Python实现病毒仿真器的方法示例(附demo)

脚本专栏 2024/11/8 佚名

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最近新冠在神州大陆横行，全国上下一心抗击疫情。作为一枚程序员，我也希望可以为抗击疫情做出自己的贡献，钟院士一直劝说大家不要出门，减少人口间的流动。对此，我特意做了一个病毒仿真器，探询冠状病毒传播。

1. 仿真效果

仿真开始，一开始只有5个发病者，传播率为0.8，潜伏期为14天

由于人口的流动，以及医院床位的隔离，一开始病毒扩撒不是很速度

随着医院床位满了，隔离失败，加上人口的流动，病患数开始几何式的增加

2. 什么是仿真器

仿真器（emulator）以某一系统复现另一系统的功能。与计算机模拟系统（Computer Simulation）的区别在于，仿真器致力于模仿系统的外在表现、行为，而不是模拟系统的抽象模型。

3. python如何实现仿真器

现在来谈谈仿真器实现的原理。仿真器使用Python和PyQt5实现。PyQt5是封装了Qt library的跨平台GUI开发库，基于Python语言。

这里主要涉及到仿真器效果绘制，以及如何模拟多个参数。先来说一下绘制市民的状态。绘制的工作通过drawing.py文件的Drawing类来完成。该类是QWidget的子类，这也就意味着Drawing类本身是PyQt5的一个组件。与按钮、标签类似。只是并不需要往Drawing上放置任何子组件。只要在Drawing上绘制各种图形即可。

在PyQt5中，任何一个QWidget的子类，都可以实现一个paintEvent方法，当组件每次刷新时，就会调用paintEvent方法重新绘制组件的内容。Drawing类中paintEvent方法的代码如下：

 # 每次Drawing刷新，都会调用该方法
  def paintEvent(self,event):
    qp = QPainter()
    qp.begin(self)
    self.drawing(qp) # 绘制城市的各种状态的市民
    qp.end()

在绘制图像前，需要创建QPainter对象，然后调用QPainter对象的begin方法，结束绘制后，需要调用QPainter对象的end方法。上面代码中的drawing方法用于完成具体的绘制工作。

仿真器设置一个人员池，来进行人员的流动性

class Persons(metaclass=Singleton):
  def __init__(self):
    self.persons = []          # 保存所有的人员
    self.latency_persons = []      # 保存处于潜伏期的人员
 
    city = City(Params.city_center_x,Params.city_center_y)
 
    for value in range(0, Params.city_person_count):
      x = Params.person_position_scale * next_gaussian() + city.center_x
      y = Params.person_position_scale * next_gaussian() + city.center_y
      if x > Params.city_width:
        x = Params.city_width
      if y > Params.city_height:
        y = Params.city_height
      self.persons.append(Person(city,x,y))
  # 获取特定人群的数量
  def get_person_size(self,state):
    if state == -1:
      return len(self.persons)
    count = 0
    for person in self.persons:
      if person.state == state:
        count += 1
    return count

仿真代码

from PyQt5.QtWidgets import *
from socket import *
 
class Transmission:
  def __init__(self,ui):
    self.ui = ui
    self.host = 'localhost'
    self.port = 5678
    self.addr = (self.host,self.port)
 
  def send_command(self,command,value=None):
    tcp_client_socket = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
    tcp_client_socket.connect(self.addr)
 
    if value == None:
      value = 0
 
    data = command + ':' + str(value)
    tcp_client_socket.send(('%s\r\n' % data).encode(encoding='utf-8'))
    data = tcp_client_socket.recv(1024)
    result = data.decode('utf-8').strip()
    tcp_client_socket.close()
    return result
  def setup(self):
    self.ui.horizontalSliderBedCount.valueChanged.connect(self.bed_count_value_change)
    self.ui.pushButtonUpdateBedCount.clicked.connect(self.update_bed_count)
 
    self.ui.horizontalSliderFlowIntention.valueChanged.connect(self.flow_intention_value_change)
    self.ui.pushButtonFlowIntention.clicked.connect(self.update_flow_intention)
 
    self.ui.horizontalSliderBroadRate.valueChanged.connect(self.broad_rate_value_change)
    self.ui.pushButtonBroadRate.clicked.connect(self.update_broad_rate)
 
    self.ui.horizontalSliderLatency.valueChanged.connect(self.latency_value_change)
    self.ui.pushButtonLatency.clicked.connect(self.update_latency)
 
    self.ui.pushButtonClose.clicked.connect(self.close_virus_simulation)
 
  def bed_count_value_change(self):
    self.ui.labelBedIncrement.setText(
      f'<html><head/><body><p><span style=\" font-size:24pt; color:#0000ff;\">{self.ui.horizontalSliderBedCount.value()}</span></p></body></html>')
 
  def update_bed_count(self):
    print(self.ui.horizontalSliderBedCount.value())
    result = self.send_command('add_bed_count', self.ui.horizontalSliderBedCount.value())
    if result == 'ok':
      QMessageBox.information(self.ui.centralwidget, '消息', f'成功添加了{self.ui.horizontalSliderBedCount.value()}张床位',
                  QMessageBox.Ok)
 
  def flow_intention_value_change(self):
    self.ui.labelFlowIntention.setText(
      f'<html><head/><body><p><span style=\" font-size:24pt; color:#fc02ff;\">{self.ui.horizontalSliderFlowIntention.value() / 100}</span></p></body></html>')
 
  def update_flow_intention(self):
    result = self.send_command('set_flow_intention', self.ui.horizontalSliderFlowIntention.value())
    if result == 'ok':
      QMessageBox.information(self.ui.centralwidget, '消息',
                  f'成功设置流动意向为{self.ui.horizontalSliderFlowIntention.value() / 100}', QMessageBox.Ok)
 
  def broad_rate_value_change(self):
    self.ui.labelBroadRate.setText(
      f'<html><head/><body><p><span style=\" font-size:24pt; color:#fc0107;\">{self.ui.horizontalSliderBroadRate.value() / 100}</span></p></body></html>')
 
  def update_broad_rate(self):
    result = self.send_command('set_broad_rate', self.ui.horizontalSliderBroadRate.value())
    if result == 'ok':
      QMessageBox.information(self.ui.centralwidget, '消息',
                  f'成功设置传播率为{self.ui.horizontalSliderBroadRate.value() / 100}', QMessageBox.Ok)
 
  def latency_value_change(self):
    self.ui.labelLatency.setText(
      f'<html><head/><body><p><span style=\" font-size:24pt; color:#ffff0a;\">{self.ui.horizontalSliderLatency.value()}</span></p></body></html>')
 
  def update_latency(self):
    result = self.send_command('set_latency', self.ui.horizontalSliderLatency.value())
    if result == 'ok':
      QMessageBox.information(self.ui.centralwidget, '消息', f'成功设置传播率为{self.ui.horizontalSliderLatency.value()}',
                  QMessageBox.Ok)
 
  def close_virus_simulation(self):
    reply = QMessageBox.information(self.ui.centralwidget, "请问", "是否真的要关闭病毒扩散仿真器？",
                    QMessageBox.Yes | QMessageBox.No, QMessageBox.No)
    if reply == QMessageBox.Yes:
      result = self.send_command('close')
      if result == 'ok':
        QMessageBox.information(self.ui.centralwidget, '消息', '已经成功关闭病毒扩散仿真器', QMessageBox.Ok)

设置变量

class Params:
  success = False
 
  # 初始感染人数
  original_infected_count = 50
 
  # 病毒传播率
  broad_rate = 0.8
 
  # 病毒潜伏期，14天
  virus_latency = 140
 
  # 医院收治响应时间
  hospital_receive_time = 10
 
  # 医院床位
  hospital_bed_count = 100
 
  # 安全距离
  safe_distance = 2
 
  # 平均流动意向[-3,3]  值越大，流动意向越强
  average_flow_intention = 3
 
  # 城市总人口数量
  city_person_count = 5000
 
  # 病死率
  fatality_rate = 0.02
 
  # 死亡时间
  dead_time = 30
  # 死亡时间方差
  dead_variance = 30
 
  # 城市宽度
  city_width = 1100
 
  # 城市高度
  city_height = 800
 
  # 医院宽度（需要计算获得）
  hospial_width = 0
 
  # 城市中心x坐标
  city_center_x = 550
 
  # 城市中心y坐标
  city_center_y = 400
 
  # 用于计算城市中每个人随机位置的scale（用于正态分布）
  person_position_scale = 200
 
  current_time = 1 # 当前时间

我们可以根据这些修改仿真页面