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Die andere Physik: Methoden

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Um besser zu verstehen, wie es funktioniert, wird erläutert, wie es auf ein aktuelles Problem wie COVID19 angewendet wird (Hinweis: Coronavirus ist eine Familie von Viren, COVID19 ist ein bestimmtes Coronavirus, das Ende 2019 vorgestellt wurde). Es wird erklärt wie

• Informationen erhalten,

• wie Modelle gebildet werden,

• vorhandene Modelle verwenden,

• die Modelle an die Situation anpassen

• Probleme mit den Daten analysieren, die erhalten werden können

• Modell anpassen, um Daten mit Problemen zu verwenden

• Berechnung der wichtigsten Modellfaktoren

• das Verhalten von Menschen und Behörden integrieren

• Verwenden Sie die Modelle, um eine bessere Strategie zu finden

>Modell

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Ein praktischer Fall: Covid19

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Um zu zeigen, wie diese andere Physik funktioniert, wird auf vereinfachte Weise gezeigt, wie ein Modell zur Untersuchung der COVID-Pandemie19 aufgebaut ist und wie die Arbeit zur Beratung bei der Entscheidungsfindung verwendet wird. Es erklärt auch die Schwierigkeiten, die sie haben, und wie sie angegangen werden können.

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COVID19 Dokumentation

Video

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Das folgende Video zeigt, wie sich das Virus ausbreitet, wie es in die Zelle eindringt und wie es sich repliziert, um andere Zellen erneut anzugreifen.

Daten für die Modellierung können erhalten werden von:

Allgemeine globale Daten zu Infizierten, Toten, Tests, Maßnahmen usw.

Our World in Data

Daten aus Chile (MINSAL)

MINSAL Chile

Daten nach Bundesstaat und Gemeinde in den USA:

New York Times

Google-Mobilitätsdaten:

COVID-19 Community Mobility Reports

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Ein Modell bauen

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Der erste Schritt besteht darin, das Thema durch kennenzulernen

• Lesen Sie allgemeine Informationen, um sich einen Überblick zu verschaffen
• Kontaktieren Sie Experten, die zu einer ersten Vision des Themas beitragen können
• Suchen Sie nach detaillierteren Informationen zu den wichtigsten Themen des Modells
• Suche nach vorhandenen Modellen
• Generieren Sie Ihr eigenes Modell, das die zu erhaltenden Informationsanforderungen erfüllt
• Überprüfen Sie das Modell mit Experten, die auf mögliche konzeptionelle und / oder Parameterfehler hinweisen können

In diesem speziellen Fall sollten zwei Hauptprobleme modelliert werden:

• die Zeiten, die die verschiedenen Gesichter brauchen, und die Möglichkeit, dass die Person andere infizieren kann

• die Mechanismen und die Wahrscheinlichkeit einer Ansteckung pro Tag

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Ansteckungsmechanismus

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Im Fall von COVID19 besteht die Hauptansteckung aus Tröpfchen (Tropfen, die das Virus tragen), die von den Infizierten ausgestoßen werden. Je nach Größe der Tropfen fallen sie mit unterschiedlicher Geschwindigkeit auf den Boden. Dies kann mit dem Stokes'schen Gesetz für die Verschiebung von Kugeln in einem viskosen Medium modelliert werden, wobei die asymptotische Geschwindigkeit (das durch Fallen erreichte Maximum) gleich ist\\n\\n

$v=\displaystyle\frac{2\rho}{9\eta}a^2$



Dabei ist \ rho die Dichte des Wassers, \ eta die Viskosität der Luft und a der Radius des Tropfens. Da die Fallgeschwindigkeit proportional zum Quadrat des Tropfens ist, fallen kleinere Tröpfchen schneller, während kleinere lange Zeit in der Luft bleiben können (Nebeltyp).



Wenn angenommen wird, dass der Tropfen in einer Höhe von 1,5 m ausgestoßen wird, kann die Fallzeit mit der Fallgeschwindigkeit berechnet werden. Mit einer Tropfenausstoßgeschwindigkeit von 0,1 m / s und der Abfallzeit kann der Bereich berechnet werden, wenn keine Diffusionsprozesse vorhanden wären. Als ob es eine Diffusion gibt, kann angenommen werden, dass die Bereiche kleiner Tropfen völlig überschätzt werden.

Wenn die Literatur konsultiert wird, wird ersichtlich, dass die Tröpfchen, die beim Sprechen erzeugt werden, zwischen 2 und 100 um mit einer höheren Konzentration zwischen 4 und 8 um liegen (The size and the duration of air-carriage of respiratory droplets and droplet-nuclei, J. P. Duguid, J. Hyg. (Lond.) 44, 471-479 (1946)). Daher sind die aktuellen 1-Meter-Empfehlungen zu begrenzt. Bei genauerer Betrachtung wird ersichtlich, dass sich die Tröpfchen in einen Diffusionsmodus ändern, dessen Reichweite begrenzter ist als angegeben. Aus diesem Grund ist die Annahme einer Entfernung von 2 Metern realistischer und es wird davon ausgegangen, dass die Tropfen mehrere Minuten oder sogar Stunden in der Luft bleiben.

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Ansteckungsprävention

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Angesichts der begrenzten sozialen Distanzierung wird die Verwendung einer Maske zum Schlüssel. Die üblichen Masken erfassen einen Großteil der vom Träger der Maske emittierten Tröpfchen und sind daher ein Schutz für andere und nicht für den Träger der Maske. Da die Porosität nicht geringer ist, schützen sie nicht vor ansteigenden Tröpfchen, die sich bereits in der Umgebung befinden.

Wenn wirklicher Schutz erforderlich ist, sollten Sie eine Maske vom Typ N95 verwenden, die Poren mit einer Größe zwischen 65 und 125 nm aufweist und daher nur wenige Tröpfchen durchlässt. Andererseits besteht die Gefahr, dass Tröpfchen einen Teil der Schleimhaut (feuchte Bereiche) des Körpers erreichen, so dass ein Augenschutz (Visier) nützlich ist. Darüber hinaus ist es erforderlich, Mund, Nase oder Augen nicht zu berühren , da Sie Viren an Ihren Händen haben können und somit die Schleimhaut erreichen . Das Krankenhauspersonal trägt auch Anzüge , damit keine Viren an der Kleidung haften bleiben . Schließlich gibt es das Waschen, das ungefähr 20 Sekunden dauert, bis die Seife die äußere Schicht des Virus aufgelöst und dadurch zerstört hat.

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Gemeinschaftsgröße

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Sobald wir die Wahrscheinlichkeit einer Ansteckung kennen, müssen wir die Anzahl der Infizierten abschätzen, mit denen wir Kontakt aufnehmen, und damit haben wir die Möglichkeit einer Ansteckung. Hier müssen wir zwischen der Anzahl der täglichen Kontakte C und denen von Personen unterscheiden, mit denen wir möglicherweise N Kontakt haben können. Um die Größe dieser Gruppe oder dieses Netzwerks von Kontakten zu schätzen, von denen die tatsächlichen Kontakte stammen, sollten Sie nach einem Proxy suchen, dh einer Variablen, die ein gutes Maß für das ist, wonach wir suchen, und nicht genau die Variable ist das würden wir versuchen zu wissen. Im Fall von Gemeinden und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass wir für eine Pandemie die Nutzung von Krankenhäusern überwachen müssen, kann die Anzahl der Personen, die wir pro Krankenhaus gruppieren können, als Größe angenommen werden. Dazu reicht es aus, die Bevölkerungszahl zu berücksichtigen und durch die Anzahl der Krankenhäuser zu dividieren.

Im Fall von Valdivia gibt es ungefähr 170.000 Einwohner und zwei Kliniken mit Intensivbetten (die Deutsche Klinik und das Regionalkrankenhaus). In diesem Sinne kann Valdivia in zwei Gruppen oder Gemeinschaften unterteilt werden, die Netzwerke bilden, über die sich die Pandemie ausbreiten kann: die Mittel- bis Oberschicht, die tendenziell die Dienste der deutschen Klinik in Anspruch nimmt, und die zweite Gruppe, die die Dienste des Regionalkrankenhauses in Anspruch nimmt mit einem N Durchschnitt von ungefähr 85.000 Menschen.

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Anzahl der Infizierten

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Innerhalb der Community, mit der wir normalerweise Kontakte haben, sind diejenigen Personen, die derzeit infiziert sind und aktiv I infizieren. Aus der Beziehung zwischen dieser Anzahl und der Anzahl der Personen in der Gemeinde wird geschätzt, dass eine Person, mit der wir Kontakt haben, infiziert ist und uns infizieren kann.

Um die Anzahl der aktiven Infizierten abzuschätzen, muss die Diagnose der Bevölkerung gemessen werden. Dies kann durch den Versuch geschehen, die Mehrheit abzudecken, oder durch Stichproben und Extrapolation auf die gesamte Gemeinschaft. Aus diesem Grund ist es immer erforderlich, die Anzahl der durchgeführten Tests zu kennen, damit der Anteil der positiven Fälle geteilt durch die Anzahl der Diagnosen eine Schätzung der Gesamtzahl der Infizierten ergibt. Aus diesem Grund wird der Satz 'Wenn mehr gefunden wird, wird mehr gefunden und ist daher nicht sinnvoll' gehört, da Sie immer die Anzahl der Positiven mit der gemessenen Anzahl kaufen sollten, damit die Zunahme der Messungen nur die Genauigkeit erhöht.

Hinweis: Wenn Sie einen Ausbruch unter Kontrolle halten möchten, müssen Sie möglicherweise systematisch nach den Infizierten suchen, um ihn unter Quarantäne zu stellen. In diesen Fällen diagnostizieren sie es von allen Menschen und mehrfach.

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Tägliche Kontakte

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An dem Tag trifft man sich mit einer kleinen Gruppe von Menschen, die wir C -Kontakte nennen und mit denen genügend Nähe besteht, um infizieren zu können (Entfernung für eine lange Zeit weniger als einen Meter). Diese variieren von Tag zu Tag und sind eine kleine Untergruppe der N -Gemeinschaft. Studien haben gezeigt, dass die durchschnittliche Anzahl mit dem Alter variiert und sich aus Menschen zusammensetzt, mit denen man zusammenlebt, einem Freund, mit dem man sich trifft, einem Kollegen, von dem man arbeitet oder studiert, und Kontakten für persönliche Dienstleistungen.

Grafik von 'Mixing patterns between age groups in social networks', S.Y. Del Valle a, J.M. Hyman b, H.W. Hethcote c, S.G. Eubank, Social Networks 29 (2007) 539-554

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Wahrscheinlichkeit einer täglichen Ansteckung

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Die Wahrscheinlichkeit einer Infektion einer Person kann daher unter Berücksichtigung geschätzt werden\\n\\n- alle Kontakte $C$, die Sie pro Tag haben\\n\\nWenn die Kontakte mit der Wahrscheinlichkeit multipliziert werden, dass eine Person eine aktive Ansteckung I / N ist, erhalten wir\\n\\n- die ansteckende Nummer, mit der Sie Kontakt haben $C I/N$\\n\\nWenn Sie die durchschnittliche Anzahl infizierter Personen, mit denen Sie Kontakte haben, mit der Wahrscheinlichkeit einer Ansteckung \ beta multiplizieren, mit der die Wahrscheinlichkeit einer täglichen Ansteckung ermittelt wird\\n\\n

$\beta C \displaystyle\frac{I}{N}$

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SIR-Modell und seine Modifikation

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Um die Ausbreitung der Krankheit zu berechnen, können wir epidemiologische Modelle vom Typ SIR verwenden (anfällig, infiziert, wiederhergestellt oder behoben). Dabei wird zunächst geschätzt, wie sich die Anzahl der anfälligen S ändert, was sie mit der Multiplikation der anfälligen Personen mit der Wahrscheinlichkeit einer Ansteckung gleichsetzt:\\n\\n

$\displaystyle\frac{dS}{dt}=-\beta C\displaystyle\frac{I}{N} S$

\\n\\nDas negative Vorzeichen zeigt an, dass die anfällige Anzahl aufgrund der Infektion abnimmt. Zweitens müssen wir die wiederhergestellte Population R berücksichtigen oder die wir als durch den Effekt aufgelöst definieren, dass es Todesfälle gibt. In diesem Fall geht das SIR-Modell davon aus, dass die Variation der Auflösung proportional zur vorhandenen Infektion ist.\\n\\n

$\displaystyle\frac{dR}{dt}=\gamma I$

\\n\\nwobei die Variation der Infizierten berechnet wird, indem die neu Infizierten addiert und die aufgelösten subtrahiert werden\\n\\n

$\displaystyle\frac{dI}{dt}=\beta C\displaystyle\frac{I}{N} S-\gamma I$

\\n\\nDas Problem im SIR-Modell besteht darin, dass die gelösten zufällig aus dem Infizierten entnommen werden, was nicht dem tatsächlichen Prozess entspricht, bei dem Symptome erzeugt, die Krankheit entwickelt und schließlich mit charakteristischen Durchschnittszeiten wiederhergestellt oder behoben werden. Deshalb werden wir mit einem alternativen Ausdruck arbeiten\\n\\n

$\displaystyle\frac{dI}{dt}=\beta C\displaystyle\frac{I}{N} S-\displaystyle\frac{dR}{dt}$




ID:(11937, 0)



Das Problem in Chile

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Wenn wir versuchen, das Modell für den chilenischen Fall anzuwenden, stellen wir fest, dass die lokalen Daten schwerwiegende Anomalien aufweisen:

• In der täglichen Infektion gibt es zwei Sprünge, die keine reale Situation sein können. Wenn die zugehörigen Informationen untersucht werden, wird festgestellt, dass sich in zwei Situationen das Kriterium geändert hat
• Es gibt einen Anstieg zusätzlicher Todesfälle, der auch auf eine Änderung der Informationsquelle der von Krankenhäusern zusammengestellten Daten zu der des Standesamtes zurückzuführen ist

Das Problem dieser Veränderungen entstand, als Chile die übermäßigen Todesfälle untersuchte, dh die Anzahl der in diesem Jahr beobachteten Todesfälle im Vergleich zum Trend des Vorjahres. Daher wurde festgestellt, dass nicht alle Todesfälle durch COVID19 aufgezeichnet wurden, da Todesfälle in den Häusern und nicht in den Krankenhäusern auftraten. Aus diesem Grund wurden Berichte aus Krankenhäusern an die des Standesamtes weitergeleitet. Andererseits wurde erkannt, dass er aus anderen Gründen gestorben war, zu denen COVID19 indirekt beigetragen hatte. Dadurch wurden die Kriterien zur Identifizierung der Toten angepasst.

Das Problem bei diesen Änderungen besteht darin, dass die historischen Informationen fragwürdig werden und somit die Anfangsbedingungen bei der Lösung der Gleichung des anzuwendenden Modells verloren gehen.

ID:(11938, 0)



Die Schwere des Problems

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Die Schwere der Probleme mit den durchschnittlichen Daten in Chile besteht darin, dass es nicht möglich ist, den künftigen Krankenhausbedarf zuverlässig abzuschätzen. Wenn nicht genügend Atemschutzgeräte vorhanden sind, ist die Situation erreicht, in der entschieden werden muss, welcher Patient behandelt werden soll und welcher Patient buchstäblich sterben muss, da nicht genügend Infrastruktur vorhanden ist. In diesen Fällen wird die Überlebenswahrscheinlichkeit bewertet und den Patienten mit der besten Prognose (Variante der traditionellen Triage) Vorrang eingeräumt.

Das Problem ist, dass, da die Konsequenz der Infektion ungefähr 14 Tage dauert, alle Maßnahmen, die wir heute ergreifen, diese Zeit benötigen, um wirksam zu werden. Aus diesem Grund ist es wichtig, Modelle zu haben, mit denen wir beurteilen können, wie sich die aktuelle Situation gegen mögliche Maßnahmen entwickeln wird, die wir heute ergreifen , um die wahrscheinlich am besten geeignete auszuwählen .

Es ist, als würde man ein Boot von einer Position am Heck aus steuern, um zu sehen, dass der Bug auf der richtigen Spur ist.

ID:(11939, 0)



Reproduktionsfaktor

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Aus der Physik kann das Problem gelöst werden. In einem ersten Schritt kann bei übermäßigen Todesfällen und Kurvensprüngen ein Korrekturfaktor k (t) geschätzt werden, der multipliziert mit dem bestimmten infizierten I_m die Schätzung des wahrscheinliche Anzahl, die tatsächlich existiert:\\n\\n

$I(t) = k(t) I_m(t)$

\\n\\nAndererseits kann die Verringerung der durch Auflösung infizierten Infizierten durch die Anzahl der heute reduzierten Infizierten geschätzt werden, die der vor einiger Zeit erzeugten Infektion sowie der Dauer der Krankheit ähnlich ist. Da die Zeit zur Überwindung der Krankheit \ tau in einer bestimmten Größenordnung liegt, handelt es sich nicht um einen definierten Wert, sondern um einen Zeitbereich, sodass der Faktor \ gamma beibehalten werden kann:\\n \\n

$\displaystyle\frac{dR}{dt} = \gamma I_m(t-\tau)$

\\n\\nAuf diese Weise kann die Gleichung wie folgt umgeschrieben werden\\n\\n

$\displaystyle\frac{dI_m}{dt} = \gamma I_m(t)\left(\displaystyle\frac{\beta C}{\gamma}-\displaystyle\frac{I_m(t-\tau)}{I_m(t)}\right)$

\\n\\nwo angenommen wurde, dass wir am Anfang der Pandemie waren und die Anzahl der anfälligen S in der Größenordnung der gesamten Bevölkerung liegt\\n\\n

$S\sim N$

\\n\\nDer Faktor\\n\\n

$R_0=\displaystyle\frac{\beta C}{\gamma}$

\\n\\nEs wird als Reproduktionsfaktor bezeichnet und charakterisiert die Ausbreitung der Krankheit, da es die Ausbreitung von \ beta C mit der Möglichkeit vergleicht, dass die Kette in Abhängigkeit von \ gamma . Dies kann entsprechend berechnet werden, indem nach der Evolutionsgleichung des Infizierten gelöst wird:\\n\\n

$R_0=\displaystyle\frac{I_m(t-\tau)}{I_m(t)}+\displaystyle\frac{1}{\gamma I_m(t)}\displaystyle\frac{dI_m}{dt}$




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Assoziieren von sozialem Verhalten und Verbreitung von COVID19

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Sobald Sie den Fortpflanzungsfaktor haben, kann er mit Faktoren verknüpft werden, die beschreiben, wie Länder auf der Ebene der Menschen reagiert haben. Einer der Parameter, der dies ermöglicht, sind die von Google generierten Mobilitätsfaktoren, die zeigen, wie das Internet in einigen Konzepten weniger und in anderen Konzepten mehr Suchanfragen bietet.

Mit einem Modell dieses Typs ist es jedes Mal möglich, aus dem Verhalten der Menschen auf die Ausbreitung und damit auf die Ausbreitung zu schließen und schließlich die Pandemie zu kontrollieren.

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Maßnahmen mit sozialem Verhalten verbinden

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Sobald Sie die Beziehung zwischen dem Verhalten der Gemeinde und den Auswirkungen auf die Ausbreitung der Pandemie kennen, müssen Sie untersuchen, wie effektiv die staatlichen Maßnahmen sind. Zu diesem Zweck können die Informationen verwendet werden, um ein KI-System aufzubauen, das uns Verhalten gegenüber staatlichen Maßnahmen verleiht.

Damit gibt es ein System, mit dem vorhergesagt werden kann, wie die Handlungen der Herrscher die Menschen beeinflussen und wie sie entsprechend der Ausbreitung der Pandemie handeln.

ID:(11942, 0)



Letzte Motivation

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Es bleiben nur drei Nachrichten für die Straße:

• Seien Sie neugierig mit Daten. Prüfen Sie jedes Mal, wenn Sie eine finden, ob sie interessante Informationen enthält. Überprüfen Sie insbesondere, ob es Sie überrascht und Sie ein anderes Verhalten erwartet hätten. Wenn es eine Diskrepanz gibt, warum ist das so? Was haben Sie angenommen, ist es nicht?

• Überlegen Sie sich jedes Mal, wenn Sie einen interessanten Prozess sehen, wie Sie ihn modellieren würden. Welche Variablen würden Sie verwenden? Welche Beziehungen werden Sie annehmen?

• Zeitplan. Entdecken Sie eine Bibliothek, mit der Sie mit wenig Aufwand und Zeit leistungsstarke Tools zusammenstellen können. Wie kann ich in großen Mengen auf die Daten zugreifen? Mit welchem ??Algorithmus würde es die Modelle lösen, mit denen es arbeitet? Wie würden Sie ein KI-System strukturieren? Wie würde ich ihn trainieren? würden Sie überprüfen und ich würde endlich verwenden '

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Video: Die andere Physik: Methoden