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龍de船人 新闻 解讀鉆石公主號新冠傳播:“海上孤島”如何“免疫”?

绡僵绔炲僵 :解讀鉆石公主號新冠傳播:“海上孤島”如何“免疫”?

篮球竞彩app www.pavvp.com 作者:龙de船人| 發布時間: 2020-3-3 09:26| 查看數: 467| 評論數: 0

1、鉆石公主號郵輪的背景材料

1)基本情況

船籍:英國

建造:日本(三菱重工建造,2004 年竣工)

運航:美國嘉年華集團(Carnival Corporation & Plc)旗下郵輪公司“公主郵輪”(Princess Cruises)運營

概況:長290.4 m,寬48.2 m,高62.5 m(18層),載重 11.6 萬噸,可以容納乘客 2670 位,共有客艙 1337 間,其體量相當于一個十幾萬平米的酒店綜合體。



2)該郵輪的HVAC系統

據報道,鉆石公主號郵輪整船隔離后,被感染者數量仍持續增高,可能和郵輪的密閉結構有關。根據日本三菱重工設計資料, 鉆石公主號郵輪采用全空氣式空調方式(非空調水冷機組),房間大部分回風經走廊回到機房空調機組,與取自船外的一部分新風混合、再經溫濕度調節處理后送入房間。衛浴間排風為獨立排風。關閉回風僅保留新風運行也可實現原風量的30%以上風量運行??筒湛盞饔牘睬蚩盞鞣直鴝懶⑸柚?,新風口與排風口分別設置于左舷與右舷避免氣流交叉。

國家衛健委頒布的《新型冠狀病毒肺炎診療方案(試行第六版)》中,對新冠病毒傳播途徑說明如下:經呼吸道飛沫和密切接觸傳播是主要的傳播途徑。在相對封閉的環境中長時間暴露于高濃度氣溶膠情況下存在氣溶膠傳播的可能。

綜合國內外相關新聞報道, 鉆石公主號郵輪HVAC系統在各艙室之間傳播新冠病毒是可能的重要原因之一(近距離接觸時飛沫直接沉降到易感者的呼吸道里和非直接的人-物體表面-人的接觸傳播也是存在的),該郵輪HVAC系統并未配備高效粒子空氣過濾器(HPEA,對直徑0.3微米以上的微粒去除效率可達99.97%以上),因此不能有效過濾隨空氣傳播且附著新冠病毒的飛沫核或氣溶膠(蒸發后的飛沫核直徑一般小于5~10微米,而新型冠狀病毒直徑在60-140納米之間)。同時該郵輪上流動的空氣是由外部新風混合過濾后的再循環空氣,由于新風量有限,而游客均按要求在各自艙室內隔離14天,這就導致了新冠病毒在郵輪上的大爆發。


(a)三菱重工的HVAC系統原始設計圖紙

(b)同濟大學譚洪衛教授繪制的HVAC系統簡圖  鉆石公主號郵輪的HVAC系統


根據權威醫學期刊The New England Journal of Medicine 2020年2月20日發表的學術文章’A Novel Coronavirus from Patients with Pneumonia in China, 2019’,冠狀病毒直徑在60-140納米之間,如下圖所示:

冠狀病毒顯微鏡圖



2、研究背景

全球每年有上億人次通過郵輪、渡輪、滾裝客船等客船出行,同時還有大量海軍官兵在艦船上服役,這些人員密集船舶上往往艙室眾多、人員密集,而為了保持船舶水密、氣密等性能的需要,很多人員住艙往往不能與外界大氣通過開窗進行自然通風,因而構成了龐大而復雜的人機環系統。

在整個航行周期內,人員密集船舶艙室的室內空氣質量不容樂觀,船員、乘客等持續暴露在艙室環境內的各類氣載污染物中,這將對人員的健康帶來危害。呼吸道疾病是郵輪等人員密集船舶上發病率最高的疾病,通過空氣的傳播途徑是呼吸道病毒傳播的重要途徑,即已染病人員發生咳嗽、打噴嚏等呼吸行為時,附著在呼出飛沫或氣溶膠上的呼吸道病毒通過空氣傳播擴散,被其他健康人員吸入呼吸道而致病。

人呼吸行為產生的飛沫、氣溶膠傳播圖


3、主要研究內容針對郵輪這一典型的人員密集船舶,可以用宏觀和微觀兩種方法進行呼吸道病毒傳播仿真及感染定量危險評估:

郵輪典型甲板層房間布局圖(部分)


1)微觀層面:對一段時間內人員固定的郵輪艙室采用計算流體力學方法定量考察感染者咳嗽、打噴嚏等呼吸行為產生的飛沫在空氣中的傳播,包含沉降、蒸發、擴散等,可定量計算易感人員的病毒吸入劑量及染病概率。

2)宏觀層面:深入分析郵輪上人員的活動聚集規律,基于一定的合理假設,構建郵輪室內社會關系密切接觸網絡模型,并有機集成個人尺度上的SEIR傳染病傳播模型、人傳人呼吸道病毒感染概率模型,用來評估郵輪上人員呼吸道疾病空基傳播的感染危險。

微觀層面的計算流體力學方法

針對郵輪這一典型的人員密集船舶上的密閉住艙——游客在郵輪上呆的時間最長的“室內”空間環境,使用計算流體力學方法定量考察密閉住艙內因為咳嗽這一典型呼吸行為產生的飛沫核(由于咳嗽引起的飛沫除直徑較大的近距離直接沉降外,將在較短的時間內迅速蒸發為一般不大于5~10微米的飛沫核,直徑在60-300納米的呼吸道病毒附著在飛沫核上)在空氣中的傳播擴散過程(多相流),對空氣流動采用非定常雷諾平均納維—斯托克斯方程求解,對飛沫核擴散采用歐拉模型或拉格朗日模型求解,考察加大通風量、改變通風模式及人員睡姿改變等方式降低飛沫核濃度及呼吸道疾病空基傳播的感染風險。


散流器圖

歐拉模型仿真結果

拉格朗日模型仿真結果


不同工況易感游客的病毒吸入劑量(歸一化處理)


宏觀層面的定量危險評估模型

1)郵輪室內空間社會關系密切接觸網絡

郵輪室內空間社會關系密切接觸網絡如下圖所示,其中不同顏色的點代表不同室內區域的人員,連線代表人與人在某個時間段內在同一室內區域從事某項活動。這些室內區域包括郵輪上的客房住艙、船員住艙、餐廳、劇院、酒吧、商店等。



2)個人尺度上的易感—暴露—感染—康復(SEIR)傳染病傳播模型:在經典SEIR模型上發展,其中α的倒數是平均潛伏期,流感的平均潛伏期為1.9天



3)人傳人呼吸道病毒感染概率模型

集成Wells-Riley數學模型和競爭危險模型,綜合考慮郵輪HVAC系統供應的新風量、配備HEPA過濾器和紫外線殺菌(UVGI)裝置、易感者和感染者是否佩戴醫用口罩等多種工況。在郵輪上室內區域l處易感者i被一個感染者j的感染概率:




不同呼吸道病毒(鼻病毒、肺結核、流感、麻疹)的感染強度值quanta如下圖所示(新冠病毒的quanta值未知)


4)實例驗證

該定量評估模型選用1997年一艘從美國紐約市開往加拿大蒙特利爾市為期10天的郵輪上爆發的流感病例用來驗證,全船2000余人中預測的感染病例數(44例)與實際的病例數(42例)有著較好的吻合。

實例驗證仿真

該郵輪在一個航程(假設30天)中的流感爆發模擬曲線

5)控制干預措施效果評估

部分組合控制措施效果(針對平均為7天的郵輪航線)

仿真結果表明:HVAC系統同時安裝HEPA和UVGI裝置可作為主要的組合控制措施;郵輪餐廳內的人員相比其他區域有著更高的感染危險,加大HVAC系統送往餐廳的新風量是一種有效的控制手段,但會相應增加能耗;船員在餐廳、酒吧、休息廳和小型室內公共區域這些地點佩戴醫用口罩,將在一定程度降低游客傳到船員、再傳到其他游客的交叉感染速度;另外,對感染者盡早隔離,控制效果越好。


后續建議開展的研究

1) 鉆石公主號新冠病毒爆發這一公共衛生事件,不僅對巨型郵輪,也對其他人員密集船舶總體布置及HVAC系統設計,提出了新的課題,即如何設計出一艘“免疫”的船舶。后續可探索集成計算流體力學方法、多區方法、人員社會關系密接大數據網絡模型等微觀與宏觀相結合的研究設計方法,用于人員密集船舶及其HVAC系統優化設計,及定量評估不同控制措施以減少人員密集船舶上空氣傳播疾病感染危險的效果。

2) 可針對性開展船用空氣環境控制、防疫隔離等相關系統設備研制。




作者簡介:



鄭立捷,工學博士,中國艦船研究設計中心高級工程師,美國普渡大學機械工程系公派訪問學者。主要研究方向為船舶總體設計、計算流體力學以及室內空氣質量。



來源:中國艦船研究

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