Python实现病毒仿真器的方法示例(附demo)

时间：2021-05-22

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>{self.ui.horizontalSliderBedCount.value()}</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>{self.ui.horizontalSliderFlowIntention.value() / 100}</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>{self.ui.horizontalSliderBroadRate.value() / 100}</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>{self.ui.horizontalSliderLatency.value()}</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

完整代码

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