图片来源：CONTROL ENGINEERING
作者 | Kevin Parker，Senior contributing editor, CFE Media
通过采用QuaRAD方法对数千种情况下的可能性进行模拟和量化，帮助企业降低工业环境下的疫情风险。
通过确定最佳实践和共享的室内空气质量标准，使用一个分级控制的架构可以降低COVID-19的传播风险。总部位于美国佛罗里达州那不勒斯的Daniel Penn Associates与布鲁克海文国家实验室合作，在美国能源部的资助下，对这一想法进行了研究。
“虽然口罩和距离是减少病毒传播的重要因素，但我们的研究结果同样强调更新和升级通风、过滤和清除系统的必要性，”Daniel Penn Associates总裁Tony Rodriguez说。“室内共享空气质量受到这些途径的影响。理想的方法是物理消除危害。最无效的是使用PPE（个人防护装备）。”
该研究调查了COVID-19控制的实施和有效性，包括口罩，通风和身体距离。虽然任何个体对照组的疗效被证明是高度可变的，但该研究发现，将佩戴通用口罩与一米或更长时间的距离相结合，相对于近距离、不戴口罩的对话，中位暴露量减少了99%以上，并在加强通风设置的情况下进一步减少。
该报告的主要研究人员是布鲁克海文大学的Robert McGraw博士和Facilitysmart总裁Jason Farrell博士。McGraw博士领导布鲁克海文大学环境与气候科学系的气溶胶化学和微动力学小组，并且是在美国能源部和美国宇航局资助下开发的用于大气气溶胶和气候模型的高效正交矩方法的创始人。Facilitymart是一家咨询公司，专注于指导、组织和协调空间和设施的有效人工配置。
控制方法的选择
虽然人们普遍认为COVID-19的传播主要是空气传播的，但对于如何建立有效的控制系统来缓解封闭空间的传播缺乏指导。
美国职业安全与健康协会（OSHA）将控制定义为使用工程方法降低密闭空间内的危害水平。控制等级是一个框架，通过该框架可以检查控制系统。
如果实施得当，针对COVID-19空气传播的常见控制措施可减少易感人群吸入的空气中携带病毒的颗粒物的数量。然而，它们的工作效果取决于固有的可变性和约束性差的因素。例如，虽然口罩的效率是已知的，但降低感染风险还取决于病毒脱落、呼气喷射的特点、房间条件（如空气交换速率和相对湿度）以及免疫反应。该报告还将工程控制和社会学行为方面的专业知识，与大气气溶胶化学和微物理过程和运输的专业知识相结合。
该报告以OSHA的控制等级为视角，总结了目前对控制实施和有效性的理解。"一套有科学依据的参数将允许对物理设施进行'塑造'，以帮助关闭大流行病所暴露的主要漏洞——共享室内空气。到目前为止，室内空气空间的管理侧重于热舒适性和能源效率。病原体在共享室内空间的个体之间的传播并不像共享食物或水那样被大多数人所意识到。"Farrell说。
作为一种呼吸道病毒，当个人吸入充满病毒的颗粒时，就会发生COVID-19感染。这限制了控制措施的有效性，例如频繁接触表面消毒，避免物理接触和洗手。
导致工人易受感染的危险工作特点包括：暴露于受感染的气溶胶；缺乏有效的个人防护设备；长时间的近距离接触；以及人口密集、封闭或通风不良的空间。
▎图1：控制等级。该图是为工业环境或工作环境开发的，在此作为空气传播流行病情况的模型。图片来源：Daniel Penn Associates
控制等级是用图形显示任何控制方法的预期效果，那些更具保护性的方法在图形的顶部。每个类别的大小都是对减少伤害或疾病风险的强度和潜在能力的直观表示。
“OSHA开发了控制等级框架，以围绕减轻工作场所危害风险的最有效方法提供指导，并提供一个可以评估组织安全措施的视角。”Farrell说。
口罩可以减少呼出到周围空气中的含有病毒的颗粒物排放，并从吸入的空气中过滤这些相同的颗粒。然而，各种类型、材料和配合的过滤效率差异很大，除非完全控制口罩的使用，否则很难预测空间的安全性。
适当的距离可以缓解感染个体近场呼气射流带来的风险，但对控制远场感染几乎没有作用。有效的分级控制系统需要一种包含多种方法的混合方法。
将QuaRAD作为控制模型
测量控制效率的不确定性可以通过模拟场景的集合来建模。然而，非常适合模拟室内空间中呼吸粒子演变的模型通常计算成本高昂，限制了它们表示不确定性的能力。使用基于正交的呼吸气溶胶和飞沫模型（QuaRAD）的仿真克服了这一挑战。
QuaRAD将矩正交法（QMOM）应用于气溶胶动力学仿真。QuaRAD是近几十年来在量化分级控制功效的先进统计方法方面取得的巨大进步的一部分。
“该方法将完整的粒子分布函数替换为几个正交点。对于模拟空气传播病毒传播的近场增强，发现三个点太少，六个点就可以收敛，正如涉及数千个粒子的蒙特卡罗模拟所验证的那样。“McGraw说。
QuaRAD采用QMOM方法来模拟从感染者身上排出的充满病毒的颗粒的演变。对一万种有代表性的情况进行了模拟，以量化COVID-19的初始感染风险。
“由数千个真实世界场景组成的集合，代表了各种室内空气条件和一般人群的生理特性，并在合理的计算机时间内进行了采样、模拟和分析。模拟通过跟踪排出颗粒的大小分布，及其通过蒸发、运输和去除的演变来量化面罩、通风和距离的单个和组合有效性。”McGraw说。事实上，这些模拟有助于完善对多个变量和具体参数影响的理解。
该研究结果显示，将普遍佩戴的口罩与保持1米或更长时间的距离相结合，相对于近距离、不戴口罩的交谈，将中位暴露量降低了99%以上，如果通风也得到加强，则进一步减少。这表明，分级控制可有效减少空气传播病原体的传播，对于遏制未来新型病毒的爆发至关重要。
这种方法忽略了个体免疫反应的异质性，宿主生病的可能性，以及宿主一旦感染就感染他人的倾向。粒子群体平衡模型，如气溶胶科学中使用的模型，应该易于修改，以考虑病毒粒子增殖和免疫反应异质性之间的竞争
该研究的参与者认为，开发一个基于科学的系统来量化特定室内环境中与疫情相关的安全性，并在窗户、门或网站上显示相应的评级，将为雇主和员工建立信心。
“关注室内共享空气质量具有巨大的潜力，可以减少脆弱性，并在我们试图恢复正常状态时增加信心。”Farrell说。
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