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class: center, middle, inverse, title-slide # Covid 수리모델링 ## 서울시 확진자데이터 이용 ### 김진섭;
<i class="fab fa-github faa-float animated "></i>jinseob2kim
### 차라투(주) ### 2021-02-08 --- layout: true <div class="my-footer"><span><a href="https://www.zarathu.com">Zarathu Co.,Ltd</a>                             <a href="https://github.com/jinseob2kim">김진섭</a></span></div> --- # Executive summary .large[ - 대표적인 감염병 모형은 **SIR/SEIR** 이고, 초기값과 parameter(예: 감염률)가 주어진 미분방정식으로 표현. - 확진자수 등 **실제 데이터를 활용**, parameter 들을 추정. - SEIR 에 서울시 확진자수를 적용, **시간에 따라 변화하는 감염률**을 계산함. - Parameter와 그 파생지표의 범위를 제한하고 신뢰구간을 계산하기 위해, **베이지안통계** 이용 예정. ] --- class: center, middle # 감염병 수리모형 소개 --- # SIR model <center> <img src="https://www.lewuathe.com/assets/img/posts/2020-03-11-covid-19-dynamics-with-sir-model/sir.png" width="80%"></center> <center> <img src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/29728a7d4bebe8197dca7d873d81b9dce954522e" width="20%"></center> .large[ `\(N = S + I + R\)` 은 보통 일정하다고 가정. ] --- # `\(\beta\)`, `\(\gamma\)` .large[ `\(\beta\)`: 감염률 * 시간(일) 당 접촉수 `\(\times\)` 접촉당 감염확률 `\(\gamma\)`: 회복률 `$$\frac{1}{\gamma}: \text{평균회복시간(일)}$$` 감염재생산수 `\(R_0 = \frac{\beta}{\gamma}\)` - `\(> 1\)` 유행, `\(< 1\)` 소멸 ] --- # [SEIR model](https://covid19.uclaml.org/model.html) .large[ 노출(Exposed) 후 **잠복기**를 거쳐 감염. `\(\frac{1}{\theta} = \text{잠복기간(일)}\)` <center> <img src="https://covid19.uclaml.org/figures/seir_illu.png" width="80%"></center> $$ `\begin{align} \frac{d S}{d t}&= -\frac{\beta I S}{N}\\ \frac{d E}{d t}&= \frac{\beta I S}{N} -\theta E\\ \frac{d I}{d t}&= \theta E - \gamma I\\ \frac{d R}{d t}&=\gamma I \end{align}` $$ ] --- # Simulation .large[ https://benbennben.github.io/covid-19/ - 미분방정식(사실은 점화식) 은 초기값( `\(S, I, R\)` ), parameter( `\(\beta\)`, `\(\gamma\)` )가 정해지면 단순계산으로 구할 수 있다. - 그럼 끝? ] -- .large[ - Parameter 를 어떻게 결정하나. 알아서 결정 vs **실제 데이터로 fitting** - 서울시분석: 회복기간( `\(\frac{1}{\gamma}\)` ) 6.8일, 잠재기( `\(\frac{1}{\theta}\)` ) 3.5 일 가정, `\(\beta\)` 는 추정. ] --- # 보도자료 https://www.nrc.re.kr/board.es?mid=a10301000000&bid=0008&list_no=171543&act=view&nPage=1&otp_id= --- # 추정 과정 .large[ 1. 서울시 확진자 수, 인구수 정보 - http://data.seoul.go.kr/dataList/OA-20279/S/1/datasetView.do 2. SEIR 모델: `\(\beta\)` 만 추정( `\(\gamma\)`, `\(\theta\)` 고정) 3. `\(\beta\)` 시간에 따라 변한다고 가정. - B-Spline Basis For Polynomial Splines 이용: 여러 3차함수 조합 - Basis 함수 갯수만큼 parameter 존재 4. 최소제곱 or 포아송분포: 실제 확진자수를 가장 잘 맞추는 `\(\beta\)` 선택 ] --- # [Data](http://data.seoul.go.kr/dataList/OA-20279/S/1/datasetView.do) <div data-pagedtable="false"> <script data-pagedtable-source type="application/json"> {"columns":[{"label":["연번"],"name":[1],"type":["int"],"align":["right"]},{"label":["확진일"],"name":[2],"type":["date"],"align":["right"]},{"label":["환자번호"],"name":[3],"type":["lgl"],"align":["right"]},{"label":["국적"],"name":[4],"type":["lgl"],"align":["right"]},{"label":["환자정보"],"name":[5],"type":["lgl"],"align":["right"]},{"label":["지역"],"name":[6],"type":["chr"],"align":["left"]},{"label":["여행력"],"name":[7],"type":["chr"],"align":["left"]},{"label":["접촉력"],"name":[8],"type":["chr"],"align":["left"]},{"label":["조치사항"],"name":[9],"type":["lgl"],"align":["right"]},{"label":["상태"],"name":[10],"type":["chr"],"align":["left"]},{"label":["이동경로"],"name":[11],"type":["chr"],"align":["left"]},{"label":["등록일"],"name":[12],"type":["chr"],"align":["left"]},{"label":["수정일"],"name":[13],"type":["chr"],"align":["left"]},{"label":["노출여부"],"name":[14],"type":["chr"],"align":["left"]}],"data":[{"1":"21922","2":"2021-01-12","3":"NA","4":"NA","5":"NA","6":"동대문구","7":"","8":"감염경로 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</script> </div> --- # SEIR model ```r incidata <- inci[지역 == "합계"] times <- seq(0, nrow(incidata) - 1, by = 1) tt <- seq(min(times), max(times), len = max(times) +1) *B <- splines::bs(tt, knots = seq(min(times), max(times), len = ceiling(nrow(incidata)/7)), Boundary.knots = c(min(times), max(times)+1), degree = 3) covODE <- function(time, state, modelparams) { with(as.list(c(state, modelparams)), { ## modelparams 1, 2: theta, gamma * beta <- exp(predict(B, time) %*% modelparams[-c(1, 2)]) N <- S + E + I + R dS <- -beta*S*I/N dE <- beta*S*I/N - theta*E dI <- theta*E - gamma*I dR <- gamma*I return(list(c(dS, dE, dI, dR))) }) } ``` --- <div class="figure" style="text-align: center"> <img src="index_files/figure-html/unnamed-chunk-5-1.png" alt="B-splines of degree 3" /> <p class="caption">B-splines of degree 3</p> </div> --- # 오차함수 ```r ## Least square: x- basis parameter ftemp <- function(x) { modelparams <- c(c(theta = 1/3.5, gamma = 1/6.8), x) tempoutput <- as.data.frame(ode(y = c(S = 9953009 - 1 - 1, E = 1, I = 1, R = 0), times = times, func = covODE, parms = modelparams)) return(abs(tempoutput$R - cumsum(incidata$N))) } ## Poisson likelihood ftemp2 <- function(x) { modelparams <- c(c(theta = 1/3.5, gamma = 1/6.8), x) tempoutput <- as.data.frame(ode(y = c(S = 9953009 - 1 - 1, E = 1, I = 1, R = 0), times = times, func = covODE, parms = modelparams)) llik <- -sum(dpois(incidata, lambda = c(tempoutput$R[1], diff(tempoutput$R)), log = TRUE)) return(llik) } ``` --- # Estimation ```r # Estimation initbeta <- rep(0, ncol(B)) ## initial parameter fitresult <- pracma::lsqnonlin(ftemp, initbeta) ## nonlinear least square fit #fitresult <- optim(initbeta, ftemp2, method = "L-BFGS-B") ## poisson fit betas <- fitresult[[1]] ``` --- # 확진자수 예측 .large[ 구한 `\(\beta\)` 들의 basis parameter 이용 ```r params = c(c(theta = 1/3.5, gamma = 1/6.8), betas) output <- ode(y = c(S = 9953009 - 1 - 1, E = 1, I = 1, R = 0), times = times, func = covODE, parms = params) ``` 코드는 https://github.com/jinseob2kim/covidmodel-seoul/tree/main/docs/modelling/sources 에 - 11월부터, 시군구별 분석 수행 ] --- # `\(\beta\)` 추정 ![](beta.jpg) --- # 누적 확진수 예측 ![](cum.jpg) --- # 보완점 .large[ - `\(\beta\)`, 예측값의 신뢰구간 구하기가 어려움. 0보다 크다는 제한 두기 위해 `\(\exp\)` 이용. - 여러 지표들의 제한범위를 설정하고, 신뢰구간을 자유자재로 구하기 위해 MCMC 등을 이용한 베이지안통계 필요. R에서 [stan](https://mc-stan.org/users/documentation/case-studies/boarding_school_case_study.html) 이용가능. - 일부 데이터만 이용시(예: 11월 이후) 초기조건 정하기 어려움. ] --- # ShinyApps [![](shiny.png)](http://app.zarathu.com/konkukmath/covid19/) --- # Executive summary .large[ - 대표적인 감염병 모형은 **SIR/SEIR** 이고, 초기값과 parameter(예: 감염률)가 주어진 미분방정식으로 표현. - 확진자수 등 **실제 데이터를 활용**, parameter 들을 추정. - SEIR 에 서울시 확진자수를 적용, **시간에 따라 변화하는 김염률**을 계산함. - Parameter와 그 파생지표의 범위를 제한하고 신뢰구간을 계산하기 위해, **베이지안통계** 이용 예정. ] --- class: center, middle # END