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大數據解析人與病毒的距離——「人流研究」預測疫情熱點

研之有物│中央研究院_96
・2021/08/13 ・5848字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|蕭歆諺
  • 美術設計|林洵安

從人流研究觀測疫情

COVID-19 爆發以來,「社交距離」已成為日常用詞。尤其在本土疫情升溫之時,非必要不外出,成為政府頻頻呼籲的防疫指南。但社交距離政策如何防控疫情?新聞裡部分場所依然人潮洶湧,三級警戒是否減低人潮移動?「研之有物」專訪中研院人文社會科學研究中心詹大千研究員,他透過電信數據分析人流慣性模式,同時也以此為基礎,實際協助地方政府觀察疫情變化、提前預測重熱區。


NPI 為控制疫情重要手段

COVID-19 爆發至今,全球疫情持續延燒。除了施打疫苗,「非藥物介入措施」(Non-Pharmaceutical Interventions,NPI)也是阻斷病毒傳播鏈的重要關鍵。倫敦帝國學院等權威學術機構的研究皆已證實, NPI 能有效降低傳染病的 Rt 值( Effective Reproductive Number,有效再生數,在一定時間內疾病會傳染的人數),減少傳染可能。

具體而言 ,NPI 包含哪些方式?

根據世界衛生組織(WHO)列表,NPI 措施可以從個人防護、生活環境到社會大規模的限制規範,透過非疫苗與藥物的手段遏制疫情。歐盟也針對 COVID-19 詳細列出十幾項 NPI 措施,包含手部消毒、戴口罩、隔離檢疫等。

其中,NPI 的核心概念之一即是落實社交距離。

歐盟疾控中心(ECDC)針對 COVID-19,從個人防護、社區傳播、大規模流行,提出各個層級的 NPI說明。圖/研之有物(資料來源|European Centre for Disease Prevention and Control

「社交距離的政策很廣泛,不只有室內保持 1.5、室外 2 公尺。」中研院人社中心研究員詹大千解釋,公衛學者眼中的社交距離涵蓋多層意涵,包括限制聚會、人數規範、停班停課等,都屬於相關範疇。

目前研究發現人流下降超過 20%,Rt 值就能降至 1 以下;亦有臺灣的研究推算出,若做好個案追蹤(早期偵測、接觸者疫調、14 天隔離),再加上群體保護(社交距離、戴口罩),Rt 可從 2.5 降至 0.85,有效壓制疫情擴散。

數值或有不同,但各項研究皆顯示:社交距離管制與疫情傳播有明顯關聯,管制越嚴格, Rt 值越小。

三級警戒後,人潮是否有改變?

想減緩疫情,減少人與人的接觸是一大關鍵。那麼,要如何檢視社交管制是否奏效?人流、車流的變化是重要觀測風向球!

詹大千以 Google(COVID-19 mobility)、蘋果 (Apple mobility trends)所公布的各國人流數據,佐以本土的遠傳電信數據,同時檢視牛津大學的跨國政策指標,試圖找出政策、人流變化與疫情發展間的關聯。

2021 年 5 月臺灣首度進入三級警戒後,人流減少了嗎?哪些地方降幅最明顯?首先透過 Google 數據來觀察。

檢視人流 3 關鍵場所:工作場所、交通樞紐、購物商場,對疫情控制皆有重要影響。

觀察工作場所。從 Google 人流報告可以看到,5 月 19 日全國進入三級警戒後,工作場所人流隨即減少約 2 成;住宅區則因為鼓勵居家辦公,人流增加約 2 成。

若與其他國家對照,成效如何?以歐洲最早爆發疫情的義大利來看,初期疫情慘重,工作場所迅速下降達 6-7 成,採行嚴格封城政策後更降至 9 成。詹大千提到,由於臺灣並未強制停班,工作場所人潮降低不大,但臺灣變化最明顯的是交通運輸。

Google 大眾運輸站的人流顯示,5 月 17 日(雙北三級後的第一個上班日)便迅速下降了 50%,5 月底降幅超過 7 成,趨近義大利的封城效果。詹大千也進行北市車流監測,數據顯示北市每條道路的平均小時車流量呈現一路下滑趨勢,5 月 14 日(三級前的週五)平均車流量為 981.7,5 月 21 日(三級後的週五)已降至 497.3,大幅減少約一半車流。

最後,若檢視零售商店與休閒設施,隨著禁止內用、電影院關閉等政策施行,人流也減少 5-6 成。

整體來看,臺灣雖只升級到三級警戒,但人潮與車潮下降明顯。除了工作場所改變較小,其他如大眾運輸、公園、零售商店和遊樂場,社交管制都有明顯成效。詹大千分析:「從人流數據來看,臺灣雖然沒有強制封城,但民眾的自律和防疫配合度高,足夠達到自主封城的效果。」

三級警戒沒有強制禁足,但整體來看,臺灣民眾自律、減少非必要外出,實施一週後幾乎已達到「自主軟封城」。(本圖取用 2021.5.8~2021.6.19 的 Google 數值。「Google 社區人流報告」統計各國每週人流趨勢,包含雜貨店和藥局、零售店和休閒設施、大眾運輸站、公園、工作場所、住宅區等六大場所,並以 2020.1.3-2.6 一週內每天的中位數做為基準值。)圖/研之有物(資料來源|Google 社區人流報告
車流監測原本用於環境噪音的研究,研究團隊使用每五分鐘更新一次的即時資料,觀察北市車潮。從圖表趨勢,北市每條道路的平均小時車流量呈現下降(虛線為趨勢線),三級後每逢週末時段明顯減少,上班日則略微回升。註:車流量是依路段計算每小時的車流數(不論車種)。圖/研之有物(資料來源|詹大千

去識別化電信數據助陣:臺灣人往哪裡趴趴走?

「人怎麼移動,疾病常常就那樣流動。」詹大千點出人流觀測的重要意義,「近十年國外已廣泛運用電信數據,從人流移動分析來進行各種推估,包括交通、疾病研究、公衛政策。」

由於 Google 數據的空間尺度以國家為單位,無法觀察各縣市變化,測量地點也較粗泛,較難細緻分析臺灣真實的人流變化。為了精確掌握臺灣本土的人流圖像,詹大千也與遠傳電信合作,以電信數據作為在地研究基礎。

「Google 沒有針對市場、高鐵、量販店做統計,但想判斷臺灣人潮群聚,這類場所很重要,有助於觀察人流熱區。」舉例來說,分析遠傳數據資料,去年 3 月量販店曾出現一波尖峰。回頭推敲,彼時正好是去年的「衛生紙之亂」,透過圖表,即能清晰反映出常民生活面貌。

除了觀測熱點場所,臺灣疫情期間的人流移動有什麼特徵?

觀察跨縣市人流, 2020 年上半年,每到連假各縣市便湧現旅客,多由北部往南部、東部移動,例如高雄、宜蘭的非居民量大增。隨著疫情趨緩 ,5、6 月後假日人潮不斷攀升,端午連假時移動距離達到高峰、觀光區人潮大增,成為南來北往最大量的連續假期!

這些人流模式皆成為重要的防疫參考。今年端午連假前夕,政府便強力呼籲減少返鄉移動、降低雙鐵負載量,新北市也關閉部分觀光風景區。

詹大千與遠傳電信合作,以去識別化的資料加總,觀察夜市、量販店、高鐵站等特定場所的人流變化。從今年曲線,5 月初出現諾富特群聚事件後,人流陡降,特別是假日的觀光風景區,全國三級警戒後降到低點。圖/研之有物(資料來源|詹大千
透過遠傳數據觀察,去年防疫期間,火車站、高鐵人流下滑明顯;醫院、量販店則較早回流。但觀光風景區起伏始終明顯,每逢連假就出現高峰,6 月進入防疫新生活後快速拉高至 35%,顯見去年疫情期間臺灣人最喜歡到風景區放風。圖/研之有物(資料來源|詹大千)
2020 年 6 月後,假日的跨縣市人潮開始增加,旅行距離越來越長。高雄、宜蘭遊客明顯增加,特別是遇上連續假期,人流就會從北部往兩處移動。圖/研之有物(資料來源|詹大千)

分析人流 超前判斷未爆熱區

人流分析對防疫決策具有重要意義,一般可知只要政府管制嚴格,便能控管人流,但唯有科學地掌握實際人流面貌,才能更細緻、滾動式地擬定政策。

「直接封城當然可行,但對社會和經濟的衝擊非常大。」詹大千解釋。

借助人潮數據可判斷高風險的傳播節點,規劃管制順序和強度。清楚呈現人流模式、移動路徑,也有助提前預判可能熱區。

舉例來說,從數據分析後意外發現,某些居住或在萬華區工作的人,可能與三峽經常有互動連結(例如停留)。這個特殊的人流關係模式,無法從實體距離直接判斷出來(如萬華與板橋僅一橋之隔,往來接觸可能性高)。但經數據分析後,地方政府便可以在疫情甫從萬華擴散時,先行至三峽進行重點快篩。

詹大千生動比喻:「不要等個案出來後,像打地鼠一樣去解決;越清楚看出人流移動,我們就可能超前偵測,及早撈出隱形傳播鏈。」實際篩檢後也發現,數據預測處與高風險重熱里,確實高度重疊。

社交管制該多嚴?配合度是另一關鍵

COVID-19 衝擊前所未有,面對這張全新考卷,要封城或宵禁?何時解封?管制是否太鬆散?各國皆只能權衡應變。除了向內看臺灣,詹大千也進行跨國比較,對照不同社交距離政策的防疫效果。

他運用牛津大學的「新冠肺炎政府政策強度指標」(Stringency index),檢視各國的政策鬆緊變化。這是目前最廣泛使用的跨國 NPI 政策指標,依循 17 項檢視項目,涵蓋學校關閉、移動與集會限制等,每日統計 174 國的即時政策強度。管制愈嚴格,指標分數愈高, 逼近 90 分大約已等同全面封城。

以臺灣來說,過去一年以邊境管制為主,沒有大規模停班停課,維持在 20 至 30 分。進入三級警戒後,折線陡升至 70 分以上,大約居於全球 34 名,衝入前五分之一。

綜合各國來看,邊境管制、限制集會等社會衝擊相對較小的防疫措施,多數國家最傾向使用。

依據此項指標,越南、以色列是圖中政策相對嚴格的國家。法國、英國執行封城期間(Lockdown),分數便直逼 90。臺灣原先以邊境管制為主,屬於低度管制,實施三級警戒後便陡升超過 70 分。圖/研之有物(資料來源|詹大千)

若把政策、確診數變化兩相對照,進一步觀察各國人流曲線,也呈現不同面貌。

去年 4 月,日本首度針對大都市如東京、大阪、名古屋發佈「緊急事態宣言」,強制性不大,呼籲減少密切接觸活動。施行一陣子後,確實降低確診數;但隨著緊急事態宣言第三、四次發佈,便出現防疫疲乏,加上政策嚴格維持中低度,整體人流僅減少約 3 成。

視角轉到歐洲,英國同樣面臨類似窘境。政府祭出嚴格的社交距離政策,但民眾配合度不高加上無法可罰,2020 年夏天後人流與確診數再次暴增,中央還得另編獎勵金請地方政府協助,提升政策配合度。

不難發現,能否減少確診數的箇中關鍵,其實和民眾配合度息息相關。

臺灣沒有進入四級警戒,但民眾的自主封城,讓人流降幅已接近國外封城的效果。民眾的配合度高低,可以從臺大公衛的調查看見類似訊息:2020 年 7 月底調查,室內公眾場所戴口罩、進門用酒精消毒的比例高達 99.2% 和 98.4%,防疫警覺高。

以 Google Mobility 比較各國人流,英國、法國在第一次封城後,大眾運輸、零售店減少約 7-8 成人潮;義大利下降約 9 成;臺灣三級警戒後人流下降約 6-7 成;日本發布緊急事態宣言後,人潮則減少約 1-3 成。(註:本圖僅挑選三類場所示意)
圖/研之有物(資料來源|詹大千

疫苗非金鐘罩 社交距離仍是重要防護力

力守邊境一年半後,臺灣疫情首度進入社區傳播,社區防護線成為一大重點。為了讓社區疫情觀察更超前,詹大千團隊也協助改造「社區疾病監測網」。

「我們不是現在才開始,從 2018 年起,就建置北市、高雄社區醫療監測網,監測流感、腸病毒。希望越多基層診所加入,就能布建越全面的流行病社區哨兵。」去年疫情爆發後,研究團隊則新增了新冠肺炎確診、疑似案例、嗅覺喪失等 COVID-19 相關代碼,協助即時掌握社區潛在個案,觀測疫情曲線變化。

監測系統承襲過去由定點醫師回報流感、腸病毒的概念,但改用資訊化系統,不需要耗費醫生通報人力。加入監測網的醫療院所,只要在健保系統中輸入特定症狀代碼,便能提供衛生單位,即時觀察社區流行病的潛伏、蔓延狀況。圖/研之有物(資料來源|詹大千)

社區監測網另一項好處是,多數年輕族群身體不適會先到診所,而非大型醫學中心。透過各地基層診所的症狀回報,有機會更早篩出症狀輕微的年輕確診者。詹大千直言,COVID-19 症狀與流感高度相似,特別是 Delta 病毒株,未來若政府能廣泛提供唾液篩檢組給診所,社區第一線哨兵才能更即時抓出隱形傳播鏈。

來勢洶洶的病毒,已然顛覆了整個世界,可預見的未來我們很可能將與病毒長期共存。廣泛施打疫苗,是社會對抗疫情的必要手段,但面對不斷變種的病毒株,詹大千強調 NPI 仍是不應輕忽的防疫保護網。

他也再次提醒道:「打完疫苗並不是披上無敵金鐘罩,各疫苗的保護力、每個人的免疫狀況都不同,落實社交距離、做好個人防護,始終是根本的防疫之道。」

對抗病毒,不只是公衛醫學,也是一場社會心理、場域的實驗挑戰。中研院集結 20 位人文社會學者,從歷史、經濟、法政、社會學、文學等不同視角,對世紀瘟疫提出深刻討論。除了推出主題網站, 7 月將集結出版《研下知疫-COVID-19 的人文社會省思》,詹大千也在書中透過數據提出觀察分析。圖/中研院出版中心

資料來源

  1. 詹大千,〈有圖來解─社交距離對於延緩 COVID-19 疫情的影響〉,《研下知疫-COVID-19 的人文社會省思》,康豹、陳熙遠編,中研院出版中心,2021
  2.  從手機網路訊號資料,探勘人口動態奧妙,2018
  3. Ta-Chien Chan*, Jia-Hong Tang, Cheng-Yu Hsieh, Kevin J. Chen, Tsan-Hua Yu, Yu-Ting Tsai, to appear,〈Approaching precision public health by automated syndromic surveillance in communities〉,《 PLOS ONE》(DOI: 10.1371/journal.pone.0254479)
  4. 詹大千的個人網頁

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook


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「你不要過來啊!」蜘蛛為了在交配中保命,竟然把自己給射出去了!

Peggy Sha
・2022/05/18 ・1686字 ・閱讀時間約 3 分鐘

自然界中,充滿了不少為了交配而「慷慨赴義」的勇者,像是:螳螂、蜘蛛等等,在激戰中或激戰後,雄性會變成配偶的盤中飧,如此一來,不僅可以延長交配時間、增加受精機率,還能為雌性提供養分,讓後代更有機會健康快樂地成長!(讓我們感謝飛天小爸爸的努力!)

「性食同類」不僅可以延長交配時間、增加受精機率,還能為雌性提供養分,讓後代更有機會健康快樂地成長!圖/Pixabay

這種現象呢,被稱之為「性食同類」(sexual cannibalism),通常是雌性吃掉雄性的比例稍微高一些。

但正如俗話所說,「生命會自己找到出口」,竟然有雄性蜘蛛靠著把自己「射」出去來保下一命!今天,就要來為你講述,隆背菲蛛(Philoponella prominens)的噴射故事。

交配到一半就彈出去了?超離奇高速彈射之謎!

這次的主角隆背菲蛛呢,是一種原產於日本、韓國等地的社會性動物,過去驚人的成就包括:能夠一次聚集 300 多隻同伴,共同編織出一片大網。

至於牠們超強的彈射能力又是如何被發現的?原先,來自湖北大學的張士昶副教授與團隊正在研究隆背菲蛛的性行為,卻忽然發現了一個超離奇現象:完成交配之後,雄蛛居然會猛然彈開,「biu」地一下就飛得老遠!

這驚人的過程可說是快到不可思議,最高紀錄達到一秒 88.2 公分,別說是肉眼,就連普通相機都沒辦法正確紀錄下細節。

這個現象立刻引發了研究團隊的好奇心,那麼接下來該怎麼辦呢?當然是:交配大戰看起來!

射,還是不射?這是個攸關性命的問題!

為了進行研究,團隊總共觀察了 155 次交配行為,並在其中 152 次中觀察到了這種超高速的彈射情形。你可能會很好奇,那剩下的 3 次呢?嗯……那 3 隻隆背菲蛛沒有成功彈射出去,交配後就成了配偶的大餐了。

什麼?沒彈掉就會被吃掉?這究竟是巧合還是命運的安排?

研究人員決定出手人為干預一下,他們選了 30 隻隆背菲蛛,然後想辦法阻止牠們彈射,結果發現:「彈射=保命」,要是你射不出去,那你就逃不過配偶的大口,注定要變成人家的晚餐。

要是隆背菲蛛彈射失敗,那就逃不過配偶的大口,注定要變成人家的營養來源。圖/Pixabay

相反地,如果成功彈出去了,那麼,你不但可以保命,也多了再次交配的機會。嘿,沒錯,牠們彈出去後還會再爬回來交配,再彈、再爬、再交配,就如此反反覆覆。(當然啦,有時也會在過程中不小心弄掉一些身體部位,比如一兩支步足。)

想要成功噴射,你需要一對強壯的步足!

至於為何隆背菲蛛能變成這樣的飛天小蜘蛛呢?秘密就藏在牠們的步足中。研究團隊發現,雄蛛們會將第一對步足抵在雌蛛身上,一旦交配完成,就用力蹬腳彈射出去。

根據實驗,科學家們發現這對步足可說是噴射與交配關鍵,少了一支都不行,只要沒有這對秘密武器,雄蛛只會停留在求偶階段,但不會真的跟雌蛛交配。但如果掉的是其他幾支腳,那可完全不會影響交配過程,還是能順利完成生育大計。

而這對秘密武器最強大的地方,其實是來自液壓;只要蜘蛛擠壓胸部的肌肉,便可以將其中的體液注入特定關節(tibia–metatarsus joint),透過液壓來伸直步足、產生彈力。

沒想到吧?為了在交配中保命,隆背菲蛛還得運用到流體力學,是不是很有趣呢?

參考資料:

Male spiders avoid sexual cannibalism with a catapult mechanism: Current Biology
These male spiders catapult away to avoid being cannibalized after sex
Watch These Male Spiders Jump Like Hell to Avoid Being Eaten After Sex
This Male Spider Catapults Itself Into the Air to Avoid Sexual Cannibalism | Science| Smithsonian Magazine
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Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。