解读钻石公主号新冠传播：“海上孤岛”如何＂免疫＂？

2020-03-02 11:31来源： 郑立捷中国舰船研究

在全国上下奋战抗击新冠肺炎疫情的同时，在日本横滨港隔离的钻石公主号邮轮上大规模2019新冠病毒感染事件也引起了热点关注。截止日前，该邮轮上新冠病毒感染累计确诊705例。这艘豪华邮轮如何因新冠病毒传播，变成了人间炼狱？

今天，我们有幸邀请了中国舰船研究设计中心的郑立捷博士和大家一起讨论这个问题。郑博士将结合《通风模式对住舱人员咳嗽液珠扩散过程的影响》和《邮轮上呼吸道疾病传播的干预措施评估Evaluation of intervention measures for respiratory disease transmissions on cruise ships》这2篇学术论文，通过计算流体力学、数学模型定量评估各种控制干预措施，可为呼吸道病毒的量化危险评估及优化改进人员密集船舶上的空气环境控制系统（HVAC）和气流组织优化设计提供参考。

01 钻石公主号邮轮的背景材料

1）基本情况

船籍：英国

建造：日本（三菱重工建造，2004 年竣工）

运航：美国嘉年华集团（Carnival Corporation & Plc）旗下邮轮公司“公主邮轮”（Princess Cruises）运营

概况：长290.4 m，宽48.2 m，高62.5 m（18层），载重 11.6 万吨，可以容纳乘客 2670 位,共有客舱 1337 间，其体量相当于一个十几万平米的酒店综合体。

2）该邮轮的HVAC系统

据报道，钻石公主号邮轮整船隔离后，被感染者数量仍持续增高，可能和邮轮的密闭结构有关。根据日本三菱重工设计资料, 钻石公主号邮轮采用全空气式空调方式（非空调水冷机组），房间大部分回风经走廊回到机房空调机组，与取自船外的一部分新风混合、再经温湿度调节处理后送入房间。卫浴间排风为独立排风。关闭回风仅保留新风运行也可实现原风量的30%以上风量运行。客舱空调与公共区域空调分别独立设置，新风口与排风口分别设置于左舷与右舷避免气流交叉。

国家卫健委颁布的《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第六版）》中，对新冠病毒传播途径说明如下：经呼吸道飞沫和密切接触传播是主要的传播途径。在相对封闭的环境中长时间暴露于高浓度气溶胶情况下存在气溶胶传播的可能。

综合国内外相关新闻报道，钻石公主号邮轮HVAC系统在各舱室之间传播新冠病毒是可能的重要原因之一（近距离接触时飞沫直接沉降到易感者的呼吸道里和非直接的人-物体表面-人的接触传播也是存在的），该邮轮HVAC系统并未配备高效粒子空气过滤器（HPEA，对直径0.3微米以上的微粒去除效率可达99.97%以上），因此不能有效过滤随空气传播且附着新冠病毒的飞沫核或气溶胶（蒸发后的飞沫核直径一般小于5~10微米，而新型冠状病毒直径在60-140纳米之间）。同时该邮轮上流动的空气是由外部新风混合过滤后的再循环空气，由于新风量有限，而游客均按要求在各自舱室内隔离14天，这就导致了新冠病毒在邮轮上的大爆发。

（a）三菱重工的HVAC系统原始设计图纸

（b）同济大学谭洪卫教授绘制的HVAC系统简图

钻石公主号邮轮的HVAC系统

根据权威医学期刊The New England Journal of Medicine 2020年2月20日发表的学术文章’A Novel Coronavirus from Patients with Pneumonia in China, 2019’，冠状病毒直径在60-140纳米之间，如下图所示。

冠状病毒显微镜图

作者简介

郑立捷，工学博士，中国舰船研究设计中心高级工程师，美国普渡大学机械工程系公派访问学者。主要研究方向为船舶总体设计、计算流体力学以及室内空气质量。

02 研究背景

全球每年有上亿人次通过邮轮、渡轮、滚装客船等客船出行，同时还有大量海军官兵在舰船上服役，这些人员密集船舶上往往舱室众多、人员密集，而为了保持船舶水密、气密等性能的需要，很多人员住舱往往不能与外界大气通过开窗进行自然通风，因而构成了庞大而复杂的人机环系统。

在整个航行周期内，人员密集船舶舱室的室内空气质量不容乐观，船员、乘客等持续暴露在舱室环境内的各类气载污染物中，这将对人员的健康带来危害。呼吸道疾病是邮轮等人员密集船舶上发病率最高的疾病，通过空气的传播途径是呼吸道病毒传播的重要途径，即已染病人员发生咳嗽、打喷嚏等呼吸行为时，附着在呼出飞沫或气溶胶上的呼吸道病毒通过空气传播扩散，被其他健康人员吸入呼吸道而致病。

人呼吸行为产生的飞沫、气溶胶传播图

03 主要研究内容

针对邮轮这一典型的人员密集船舶，可以用宏观和微观两种方法进行呼吸道病毒传播仿真及感染定量危险评估：

邮轮典型甲板层房间布局图（部分）

1）微观层面：对一段时间内人员固定的邮轮舱室采用计算流体力学方法定量考察感染者咳嗽、打喷嚏等呼吸行为产生的飞沫在空气中的传播，包含沉降、蒸发、扩散等，可定量计算易感人员的病毒吸入剂量及染病概率。

2）宏观层面：深入分析邮轮上人员的活动聚集规律，基于一定的合理假设，构建邮轮室内社会关系密切接触网络模型，并有机集成个人尺度上的SEIR传染病传播模型、人传人呼吸道病毒感染概率模型，用来评估邮轮上人员呼吸道疾病空基传播的感染危险。

微观层面的计算流体力学方法

针对邮轮这一典型的人员密集船舶上的密闭住舱——游客在邮轮上呆的时间最长的“室内”空间环境，使用计算流体力学方法定量考察密闭住舱内因为咳嗽这一典型呼吸行为产生的飞沫核（由于咳嗽引起的飞沫除直径较大的近距离直接沉降外，将在较短的时间内迅速蒸发为一般不大于5~10微米的飞沫核，直径在60-300纳米的呼吸道病毒附着在飞沫核上）在空气中的传播扩散过程（多相流），对空气流动采用非定常雷诺平均纳维—斯托克斯方程求解，对飞沫核扩散采用欧拉模型或拉格朗日模型求解，考察加大通风量、改变通风模式及人员睡姿改变等方式降低飞沫核浓度及呼吸道疾病空基传播的感染风险。

散流器图

欧拉模型仿真结果

拉格朗日模型仿真结果

不同工况易感游客的病毒吸入剂量（归一化处理）

宏观层面的定量危险评估模型

1）邮轮室内空间社会关系密切接触网络

邮轮室内空间社会关系密切接触网络如下图所示，其中不同颜色的点代表不同室内区域的人员，连线代表人与人在某个时间段内在同一室内区域从事某项活动。这些室内区域包括邮轮上的客房住舱、船员住舱、餐厅、剧院、酒吧、商店等。

2）个人尺度上的易感—暴露—感染—康复（SEIR）传染病传播模型：在经典SEIR模型上发展，其中α的倒数是平均潜伏期，流感的平均潜伏期为1.9天

3）人传人呼吸道病毒感染概率模型

集成Wells-Riley数学模型和竞争危险模型，综合考虑邮轮HVAC系统供应的新风量、配备HEPA过滤器和紫外线杀菌（UVGI）装置、易感者和感染者是否佩戴医用口罩等多种工况。在邮轮上室内区域l处易感者i被一个感染者j的感染概率：

不同呼吸道病毒（鼻病毒、肺结核、流感、麻疹）的感染强度值quanta如下图所示（新冠病毒的quanta值未知）

4）实例验证

该定量评估模型选用1997年一艘从美国纽约市开往加拿大蒙特利尔市为期10天的邮轮上爆发的流感病例用来验证，全船2000余人中预测的感染病例数（44例）与实际的病例数（42例）有着较好的吻合。

实例验证仿真

该邮轮在一个航程（假设30天）中的流感爆发模拟曲线

5）控制干预措施效果评估

部分组合控制措施效果（针对平均为7天的邮轮航线）

仿真结果表明：HVAC系统同时安装HEPA和UVGI装置可作为主要的组合控制措施；邮轮餐厅内的人员相比其他区域有着更高的感染危险，加大HVAC系统送往餐厅的新风量是一种有效的控制手段，但会相应增加能耗；船员在餐厅、酒吧、休息厅和小型室内公共区域这些地点佩戴医用口罩，将在一定程度降低游客传到船员、再传到其他游客的交叉感染速度；另外，对感染者尽早隔离，控制效果越好。

后续建议开展的研究

1）钻石公主号新冠病毒爆发这一公共卫生事件，不仅对巨型邮轮，也对其他人员密集船舶总体布置及HVAC系统设计，提出了新的课题，即如何设计出一艘“免疫”的船舶。后续可探索集成计算流体力学方法、多区方法、人员社会关系密接大数据网络模型等微观与宏观相结合的研究设计方法，用于人员密集船舶及其HVAC系统优化设计，及定量评估不同控制措施以减少人员密集船舶上空气传播疾病感染危险的效果。

2）可针对性开展船用空气环境控制、防疫隔离等相关系统设备研制。

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