應用與數學建模

SEIR 模型(SEIR model)

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許多真實疾病有一間隱藏的候診室:你染上病毒後尚未具傳染性,因為它需要數天在體內累積。SEIR 模型恰恰加入這段延遲。它插入第四個桶,E 代表「潛伏(Exposed)」——已被感染但尚不能傳染他人的人。於是流向變成 S 到 E 到 I 到 R:易感、然後潛伏、然後感染、然後移除。多出這一個倉室,使模型誠實地反映了我們在幾乎每種感染中都感受到的潛伏期。

方程為 S' = -beta S I、E' = beta S I - sigma E、I' = sigma E - gamma I、R' = gamma I。與 SIR 相比,新感染 beta S I 如今注入 E,而非直接進入 I。潛伏者再以速率 sigma「成熟」為感染者,所以 1/sigma 是平均潛伏(孵育)期。感染者一如既往以速率 gamma 康復,1/gamma 為感染期。疾病現在必須先經過 E 才能擴散,這減緩了起飛並重塑了整條曲線。

何必多此一個 E?因為潛伏期戲劇性地改變了時間軸。疫情起初增長較慢、高峰來得較晚,當你正趕著備妥醫院或推出疫苗時,這至關重要。重要的是,潛伏階段「不」改變基本再生數本身——R0 仍是 beta 乘以易感人群再乘以感染持續時間 1/gamma——但它改變了增長的「速度」與倍增時間。SEIR 是麻疹、SARS 與 COVID-19 等疾病的主力,正因為它們的潛伏期長到不可忽略。

它仍是一幅平滑、均勻混合、確定性的圖像。真實潛伏期因人而異(模型只用一個平均速率 sigma),人們在得知爆發後會改變行為,而在早期僅有寥寥數人感染時,機運主導,連續模型可能誤導。SEIR 在「潛伏」這一個特定維度上增添了寫實,卻不假裝自己就是全部真相。

設潛伏期平均 5 天,故 sigma = 1/5 = 0.2,而感染期平均 10 天,故 gamma = 0.1。一個剛被感染的人在 E 中停留約 5 天,無聲地潛伏,然後進入 I 並傳播疾病約 10 天才康復——這正是 SIR 無法呈現的錯開時間軸。

E 倉室延後一個人具傳染性的時刻,減緩了疫情的早期上升。

加入 E 倉室會減緩疫情增長,但本身並不降低 R0;潛伏期較長的爆發最終仍可能感染同樣多的人——只是花更久才走到那裡。

又称
exposed-compartment modellatent-period epidemic model含潛伏期的傳染病模型易感-潛伏-感染-康復模型