Python实现病毒仿真器

程序员文章站 2024-02-23 16:05:28

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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

Python实现病毒仿真器

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

Python实现病毒仿真器

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

Python实现病毒仿真器

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

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完整代码

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1. 仿真效果

2. 什么是仿真器

3. python如何实现仿真器

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