[论文解读] Logistic approximations used to describe new outbreaks in the 2020 COVID-19 pandemic

Apiano F. Morais|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2020

COVID-19 epidemiological studies参考文献 17被引用 8

一句话总结

本研究将逻辑斯蒂增长模型应用于2020年初中国、伊朗、意大利、韩国、西班牙和美国的日死亡病例数据。通过拟合的增长率估算累计死亡人数，并识别出新兴的第二波疫情，尤其在伊朗、中国和美国表现明显，其中西班牙和意大利的增长率最高（分别为每日0.312和0.226）。

ABSTRACT

In this investigation I used the Logistic Model to fit the COVID-19 pandemic data for some countries. The data modeled is the death numbers per day in China, Iran, Italy, South Korea, Spain and United States. Considering the current growth rate of the pandemic, it was possible to show that the death toll should be between 3,277-3,327 deaths in China, 2,035-2,107 in Iran, 120-134 in South Korea, 11,227-12,793 in Italy and 6,217-7,405 in Spain. Also, with this toy model it was possible to show a clear emergence of a new outbreak within the same country (Iran, China and the United States). The growth rate of deaths found for South Korea was the lowest among the countries studied ($0.14701\pm0.00923$) and for China ($0.16667\pm0.00284$). Italy ($0.22594\pm0.00599$) and Spain ($0.31213\pm0.02337$) had the highest rates and in the second wave in Iran ($0.37893\pm0.02712$).

研究动机与目标

• 利用每日死亡人数的逻辑斯蒂增长动态，对早期COVID-19大流行进程进行建模。
• 基于当前的增长趋势，估算选定国家的最终累计死亡人数。
• 检测此前病例数已下降的国家中是否存在新疫情暴发的迹象。
• 比较不同国家间大流行的增长率，以评估区域传播强度。
• 为大流行初期提供一种简单且易于解释的短期预测模型。

提出的方法

• 将逻辑斯蒂增长模型拟合至选定国家的每日报告死亡人数。
• 使用非线性最小二乘法估计逻辑函数的增长率和饱和度参数。
• 将模型应用于截至2020年3月的中国、伊朗、意大利、韩国、西班牙和美国的数据。
• 通过将拟合的逻辑曲线外推至其渐近极限，预测最终累计死亡人数。
• 通过检测初始下降后日死亡人数再次上升，识别潜在的第二波疫情，表明进入新的流行病阶段。
• 利用非线性拟合的标准误量化增长率估计的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于早期大流行数据的逻辑斯蒂建模，中国、伊朗、意大利、韩国、西班牙和美国的最终累计死亡人数预测值是多少？
• RQ2 哪些国家在日死亡人数初始下降后显示出新疫情阶段的迹象？
• RQ3 在大流行的初始阶段，不同国家的疫情增长率估计值有何差异？
• RQ4 逻辑斯蒂模型在多大程度上能准确捕捉早期大流行期间日死亡人数的变化轨迹？
• RQ5 第二波疫情的出现对受影响国家传播动力学和防控措施意味着什么？

主要发现

• 模型预测中国最终死亡人数为3,277至3,327人，基于拟合的逻辑斯蒂曲线。
• 伊朗预测累计死亡人数为2,035至2,107人，通过日死亡人数再次上升识别出第二波疫情。
• 意大利最终死亡人数预测为11,227至12,793人，增长率为每日0.22594 ± 0.00599。
• 西班牙预测死亡人数为6,217至7,405人，为研究国家中最高增长率：每日0.31213 ± 0.02337。
• 韩国增长率最低，为每日0.14701 ± 0.00923，表明早期防控措施有效。
• 在伊朗检测到第二波疫情（增长率为每日0.37893 ± 0.02712），中国和美国也观察到类似现象，表明初始抑制后传播再次出现。