大数据与人工智能技术在COVID-19疫情防控中的应用分析

曹文洁，刘 杰，张本龚

（武汉纺织大学 数学与计算机学院，湖北 武汉430073）

2019年12月以来，由新型冠状病毒感染引起肺炎疫情对全世界造成巨大影响。随着世界范围内科学工作者对该病毒深入研究，逐渐对其有了较多的认识。在此过程中，应用人工智能、大数据分析等方法技术手段取得了阶段性胜利。国家工业和信息化部早在2020年2月发布倡议书，倡议人工智能相关学会、联盟、企事业单位充分发挥人工智能赋能效用，组织科研和生产力量以全力应对新型冠状病毒疫情。如何在这一关键时期利用大数据、人工智能等现代化治理手段打赢这场疫情防控战，直接关系到人民生命健康安全和国家经济社会稳定。本文主要梳理了疫情爆发以来，大数据与人工智能技术在COVID-19疫情防控中的实际应用。

1 大数据、人工智能助力COVID-19防控的进展

数字信息时代，大数据和人工智能技术引领了现代信息科技的发展，对医学、生物学等众多领域带来了深远影响。针对2019年新型冠状病毒病，国家采取了相关疫情防控措施。

1.1 大数据、AI助力新型冠状病毒基因组测序与分析

新型冠状病毒全基因组测序是研究病毒传染源、进化与变异、传播途径的基础，也是实现疾病诊断、宿主-病原关系研究、药物研制、疫苗研发的基础。国内各互联网企业、公司为病毒基因组测序与分析提供服务、创造条件。

目前研究结果表明，新型冠状病毒基因组序列较长，快速检测其基因组全貌极其困难。浙江省疾控中心借助 AI算法开发的全基因组检测分析平台，将常规人工病毒基因组测序数小时的工作内容缩短至两小时完成，全基因分析流程也由数小时缩短到半小时，且可有效防止因病毒变异而产生的漏检。阿里巴巴集团为公共科研机构免费开放新型冠状病毒疫苗和新药研发所需的一切 AI算力，以支持病毒基因测序、新药研发、蛋白筛选等工作。百度研究院同时也为各基因检测机构、防疫中心和全世界科学研究中心免费开放AI算法，提高了病毒RNA分析和空间结构预测速度，空间华为云服务与AI技术为实时机动的测序数据上云传输和计算实验提供了保证[1]。

对于此次病毒传染源的追溯是明确新型冠状病毒的传播机制、避免疫情反复的关键任务。科研学者积极推进利用深度学习方法推测病毒宿主的研究，基因组数据检测与分析对探索新型冠状病毒的源头具有基础性意义。通过大数据、人工智能技术代替人力完成基因测序与分析等工作，大大缩短了病毒检测与分析的时间，对寻找病毒发源地、研发疫苗药物等具有重要意义。

1.2 医疗大数据、AI助力2019新型冠状病毒病智能医疗诊断服务

医疗大数据、人工智能技术对临床诊断和远程医疗服务均发挥重要作用。新型冠状病毒具有传播速度快、临床症状不典型、传染性强等特点，病毒核酸检测作为此次 2019新型冠状病毒病重要的确诊手段特异性强，临床检测上易出现假阴性情况，使得病毒核酸检测在临床应用中遇到了难题[2,3]。胸部X线检查的空间分辨率较好，但密度分辨率差，肺部病变漏诊率较高。HRCT（高分辨率 CT）检查简便快捷，CT 为断面影像，没有重叠，多平面、多方位显示病灶的细节，CT早期、进展期、重症期与吸收期有不同的影像学表现且与临床病情紧密相关，能够早期发现病灶，是临床较好的确诊手段，现已被广泛应用于临床筛检病变和评估病灶范围[4,5]。

2019新型冠状病毒病患者治疗过程中病灶变化快, 短时间内需进行多次复查，产生大量影像从而增加临床医生诊断的工作量。推想科技针对 2019新型冠状病毒病研发的人工智能肺炎诊断系统，投入到华中科技大学同济医学院附属同济医院临床应用，可全自动、快速、准确地为医生提供诊疗意见，提高诊断速度，减少患者院内等待时间，大大降低院内交叉感染的风险[6]。依图医疗结合上海市公共卫生临床中心指导开发了 2019新型冠状病毒病智能影像评价系统，在上海市公共卫生临床中心投入使用。系统采用创新的人工智能全肺定量分析技术，为临床专家提供基于CT影像的智能化病灶定量分析、疗效评价等服务，提升了精准定量分析的效率，为临床医生决策提供更为准确的依据，助力疫情防控[7]。华中科技大学与华为云等企业合作研发人工智能辅助医学影像量化分析服务，运用计算机视觉与医学影像分析等 AI技术为临床医生提供CT量化结果，该服务使用华为自主研发的昇腾系列AI芯片，其强大的算力可实现单病例量化结果秒级输出，AI辅助医生复核的总体效率是纯人工量化评估速度的数十倍[8]。

武汉市火神山医院5G网络信号全面覆盖，首个“远程会诊平台”投入使用，远在北京的医疗专家通过视频在线问诊，医院配备有移动摄像头的医用推车，一定程度上实现云查房。火神山医院远程视频会议系统连接指挥会议室实现了远程指挥。医院还配备信息系统、影像存储传输系统，以保障患者入院治疗的所有数据均通过网络实时共享，极大地提高了诊疗效率。四川大学华西医院快速建立“华西项目化工作模式”，在已有智慧医疗基础上充分发挥互联网、人工智能、大数据的优势，通过华西医院互联网平台开展疫情在线干预防控工作，避免人群聚集，快速整合院内资源，高效应对紧急疫情[9]。

赋能基层医生，科大讯飞构建 2019新型冠状病毒病攻关团队帮助基层抵抗疫情，科大讯飞智医助理平台通过对感染肺炎的重点人群进行筛查、防控，分析病历继而筛查潜在高危患者，外呼平台的推出实现与民众的及时通信。百度应用软件也开通了“在线问医生”的服务，有效减轻基层医务工作者的负担。北京医学会开通“北京市新型冠状病毒感染肺炎在线医生咨询平台”，采用5G、人工智能等技术手段使市民在家便可获取预防、诊治等权威资料和专业指导，为民众提供高效、可靠的智能病情咨询和分析[10]。

AI助力新型冠状病毒临床诊断，缓解了一线影像医生紧缺的现状，大大提升诊断的效率。远程诊断方式满足了疫情影响下基层百姓的医疗需求，医疗落后地区可获得高素质专家诊疗指导，保证会诊结果的高质量和权威性。

1.3 大数据、AI助力2019新型冠状病毒病疫苗研发和药物筛选

传染性疾病由于其特殊性，如果不及时控制会造成大量人员感染。药物的使用、疫苗的研制则是人类与传染病作斗争、控制其传播的最有效武器。

腾讯云组建了应急工作小组，免费开放云超算等能力。百度为疾控机构、科研院所等单位提供技术支持，配套亿级计算资源，成立专项基金，联合大数据、人工智能技术支持抗击疫情的新药筛选和研发。阿里云与全球健康药物研发中心共同开发人工智能药物研发大数据平台，对以往冠状病毒有效的药物进行再探究，深入分析药物分子性质，对已有数据进行集成和挖掘，向科学界公开已有临床数据，为新型冠状病毒科学研究提供重要数据支撑。

新药研发过程漫长而复杂，包含新药筛选、药理分析、安全评价、临床反应等工作，对已有药物的有效性筛选不失为一个高效、快速的手段。研究学者通过利用已有的分子库和数据库，筛选可能对新型冠状病毒有疗效的药物，目前多种老药新用的药物和试验性药物已经被鉴定出来并不断进行临床验证[11]。大数据技术、人工智能技术为药物筛选创造了有利的条件，药物筛选成果不断，加速疫苗研发，为患者治疗、疾病预防发挥巨大作用。

1.4 大数据、AI助力抗疫资源的生产组织与调度

大数据的运用、人工智能设备如智能机器人的使用，优化抗疫资源的组织调度，最大化资源利用率。

海尔公司开发了疫情医疗物资信息共享资源汇聚平台，实现抗疫资源精准对接。电商平台利用大数据+AI，进行2019新型冠状病毒病防疫医疗物资如口罩、防护服、消毒液等的假冒产品销售和虚抬物价等行为的判断，利用智能优化，实现物资和人员的合理优化配置。胡卿汉等人针对2019新型冠状病毒病防疫物资管理进行基于区块链架构下防疫紧急物资供应信息管理的研究，为定向捐赠与供给提出有效建议[12]。

雷神山、火神山医院使用智能递送服务机器人，根据医院需求完成递送化验单、药物等工作；消毒机器人进行自行喷雾消毒、空气净化、紫外线消毒等工作；医用送餐机器人在隔离区提供免接触送餐服务，减少接触传染的可能性。多家人工智能企业研究推出具有功能多样的机器人，应用即时定位与地图构建技术、分布式调度技术，实现厘米级实时定位、最优路径规划和智能避障功能，确保机器人的智能性与机器人系统合作的高效性。测温巡逻机器人协助一线民警完成防控、排查任务；智能化配药机器人可实现操作人员不直接接触药物，调配过程由机器完成，避免药物交叉污染和空气污染；智能疫情机器人完成在线咨询、网络问诊、重点群体关怀等任务[13]。大数据信息平台，提高了应急物资配置的调度效率。AI机器人协助各部门防控疫情，有效减少直接接触，降低工作人员被感染的风险，提高了工作效率。

1.5 大数据、AI助力2019新型冠状病毒病疫情溯源与监测预警

电信大数据对疫情溯源和监测具有重要意义。我国移动互联网的普及率高于全球平均水平，疫情期间新闻类软件和应用小程序动态更新各地区确诊病例人数、疑似病例人数、死亡人数、确诊病例出行轨迹与乘坐公共交通车次信息等最新数据，公众可根据本地区疫情变化情况及时加强自身防护，市区乡镇有关部门基层组织者可及时调整政策措施。

国家电网电力公司开发大数据分析算法，对用电数据进行分析，根据用电量判断社区中是否有独居人群、居家隔离人群，从而进行针对性的帮助与服务。通过城市用电量数据了解复工情况，从宏观上掌握国家复工趋势，电力大数据对疫情监测防控和政策制定实施具有重要参考价值。

百度、腾讯等公司以APP方式精确到小区向公众发布确诊病例的详细位置及周边确诊病例数量，同时建立疫情期间城市热力图，细化到每一个县，避免人口过度密集。百度大数据通过基于移动终端的轨迹对确诊人群勾画关系图谱，进一步追踪接触者以进行隔离管理。高德地图则对旅途经过地的疫情情况、管理要求、路况及返程所需时间等进行列出，方便返程人员提前做好准备。工信部统筹三大电信运营商推出用户行程查询服务，用户通过扫码等方式证明无疫区行程，个人自证服务提高疫情管理效率，保证监控的准确性。

百度通过人工智能技术建立口罩人脸检测及分类模型，快速识别人脸是否佩戴口罩。AI智能测温仪集人工智能和大数据技术于一身，采用 AI测温仪的监控测量系统通过温感摄像头结合人脸识别、热成像体温检测等技术形成数据报表，系统自动启动预警机制。雷、火神山医院采用全自动红外热成像测温告警系统以监控医院人群的体温状况，智能监控管理设备实现对病患及周边环境的有效远程监控。智能测温、监控系统用于各类人员密集场所，减少监测人员的感染风险，大大提升检测效率[14]。

支付宝为实现精准复工管理开发健康码模式，率先在杭州市实施市民和拟进入杭州人员的“绿码、红码、黄码”三色动态管理。健康码基于政府数字化管理体系、实名认证、大数据等产生，疫情期间领取绿色码的人员凭码通行，黄码和红码需自行隔离。支付宝加速研发全国统一的健康码系统以推向全国。健康码系统是大数据数字助力抗疫的又一体现，为精准疫情防控和复工复产提供双重支撑。

较早地预测疫情爆发是降低传染病危险性最有效的方法。国内外，有很多公司和科研机构通过构建模型进行传染病疫情预测，大数据、人工智能机器学习算法是传染病疫情预测模型构建的关键技术方法[15,16]。政府、企业也积极构建疫情直报管理系统来防控传染病的爆发，中国疾病预防控制中心继SARS疫情之后建立了全球最大的传染病与突发公共卫生事件监测信息系统即网络直报系统，系统覆盖全国，一旦出现传染性病例并在此系统上报告，中国疾病预防控制中心第一时间便能了解情况，立即派人进行流行病学调查、病人访查、采取样本等工作，快速发现疫情、防控疫情[17]。

电信运营商、电力系统、卫生健康委员会、交通系统、工信部门的大数据结合数据分析模型、人工智能检测分类技术，有利于在公共卫生监测、疫情预警管理等方面提高疫情检测的灵敏度，快速指导公共卫生机构合理分配资源，协助政府开展疫情防控工作[18]。

2 展望与对策建议

随着大数据与人工智能时代的到来，如何利用这些先进的技术服务社会，提高社会各方面特别是对公共卫生突发事件的应急处理能力，是摆在人们面前不可回避的难题。通过本次利用人工智能与大数据技术助力 2019新型冠状病毒的疫情防控，我们发现目前大数据与人工智能的应用和社会实际需求还存在一些差距。主要表现在：第一、在利用大数据监控、预警与引导舆情传播方面略显滞后；第二、涉及疫情传播大数据采集硬件建设还需进一步加强；第三、涉及疫情传播科学大数据应用研究本身暴露出不足；第四、如何保护个人大数据隐私，目前尚缺乏完善的法律保护。为了进一步发挥大数据与人工智能技术在服务社会方面的作用，我们认为今后至少要做好以下几个方面的工作：

（1）加大对涉及疫情传播科学大数据应用研究投入力度，研发基于新型冠状病毒知识库与病例库，构建AI诊断模型实现机器智能诊断，深入研发AI远程诊断专家系统以实现真正的智慧医疗。

（2）加速构建全国范围内协调一致的传染病疫情防控AI预警系统，建设政府主导、专家指导、多部门参与、惠及全体人民的基于云计算的安全可靠、实时准确、全方位、多层次、高效的大数据信息网络平台，完善传染病爆发预警机制和应急反应框架，实现国家各级各部门联防联控。

（3）加大涉及疫情传播大数据采集硬件建设力度，将基站定位、卫星导航、数字地图定位相结合，提升用户覆盖率和定位精度。

（4）完善涉及疫情传播隐私大数据保护法律法规建设，加强对个人隐私、数据资源的管控，严厉打击恶意侵犯泄漏他人隐私的行为和组织。

（5）加快基于AI预警系统的地方防疫响应措施落地，各地方政府和医疗机构积极采用现代科技手段落实各项政策，发挥大数据分析、AI预警系统在疫情风险预测、资源调度、风险评估、绩效管理、辅助决策等方面的作用。

（6）加强地方、基层基于AI技术的防疫人才培养力度，国家应呼吁并支持高校增设传染病学专业、急救专业，加大生物信息学、疫情信息化防控、传染病预防防治等相关基础性理论研究，加强对实地应对重大疫情人才的培养，鼓励传染病学、生物医学、临床医学、影像学等相关医学专业与计算机、人工智能、大数据等专业的跨学科结合，建立整合传染病、感染病等的学科体系和研究平台[19]。