求助!华裔数学家开发抗击新冠APP受阻,距离上架仅一步之遥

原创 罗博深数学 罗博深数学
作者 | Shen,Zifan
编辑 | Yubing
导语
华裔数学家罗博深协资深团队打造新冠病毒接触追踪软件,现距离登陆苹果商店、谷歌商店仅一步之遥。
“前”病毒时间
2020年1月底,农历庚子新年即将到来之际,新冠病毒突然在国内起势,焦虑与惶惑的情绪开始蔓延。对互联网信息最为敏感的00、90后群体最先意识到问题的严重性,开始告诫父母长辈:今年大概不能过个寻常年。
3月中旬,美国各州相继陷入紧急状态。我们也宣告暂停全部线下数学活动。
“情况可能比我们想象得更糟糕,明天开始,全体员工改为居家办公,请不要在禁止令解除前随意来公司.......感谢每一个人的辛勤工作,你们的付出不仅是在为教育做贡献,更是在帮助人类抗击病毒。”
不久后,我们收到了邮件通知,开始在家隔离。
回家的公交车上写着标语“STAY HOME, SAVE LIFE”;新闻每天更新着飞速飙升的确诊病例数;各州相继宣布成为重灾区;最高领导人、明星接连不断确诊;路上的陌生人远远地说:“Stay safe!” 世界突然停下来了,人心惶惶。
就在这时,罗博深做出了一个决定——
“让我们为世界做点儿什么。”
从COVID到NOVID
某天下午,在阅读一位博士生的论文时,罗博深突然意识到COVID-19的传播本质上是一个图论问题。想到这里,他立刻重拾起1月份新冠病毒爆发时想到的那个数学模型。流行病学界认为让疫情得到控制的关键措施之一就是通过减少人群接触,尽快让R值降低到1以下。我们都知道,R0(基本再生数)意味着每个确诊病患进入易感人群时能够感染的人数,也就是说只有R值降到1以下,流行病的蔓延势态才会逐渐被遏制直至消逝。有没有办法让每个人都了解自己密切接触过的人群的健康状况?通过现代人永远随身携带的的手机和应用程序,有没有可能通过接触者追踪实现监测功能?这个想法让罗博深兴奋不已,他随即在Facebook上发布了一条帖子,面向社会发出组建技术团队的邀请。
当天晚上,罗博深收到了许多行业顶尖的软件开发工程师、生物学家、物理学家和视觉设计师们的回复。几位不同领域的天才,组成了NOVID最初的研发团队。
隔离的日子里,公司变成了只有罗博深一人出入的敲码实验室。在这个人与人要保持2米以上距离的特殊时期,团队虽然无法坐在同在一个办公室里,研发进度却从未因此而停滞。即使每天只能睡3-4个小时,他依然兴致高昂地和团队分享NOVID的最新进展:“这是一个目前还没有人想到的点子。我们在和时间赛跑,我们会做出做比任何大公司都好的App!我们的是最酷的!它有可能改变整个世界的混乱局面!”
正如在2004年获得赫兹奖金(Hertz Fellowship)时,他曾在获奖证书上签字承诺的一样:将在人类需要之时贡献一己之力。——他愿意,也有能力,兑现自己的诺言,帮助人类闯过这次难关。
NOVID的开发与设计
设计理念
作为这款接触追踪软件的开发者,早在设计之初,罗博深就明确了NOVID需要解决的核心问题——实现精确追踪接的技术。他希望NOVID可以通过追踪和检测用户接触人群的健康状况向用户发布预警,告知可能面临的病毒威胁。通过随机生成用户ID的算法,该功能在用户无需提供个人信息的前提下有效运作。比起以大数据为主,自上而下的追踪接触应用程序,NOVID则更加注重检测的精确性、用户的隐私保护和使用体验。
理论基础
在设计过程中,主要应用的数学理论囊括了博弈论(Game Theory)、排列组合(Combinatorics)以及图论(Graph Theory)。博弈论让NOVID能够用最有限的信息实现最精准的追踪;排列组合(Combinatorics)以及图论(Graph Theory)则旨在识别出可能受到病毒影响的人群。
蓝牙技术与超声波技术的结合
目前大部分接触追踪APP测定距离时普遍依靠的是蓝牙技术,罗博深分析了大部分开源的蓝牙接触追踪应用的源代码,发现这种估测信号来源与用户之间的距离的方式,会因不同机型蓝牙信号强度差异等问题产生较大误差;即使同一款手机,放在口袋里时和在拿在手上时的信号强弱也是不完全一致的。此类依赖于蓝牙信号检测的APP必须要经过后期分析才能校准测定距离。
为了提升测量精度,经过与来自加州大学伯克利分校物理系学者讨论,罗博深想到了超声波技术:利用傅立叶分析(Fourier Analysis)定位特定频率的波段,进而计算不同手机之间的距离。手机的麦克风就可以发射并接受这种声波,它的频率刚好在人类听觉范围之外,因而不会对用户日常生活造成干扰。同时,即使近距离内有障碍物,超声波信号依然能够被检测到,结合蓝牙信号,便能得到更准确的测量结果。
如果我们能测量在几毫秒的精度范围内超声波信号传输和接收所需/时间,就可以在几英尺的精度范围内确定信号与用户的距离。这种测量超声波信号输出与接受时间差的原理与通过计算闪电和闪电之间的相差的秒数来判断下一次雷暴有多远是一样的。由于声波在空气中的传播速度有限,仅为343米/秒,我们能够把记录声波信号传送时的误差控制在 ±1毫秒左右,以距离的形式则可以表示为±0.34米,这样一来,2米以内的非安全距离都可以被精准地监测到。经过无数次代码的编写和修正,最终,NOVID成功地将超声波和蓝牙技术结合了起来。
精准的距离测量正是接触追踪类应用的核心,在这方面,罗博深相信NOVID比任何APP都更出色。
便捷的操作系统
为了方便不同年龄段用户使用,设计师们简化了应用交互页面的操作步骤:在用户没有任何健康状况发生时,除了授权应用使用蓝牙和麦克风功能,不需要额外进行任何操作;而当用户检测新冠病毒呈阳性后,只需点击APP首页的自我报告按钮匿名反馈健康状况,在近10天内与其密切接触过的用户就会收到提醒: “刚刚有一位用户报告了新冠病毒检测呈阳性,您近期曾和该用户近距离接触超过30分钟”。
用户隐私保护
NOVID非常重视用户隐私的保护,罗博深希望以最小化的信息收集进行最精准的接触追踪。用户无需输入手机号码、个人邮箱等任何个人信息,无需开启手机定位功能,甚至不需要注册账户就可以使用。每个用户都会获得一个算法随机生成的ID,NOVID会通过检测设备之间的信号传输,记录用户与他人的接触时长。也就是说,NOVID不知道你是谁、去过哪里、遇到了什么人,它仅仅会记录567号用户和836号用户曾在3天之前近距离接触超过30分钟,并在567号用户自我报告后对836号用户发出匿名提醒。此外,相比其他类似的接触追踪App仅提供直接接触人群的健康状况,NOVID可以更加精准地找到潜在的传染链条,无论用户直接接触或间接接触确诊患者,都将收到提醒。
支持算法由C++编写,经过优化后,服务器可支持上亿万的用户同时注册账户使用。
面临困境
APP的研发过程并不是一帆风顺的。
罗博深首先面临的就是资金问题。为尽快实现他的构想,需要以最快的速度召集最优秀的人一起战斗。病毒扩散不等人,寻找投资会耗费太长时间,感染和死亡人数呈现指数上升的趋势,对抗新冠是一场和时间进行的赛跑。
没有太多犹豫,罗博深做出决定,用这两年来Daily Challenge课程的全部收入,无上限投入NOVID APP的开发。除此之外,如何搭建一个足以支撑亿万人同时使用的服务器,如何应对苹果IOS操作系统的诸多限制,这些开发过程中遇到的难题,都在罗博深和整个团队工程师们的努力下得到了解决。
终于,4月7日,“APP可以使用了!”罗博深在公司群里发布了通知。卡耐基梅隆大学也专门刊登了介绍NOVID的专题文章。
就在团队以为最难的研发障碍都已经克服,夜以继日的数十日奋斗终于要换来成果,一切都已准备就绪的时刻,却遇到了非技术层面的障碍——根据谷歌针对抗击新冠的接触追踪APP所出台的新规,NOVID需要获得美国医疗机构的认证,否则将无法在谷歌应用商店上架。
近一周来,罗博深及其研发团队一直在积极联系学术、医疗、科技、教育等多个领域的工作者,尝试获取符合要求的支持/认证文件,争取让NOVID尽快在谷歌和苹果应用商店上架。但遗憾的是,尽管获得了多方支持,问题至今没有得到最终解决。
这不该是NOVID的终点。
它是一位华人数学家作为世界公民面对“中国病毒”的无端责难做出的有力回应,它可以为人类抗击新冠病毒贡献更多力量,成为亿万民众健康的保卫者,帮助世界走出阴霾,重获安宁。
也许你可以帮到NOVID
“As we look to move past self-isolating and sheltering-in-place, contact tracing will play an important role in getting people safely back to their normal activities.”
面对全人类共同经历的劫难,我们相信团结的力量。如果不愿继续面对未知的病毒惶惶不可终日,希望你和我们一起帮助NOVID跨过最后一道门槛,让它在应用商店上架,让更多人可以更好地保护自己。
如果你身边恰好有医疗系统的工作人员,或有任何可提供帮助的朋友,希望你与他们分享NOVID的故事;如果你有意愿也有能力帮助我们,敬请在评论区留下联系方式,我们将尽快与你取得联系。
人类终将回到平凡的日常生活,Let"s stop the spread together。
编者按
我们衷心感谢每一位参与Daily Challenge with Po-Shen Loh的学生和家长,没有你们的支持,NOVID的构想将永远无法实现。
* 本文内容属罗博深数学及其母公司Expii, Inc所有,如需转载请联系罗博深数学团队,未经授权请勿转载。欢迎转发本文与全世界的朋友分享数学、教育的乐趣。
了解NOVID,
点击本文左下角“阅读原文”进入NOVID.org
阅读原文
原标题:《求助!华裔数学家开发抗击新冠APP受阻,距离上架仅一步之遥》
阅读原文
上一篇:得到App推出首届423“破万卷”节 罗振宇直播分享“刷书”心得
下一篇:孩子处于“数学敏感期”时更应该郑重对待