Épidémiologie

Nous sommes en pleine pandémie (19/03/2020) de coronavirus COVID-19 et si les modèles d'épidémiologie sont un peu éloignés de la vie artificielle, ils présentent beaucoup d'intérêt, car il existe à la fois des modèles macroscopiques et des modèles microscopiques. C'est cette approche qui va nous intéresser et l'on va essayer de représenter des comportements individuels et regarder les conséquences sur l'évolution de l'épidémie. Ceci n'a bien sur qu'une vertu pédagogique et n'est en aucun cas un outil prédictif scientifique. L'actualité avec ses recommandations de distanciation sociale (éviter les contacts) et de confinement nous offre également des voies pour enrichir nos modèles et les questionner et voir en particulier si c'est des mesures efficaces, pour lutter contre la propagation du virus au sein de notre modèle.

Partons tout d'abord de l'évolution de COVID-19.

Suivi du COVID-19 Source : https://www.worldometers.info/coronavirus/#countries

On constate clairement que concernant le nombre d'infectés et de victimes le comportement est exponentiel. Si beaucoup de choses sont exponentielles, comme la croissance économique le mot fétiche de la classe politique et des économistes il y a aussi des phénomènes linéaires.

Nos voisins Rouennais viennent de vivre récemment une catastrophe industrielle avec l'accident de lubrizol, imaginons qu'un nuage toxique létal se soit répandu sur l'agglomération de Rouen. Cet accident a eu lieu la nuit et donc que 90% de la population était chez elle. Si l'on suppose que les habitations sont suffisamment étanches le nombre de victime sera au plus de 10%. De plus une fois le nuage dispersé l'effet létal sera éloigné, en supposant qu'il n'y ait pas de résidu dans l'environnement, et cela signifiera l'arrêt du phénomène. COVID-19 est repéré en novembre 2019 à Wuhan, c'est donc le début de l'épidémie et il y a encore le 19 mars 2020 des personnes contaminées et également il y a de nombreux foyers qui continuent à se développer ainsi que l'apparition de nouvelle zone.

Modèle SIR

Une épidémie fonctionne par contagion et par exemple suivant le taux de transmission du virus un premier malade transmet le virus à deux malades qui transmettent le virus ... les informaticiens qui vous êtes auront repéré un arbre binaire et bien une croissance exponentielle. Si maintenant un malade contamine moins d'un individu sain, alors la maladie va s'éteindre. Il existe des modèles sophistiqués mais nous allons nous contenter d'un modèle simple, le modèle SIR. Il y a 3 catégories d'individus : les Sains, les Infectés et les Remis i.e ceux qui sont guéris. On peut intégrer de la mortalité, mais d'une certaine façon les morts n'infectent pas les autres et peuvent dans un premier temps être "intégrés" aux remis. Il y a deux phénomènes :

les infectés vont contaminer des personnes saines.
Les infectés vont progressivement guérir (ou éventuellement mourir).
Chaque individu appartient donc à un compartiment : S, I ou R .

Pour une maladie donnée, on va fixer la durée

(en jour par exemple) durant un laquelle un malade est contagieux, la probabilité

qu'un contact entre un individu infecté et un individu sain provoque la transmission du virus à ce dernier. Le nombre total d'individus contaminés par un malade est donc

R_0 = C \times P \times D \text{ avec } C \text{ le nombre de contacts par unité de temps}

Concernant COVID-19 plusieurs équipes de chercheurs ont cherché à le déterminer :

1,5 \leq R_0 \leq 6,68

Source. Bon on voit, c'est supérieur à 1, mais on s'en serait douté vu la progression de la pandémie ! Cela diffère en particulier en fonction des modèles et des données.

D'une façon très simple on constate sans peine, que les paramètres sur lequel on peut jouer sont

en ayant un traitement efficace,

avec des règles d'hygiène et de non contact direct,

grâce à la distanciation sociale (bulle de sécurité, confinement).

Simulation

Nous pourrions dans un premier temps utiliser un automate cellulaire et considérer l'évolution sur une grille.

Modélisation SIR par automate cellulaire utilisant un voisinage de Moore (8 voisins). Source

Je vous laisse cela en exercice.

Nous allons provoquer une épidémie parmi nos tortues et essayer de voir comment cela évolue. Une tortue va donc être, saine, infectée, ou remise. Elles vont se déplacer aléatoirement et avoir d'éventuels contacts. Commençons donc par coder cela simplement.

;======================================
; Initialisation de nos pauvres tortues
;======================================

;
; Initialisation des tortues
; - la couleur code l'état blanche = S, rouge = I, vert = R 
; - position aléatoire
; - non infectée (blanche)
to initialisation-tortues
  create-turtles population-initiale [
    set color white
    set size 0.5
    setxy random-pxcor random-pycor
  ]
end 

;
; On tire au hasard nb-premiere-infectee tortues.
; Leur état change donc.
;
to souche-infection
  ask n-of nb-premiere-infectee turtles [
    set color red
  ]
end

to initialisation
  ca
  initialisation-tortues
  souche-infection
  reset-ticks
end

;==============
; La simulation
;==============

;
; Déplacement des tortues. On pourrait avoir un déplacement plus sophistiqué.
;
to bouge
   ask turtles [
    right random 360 
    forward pas
  ] 
end 

;
; Lancement de la simulation
;
to execute
  bouge
  tick
end

Il nous faut maintenant modéliser la propagation de l'épidémie. La couleur de nos tortues va servir à coder l'état : S blanche, I rouge et enfin R vert. Pour chaque tortue on calculera la durée de son infection, cette durée sera la même pour toutes. Notre simulation se fera avec un pas de temps discret et la génération i+1 sera déterminée en fonction de la génération i. L'état des tortues sera donc modifié qu'en fin de calcul de chaque génération. Pour cela chaque tortue va avoir un attribut futur-etat. On fixe également au départ les tortues qui sont infectées.

turtles-own[
  futur-etat
  duree-maladie
]

;======================================
; Initialisation de nos pauvres tortues
;======================================

turtles-own[
  futur-etat
  duree-maladie
]

;
; Initialisation des tortues
; - la couleur code l'état blanche = S, rouge = I, vert = R
; - position aléatoire
; - non infectée (blanche)
to initialisation-tortues
  create-turtles population-initiale [
    set futur-etat white
    set size 0.5
    set duree-maladie 0
    setxy random-pxcor random-pycor
  ]
end

;
; On tire au hasard nb-premiere-infectee tortues.
; Leur état change donc.
;
to souche-infection
  ask n-of nb-premiere-infectee turtles [
    set futur-etat red
  ]
end

L'épidémie a donc maintenant démarrée, nous allons maintenant modéliser sa propagation avec un modèle SIR. Dans un premier temps modélisons S -> I, autrement dit la contamination. Chaque tortue S (blanche) va compter dans son voisinage le nombre de tortues I. Une tortue S sera alors contaminée en fonction de la probabilité de transmission et bien sur également aussi en fonction du nombre de tortues I. Pour cela on réalise un tirage aléatoire. Une tortue nouvellement contaminée voit son futur-etatdevenirred`.

;
; Contamination S -> I
; On compte le nombre de voisines infectées en fonction de la distance
; La contamination se fait en fonction d'une probabilité
;
to infection-des-saines
  ask turtles with [color = white] [
   let nombre-de-voisines-infectees  (count other turtles with [color = red] in-radius distance-non-sociale)
   if (random-float 1 <  1 - (((1 - proba-de-transmission) ^ nombre-de-voisines-infectees)))
    [set futur-etat red]
  ]
end

Les tortues restent infectées durant une durée fixe duree-contagion. On pourrait bien évidemment mettre de la variation, qui représenterait la variété individuelle et également pourquoi pas l’efficacité d'un traitement. Cette durée maximale de l'état infectieux permet de passer de l'état I -> R.

;
; Les infectées sortent de la maladie, elles deviennent remise I -> R
;
to fin-maladie
  ask turtles with [color = red]
  [
    if (duree-maladie > duree-contagion) [ set futur-etat green]
  ]
end

; Le variables globales
; max-infectes : on compte le nombre de malade
;
globals [
  initialisation?
  max-infectes
  cumul-contacts
]


;======================================
; Initialisation de nos pauvres tortues
;======================================

turtles-own[
  futur-etat
  duree-maladie
]

;
; Initialisation des tortues
; - la couleur code l'état blanche = S, rouge = I, vert = R
; - position aléatoire
; - non infectée (blanche)
to initialisation-tortues
  create-turtles population-initiale [
    set futur-etat white
    set size 0.5
    set duree-maladie 0
    setxy random-pxcor random-pycor
  ]
end

;
; On tire au hasard nb-premiere-infectee tortues.
; Leur état change donc.
;
to souche-infection
  ask n-of nb-premiere-infectee turtles [
    set futur-etat red
  ]
end

to initialisation
  ca
  if (alea-fixe) [random-seed 19]
  set max-infectes 0
  initialisation-tortues
  souche-infection
  maj-etat
  set initialisation? true
  reset-ticks
end

to reset
  ask turtles [die]
  set max-infectes 0
  set cumul-contacts 0
  initialisation-tortues
  souche-infection
  maj-etat
  reset-ticks
end


;=============================
; La simulation, le modèle SIR
;=============================

;
; Déplacement des tortues. On pourrait avoir un déplacement plus sophistiqué.
;
to bouge
   ask turtles [
    right random 360
    forward pas
  ]
end

;
; Contamination S -> I
; On compte le nombre de voisines infectées en fonction de la distance
; La contamination se fait en fonction d'une probabilité
;
to infection-des-saines
  ask turtles with [color = white] [
   let nombre-de-voisines-infectees  (count other turtles with [color = red] in-radius distance-non-sociale)
   if (random-float 1 <  1 - (((1 - proba-de-transmission) ^ nombre-de-voisines-infectees)))
    [set futur-etat red]
  ]
end

;
; Les infectées sortent de la maladie, elles deviennent remise I -> R
;
to fin-maladie
  ask turtles with [color = red]
  [
    if (duree-maladie > duree-contagion) [ set futur-etat green]
  ]
end


;=============================
; Informations sur l'évolution
;=============================
to maj-etat
  ask turtles [
    set color futur-etat
    if (color = red) [set duree-maladie duree-maladie + 1]
  ]
end

to maj-nb-contacts
  let cumul 0
  ask turtles with [color = red]
  [
    set cumul cumul + count turtles with [color = white] in-radius distance-non-sociale
  ]
  set cumul-contacts cumul
end

to-report prop-max-infecte
  report max-infectes * 100 / population-initiale
end

to-report en-bonne-sante
  report (count turtles with [color = white or color = green]) * 100 / population-initiale
end

to-report nb-contacts-moyen-par-tick
  let n count turtles with [color = red]
  if-else (n = 0)
  [ report 0 ]
  [ report cumul-contacts / n]
end


to-report R0
  report nb-contacts-moyen-par-tick * proba-de-transmission * duree-contagion
end

;
; Lancement de la simulation
;
to execute
  let n count turtles with [color = red]
  if (n = 0) or (n = population-initiale) [stop]
  infection-des-saines
  fin-maladie
  maj-etat
  let nb-infectes (count turtles with [color = red])
  if (nb-infectes > max-infectes) [set max-infectes nb-infectes]
  maj-nb-contacts
  bouge
  tick
end