01/08 01/08* 内蒙古 01/13 01/14 01/16 01/16
        福建 01/09 01/09 01/10 01/06 宁夏 01/17 01/18 01/20 01/17
        甘肃 01/10 01/11 01/12 01/04 青海 01/19 01/21 01/23 01/21
        广东 01/05 01/05 01/06 01/04 山东 01/08 01/08 01/09 01/08
        广西 01/08 01/09 01/09 01/13 山西 01/09 01/10 01/10 01/14
        贵州 01/08 01/08 01/09 01/06 陕西 01/09 01/09 01/10 01/12
        海南 01/10 01/11 01/12 01/13 上海 01/08 01/08 01/09 01/10
        河北 01/08 01/09 01/09 01/13 四川 01/08 01/08 01/09 01/07
        河南 01/04 01/04 01/05 01/03 天津 01/14 01/15 01/16 01/11
        黑龙江 01/12 01/13 01/14 01/12 西藏 > 01/23 > 01/23 > 01/23 01/30
        湖南 01/05 01/05 01/06 01/05 新疆 01/12 01/12 01/14 01/17
        吉林 01/15 01/15 01/17 01/14 云南 01/09 01/11 01/10 01/07
        江苏 01/06 01/07 01/07 01/10 浙江 01/07 01/07 01/08 01/04
        江西 01/06 01/07 01/07 01/07 重庆 01/08 01/08 01/09 01/06
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      出版历程
      • 收稿日期:2020-02-25
      • 修回日期:2020-03-11
      • 刊出日期:2020-04-20

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