[PYTHON] Simulation GUI du nouveau virus corona (modèle SEIR)

introduction

Dans l'article précédent, j'ai publié un programme qui prédit le comportement du nouveau virus corona avec le modèle SEIR. Cette fois, nous avons transformé le programme en une interface graphique, nous allons donc partager le contenu.

`Article précédent: j'ai essayé de prédire le comportement du nouveau virus corona avec le modèle SEIR. '' Lien: https://qiita.com/kotai2003/items/ed28fb723a335a873061

Écran d'exécution

Liste des paramètres d'entrée

Actuellement, de nombreux articles de recherche ont été publiés pour estimer les paramètres SEIR à partir des cas de nouveau coronavirus. Cette fois, je vais calculer le modèle SEIR avec les estimations de paramètres publiées dans l'article publié le 16 février. (Référence 2)

Exemple d'exécution

Par exemple, [Social Distance Strategy](https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%A4%BE%E4%BC%9A%E8%B7%9D%E9%9B%A2%E6%88%A6 Avec% E7% 95% A5), il est possible de confirmer par simulation comment le pic de personnes infectées fluctue lorsque le taux d'infection passe de 0,5 à 0,4.

Cas 1: taux d'infection 0,5

Code source

main_routine.py

import tkinter as tk
from tkinter import ttk
from tkinter import Menu
from tkinter import messagebox

import numpy as np
from scipy.integrate import odeint
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.backends.backend_tkagg import FigureCanvasTkAgg

from calcSEIR import SEIR_EQ

class Application(tk.Frame):
    def __init__(self,master):
        super().__init__(master)
        self.pack()

        self.master.geometry("1000x600")
        self.master.title("SEIR Epidemic Model Simulator")

        self.create_widgets()

    def create_widgets(self):
        #Canvas Frame

        self.canvas_frame = tk.Frame(self)
        self.canvas_frame.configure(width=600, height=480)
        self.canvas_frame.grid(row=0, column=0)
        self.canvas_frame.grid(padx = 20, pady=20)


        #Label Frame for Input Parameters
        self.frame_param = tk.LabelFrame( self )
        self.frame_param.configure( text=' Input Paramaters ' )
        self.frame_param.grid( row=0, column=1 )
        self.frame_param.grid( padx=20, pady=20 )

        #1. Population
        #Label_population
        self.label_popu = tk.Label( self.frame_param)
        self.label_popu.configure(text ='Population (Million)')
        self.label_popu.grid(row =0, column = 0)
        #Scale population
        self.var_popu = tk.DoubleVar() #scale variable
        self.scale_popu = tk.Scale( self.frame_param)
        self.scale_popu.configure(orient="horizontal")
        self.scale_popu.configure(from_=1, to= 1350)
        self.scale_popu.configure(variable=self.var_popu)
        self.scale_popu.grid(row=0, column=1)

        #2. Infection Rate
        # Label_Infection_Rate
        self.label_IR = tk.Label( self.frame_param )
        self.label_IR.configure( text='Infection Rate' )
        self.label_IR.grid( row=1, column=0 )
        # Scale Infection_Rate
        self.var_IR = tk.DoubleVar()  # scale variable
        self.scale_IR = tk.Scale( self.frame_param )
        self.scale_IR.configure( orient="horizontal" )
        self.scale_IR.configure( from_=0.1, to=2 , resolution=0.1)
        self.scale_IR.configure( variable=self.var_IR )
        self.scale_IR.grid( row=1, column=1 )

        #3. Latency Period
        # Label_
        self.label_LP = tk.Label( self.frame_param )
        self.label_LP.configure( text='Latency Period (days)' )
        self.label_LP.grid( row=2, column=0 )
        # Scale
        self.var_LP = tk.IntVar()  # scale variable
        self.scale_LP = tk.Scale( self.frame_param )
        self.scale_LP.configure( orient="horizontal" )
        self.scale_LP.configure( from_=1, to=14 , resolution=0.1)
        self.scale_LP.configure( variable=self.var_LP )
        self.scale_LP.grid( row=2, column=1 )

        # 3.5 Infection Period
        # Label_
        self.label_IP = tk.Label( self.frame_param )
        self.label_IP.configure( text='Infections Period (days)' )
        self.label_IP.grid( row=3, column=0 )
        # Scale
        self.var_IP = tk.IntVar()  # scale variable
        self.scale_IP = tk.Scale( self.frame_param )
        self.scale_IP.configure( orient="horizontal" )
        self.scale_IP.configure( from_=1, to=14, resolution=0.1 )
        self.scale_IP.configure( variable=self.var_IP )
        self.scale_IP.grid( row=3, column=1 )

        #4 E_0
        self.label_E0 = tk.Label( self.frame_param )
        self.label_E0.configure( text='E(t=0)' )
        self.label_E0.grid( row=4, column=0 )
        #Entry
        self.Entry_E0 = tk.Entry(self.frame_param)
        self.Entry_E0.grid(row=4, column=1)
        self.Entry_E0.insert(tk.END,"696")

        #5 I_0
        self.label_I0 = tk.Label( self.frame_param )
        self.label_I0.configure( text='I(t=0)' )
        self.label_I0.grid( row=5, column=0 )
        # Entry
        self.Entry_I0 = tk.Entry( self.frame_param )
        self.Entry_I0.grid( row=5, column=1 )
        self.Entry_I0.insert( tk.END, "652" )

        #6 R_0
        self.label_R0 = tk.Label( self.frame_param )
        self.label_R0.configure( text='E(t=0)' )
        self.label_R0.grid( row=6, column=0 )

        # Entry
        self.Entry_R0 = tk.Entry( self.frame_param )
        self.Entry_R0.grid( row=6, column=1 )
        self.Entry_R0.insert( tk.END, "0" )

        #7 Time
        self.label_time = tk.Label(self.frame_param)
        self.label_time.configure( text = 'Time [days]')
        self.label_time.grid(row=7, column=0)

        self.var_time = tk.IntVar()  # scale variable
        self.scale_time = tk.Scale( self.frame_param )
        self.scale_time.configure( orient="horizontal" )
        self.scale_time.configure( from_=10, to=500, resolution=1 )
        self.scale_time.configure( variable=self.var_time )
        self.scale_time.grid( row=7, column=1 )

        #Basic Reproduction Number

        # Label Frame result
        self.frame_basicR0 = tk.LabelFrame( self )
        self.frame_basicR0.configure( text=' Basic Reproduction Number ' )
        self.frame_basicR0.grid( row=2, column=1 )
        self.frame_basicR0.grid( padx=20, pady=20 )

        self.label_basicR0 = tk.Label(self.frame_basicR0)
        self.label_basicR0.grid(row = 0, column=0)
        self.label_basicR0.configure(text = '  R0 is ')

        self.msg_basicR0 = tk.Message(self.frame_basicR0)
        self.msg_basicR0.grid(row=0, column=1)
        self.msg_basicR0.configure(text ='')


        # Button

        ##Label Frame for Buttons

        # Label Frame for Input Parameters
        self.frame_button = tk.LabelFrame( self )
        self.frame_button.configure( text=' Operation ' )
        self.frame_button.grid( row=2, column=0 )
        self.frame_param.grid( padx=20, pady=20 )

        #button
        # Plot (Rungekutta. Plot..Canvas..)
        self.button_plot = tk.Button( self.frame_button )
        self.button_plot.configure( text='Calculate & Plot' )
        self.button_plot.grid( column=0, row=1 )
        self.button_plot.configure( command=self.plotCalc )
        self.button_plot.configure(width = 20, height=2)

        # Quit Button
        self.button_quit = tk.Button( self.frame_button )
        self.button_quit.config( text='Quit' )
        self.button_quit.grid( column=2, row=1 )
        self.button_quit.configure( command=self.quit_app )
        self.button_quit.configure( width = 15, height=2 )

## Event Call Back

    def plotCalc(self):

        # parameters
        self.t_max = self.var_time.get()  # days
        self.dt = 0.01
        # initial_state

        self.N_pop = 1e6*self.var_popu.get()
        self.E_0 = int(self.Entry_E0.get())
        self.I_0 = int(self.Entry_I0.get())
        self.R_0 = int(self.Entry_R0.get())
        self.S_0 = self.N_pop - (self.E_0 + self.I_0 + self.R_0)
        self.ini_state = [self.S_0, self.E_0, self.I_0, self.R_0]  # [S[0],E,[0], I[0], R[0]]

        #Taux d'infection
        self.beta_const = self.var_IR.get()  #Taux d'infection
        #Taux d'infection après exposition
        self.epsilon_const = 1 / self.var_LP.get()
        #Taux de récupération et taux d'isolement
        self.gamma_const = 1 / self.var_IP.get()

        #Basic Reproduction number in SEIR model
        self.basicR0 = self.beta_const/self.gamma_const +self.beta_const/self.epsilon_const
        self.msg_basicR0.configure( text=str(self.basicR0) )

        #https://www.fields.utoronto.ca/programs/scientific/10-11/drugresistance/emergence/fred1.pdf


        # numerical integration
        self.times = np.arange( 0, self.t_max, self.dt )
        self.args = (self.beta_const, self.epsilon_const, self.gamma_const, self.N_pop)

        # Numerical Solution using scipy.integrate
        # Solver SEIR model
        self.result = odeint(SEIR_EQ, self.ini_state, self.times, self.args )

        ## Plotting

        # Generate Figure instance
        self.fig = plt.Figure()

        #Generate Axe instance
        #ax1
        self.ax1 = self.fig.add_subplot(111)
        self.ax1.plot(self.times, self.result)
        self.ax1.set_title('SEIR Epidemic model')
        self.ax1.set_xlabel('time [days]')
        self.ax1.set_ylabel('population [persons]')
        self.ax1.legend(['Susceptible', 'Exposed', 'Infectious', 'Removed'])
        self.ax1.grid()

        #Link to Axe instance to Canvas
        #Then show Canvas onto canvas_Frame
        self.canvas = FigureCanvasTkAgg( self.fig, self.canvas_frame )
        self.canvas.draw()
        self.canvas.get_tk_widget().grid(column=0, row=0)



    def quit_app(self):
        self.Msgbox = tk.messagebox.askquestion( "Exit Applictaion", "Are you sure?", icon="warning" )
        if self.Msgbox == "yes":
            self.master.destroy()
        else:
            tk.messagebox.showinfo( "Return", "you will now return to application screen" )




def main():
    root = tk.Tk()
    app = Application(master=root)#Inherit
    app.mainloop()

if __name__ == "__main__":
    main()

calcSEIR.py

# Define differential equation of SEIR model

'''
dS/dt = -beta * S * I / N
dE/dt = beta* S * I / N - epsilon * E
dI/dt = epsilon * E - gamma * I
dR/dt = gamma * I

[v[0], v[1], v[2], v[3]]=[S, E, I, R]

dv[0]/dt = -beta * v[0] * v[2] / N
dv[1]/dt = beta * v[0] * v[2] / N - epsilon * v[1]
dv[2]/dt = epsilon * v[1] - gamma * v[2]
dv[3]/dt = gamma * v[2]

'''

def SEIR_EQ(v, t, beta, epsilon, gamma, N ):
    return [-beta * v[0] * v[2] / N ,beta * v[0] * v[2] / N - epsilon * v[1],
            epsilon * v[1] - gamma * v[2],gamma * v[2]]

Matériel de référence

1. J'ai essayé de prédire le comportement du nouveau virus corona avec le modèle SEIR.
2. Epidemic analysis of COVID-19 in China by dynamical modeling
3. [Python] Tkinter template
4. Intégrer le graphique matplotlib dans Tkinter
5. Introduction d'un modèle de prédiction mathématique pour les maladies infectieuses (modèle SIR)
6. Réponse à une nouvelle infection à coronavirus