新型冠状病毒相关知识综述（基于故障树FTA方法的新型冠状病毒感染与传播分析）

新型冠状病毒感染疫情蔓延以来，中国举国上下开展了一场史无前例的疫情阻击战。疫情蔓延之初，中国迅速向世界卫生组织通报了疫情，在第一时间破译病毒基因序列并向全球公布一系列强有力的防控举措，得到了国际社会赞誉。与此同时，国家卫生健康委办公厅、国家中医药管理局办公室发布了一系列《新型冠状病毒肺炎诊疗方案》以及中国疾病预防控制中心编写发布的《新型冠状病毒感染的肺炎公众防护指南》等文件通过各类媒体向大众解读新型冠状病毒感染的肺炎有关疑惑，引导公众正确认识，积极做到消除恐慌、理性应对、科学防护、防治结合。尽管疫情尚未结束，但对此次乃至未来潜在的疫情应对的思考已经在全国乃至全世界范围内开始了，目前主要通过仿真的方式进行传染和传播过程的分析，虽然能够可视化地展示病毒的动态传播途径，但不能有效给出病毒感染和传播的全部要素及其逻辑组合关系。

为此，本文试图从新型冠状病毒个人感染的主要途径以及病毒形成链式传播发展历程两个角度进行了系统梳理，应用基于故障树分析（FTA）的演绎方法，考虑了人因和社会因素，逐层分析导致病毒感染和新冠疫情传播的主要事件，直到最基本和可控的事件，形成了以新型冠状病毒感染和新型冠状病毒传播为顶事件的两棵故障树，并基于故障树开展定性分析，找到导致病毒感染和疫情传播的所有可能事件组合，为疫情的精准防控提供科学参考。

1、故障树分析方法简介

故障树分析（FTA）是一种分层演绎逻辑分析方法，可以让人们知道哪些事件的组合可以导致危及系统安全的故障发生，并计算他们的发生概率，然后通过设计改进和有效的故障监测、维修等措施，设法减小他们的发生概率。故障树分析方法还可以让分析者对系统有更深入的认识，有关系统结构、功能、故障及维修保障的知识系统化，因此在设计、制造和操作过程中的可靠性改进更富有成效。故障树分析（FTA）方法在工程系统的安全性、可靠性、维修性和保障性分析方面应用广泛，并已拓展到医疗和社会领域。

故障树指用来表明产品那些组成部分的故障或外界事件或它们的组合将导致产品发生给定故障的逻辑图。从故障树的定义知道，故障树是一种逻辑因果关系图，构图的元素是事件和逻辑门。图中的事件用来描述系统元、部件故障的状态，逻辑门把事件联系起来，表示事件之间的逻辑关系。

故障树中常用的事件符号

顶事件（top events）：人们不希望发生的，但可以预见的对系统性能、经济性、可靠性和安全有显著影响的故障事件。

底事件（basic events）：相当于系统中基本故障事件，一般指元器件的故障事件。

未展开事件（undeveloped events）：不需要再进一步分析的故障事件。

入三角（transfer in）：位于故障树的底部，表示该部分分支在别处。

出三角(transfer out)：位于故障树的顶部，表示该部分为位于别处的子故障树。

其符号如图1所示。

图1 事件符号标示图

• 故障树的几种基本逻辑门符号

或门：任何一个输入存在，就会有输出。

与门：所有输入同时出现，才会有输出。

表决门：n个输入事件中至少K个事件发生时，输出事件才可发生。

异或门：输入事件任何一个发生都可一起输出事件发生，但输入不能同时发生。

禁止门：当前提条件满足时，输入事件发生方可引起输入事件的发生。

其逻辑符号如图2所示。

图2 逻辑门符号标示图

故障树定性分析的目的在于寻找导致顶事件发生的原因事件及原因事件的组合，即识别导致顶事件发生的所有底事件集合，帮助分析人员发现潜在的故障，发现设计的薄弱环节，以便改进设计，还可用于指导故障诊断，改进使用和维修方案。故障树定性分析的任务之一就是要寻找故障树的全部最小割集，当最小割集中的底事件同时发生时，顶事件必然发生。找出最小割集对降低复杂系统潜在事故的风险具有重大意义，因为设计中如果能做到使每个最小割集中至少有一个底事件恒不发生（发生概率极低），则顶事件就恒不发生（或发生概率极低），做到了在设计阶段把系统潜在事故的发生概率降至最低。

故障树定量分析的主要任务就是在底事件互相独立和已知其发生概率的条件下，计算顶事件发生概率和底事件重要度等定量指标。本文以定性分析为主，这里不再详述定性分析。

2、病毒感染故障树分析

在充分调研国内外关于病毒传播传染途径资料的基础上，本文建立如图3所示的新冠病毒的感染故障树，该故障树以新型冠状病毒感染为顶事件。

（a）感染故障树第一级

（b）直接接触活性病毒

（c）间接接触沾染病毒的物质

（d）手上沾有病毒

图3 新冠病毒感染故障树

注：考虑到完成故障树无法展示这里采用分页的形式

首先，将病毒感染事件分为将直接感染和间接感染两种方式，直接感染是指健康人群直接接触病毒携带者而导致的感染，不经任何第三方媒介，这里通过一个条件或门对所有可能直接接触活性病毒的情况进行分析，并以做好个人防护作为禁止条件。

其次，将间接感染进一步分解为气溶胶感染和间接接触病毒污染物感染。气溶胶感染是指病毒携带者飞沫混合在空气中，形成气溶胶，健康人群吸入后导致感染，这里通过与门对气溶胶的形成条件进行分析，主要包括室内空气不流通和空气中含有病毒滴液，这里通过一个与门对病毒滴液的形成进行分析；间接接触病毒污染物感染指的是健康人群通过第三方媒介接触病毒导致感染，这里通过一个与门对间接接触病毒感染的三个发生条件进行分析，其中通过一个或门对所有手可能接触粘膜的情况进行分析，手上沾有病毒分为手接触公共设施表面沉积的病毒和手接触病毒携带者排出的有毒物质，通过一个与门对手接触公共设施表面沉积的病毒的发生情况进行分析，一个或门对所有可能接触病毒携带者排出的有毒物质的情况进行分析。

最后，利用KW-ARMS故障树分析软件，对上述故障树进行分析，共得到最小割集17个，其中最高阶数为5阶，“未及时洗手”这一事件在最小割集中出现高达9次，中间事件“手接触沾染病毒的公共设施表面”、 “手接触病毒携带者排除的有毒物质”和“手接触粘膜”分别展开的底事件出现3次，这说明个人防护不足在多个割集中出现。

3、病毒传播故障树分析

在充分调研新型冠状病毒的发展过程资料的基础上，本文建立如图4所示的新冠病毒的传播故障树，该故障树以新型冠状病毒传播为顶事件。将新冠病毒传播的发展过程分为野生动物携带的病毒感染给人类、病毒具备人传人的条件、病毒携带者未被隔离和病毒最终形成了链式传播途径。

（a）传播故障树第一级

（b）野生动物携带的病毒感染给人类

（c）病毒具备人传人条件

（d）病毒携带者未被隔离

（e）病毒形成链式传播途径

（f）病毒携带者未采取有效的防护措施

（g）社会各界没有采取有效的防护措施

（h）病毒携带者与人群密切接触

注：考虑到完成故障树无法展示这里采用分页的形式

图4 新冠病毒传播故障树

首先，将野生动物携带的病毒感染给人类分为人类主动接触和被动接触，其中，通过一个或门将人类主动接触野生动物分成人类侵占野生动物聚居地和人类使用野生动物；通过一个与门描述了人类被动接触野生动物的情况。其次，通过一个与门解释病毒如何发展至具备人传人的条件。再次，通过一个或门将病毒携带者未被隔离的可能情况分为病毒携带者未被发现、被感染病人未被及时收治和公众对病毒的严重性认识不足。其中，通过一个或门将病毒携带者未被发现的所有情况进行分析；另一个或门分析被感染病人未被及时收治的原因。最后，通过一个与门分析病毒形成链式传播的三个条件，其一为病毒携带者未采取有效防护措施，其二为病毒携带者与人群密切接触，其三为社会各界没有采取有效的防护措施。并分别通过三个或门对三个条件的所有可能发生情况进行分析。

本文利用KW-ARMS故障树分析软件，对上述故障树进行分析，共得到最小割集4320个，其中最高阶数为8阶。“病毒具备人传人条件”这一中间事件所展开的底事件在所有最小割集中出现，说明若病毒无法人传人则不会爆发大规模的疫情；“病毒携带者不戴口罩”和“病毒携带者不勤洗手”在1440个最小割集中出现，说明若病毒携带者采取有效的防护措施能够很大程度降低传播的程度；“健康人群不戴口罩”和“健康人群不勤洗手”等事件在864个最小割集中出现，说明社会各界应采取有效的防护措施保护自身的生命安全，病毒携带者在各类场合与人群密切接触出现在720个最小割集中，这说明控制聚集情况能够有效切断传播途径。

4、结论

通过上述的故障树定性分析，从病毒感染的角度看：健康人群如若不做好各类防护措施接触病毒携带者很容易被感染。所以公众应该对个人防护加以重视，同时社会各界也应充分做好防护措施，努力降低被感染的概率；从病毒传播的角度看：新型冠状病毒传播是一个复杂而庞大事件，而最高阶数则说明事件发生是某些条件同时发生的结果，因此从全社会的角度来看，病毒从产生到大规模传播是一个小概率事件。2003年大型公共卫生事件 “非典”与此次新型冠状病毒肺炎疫情爆发时隔17年也从侧面验证了这个观点。但目前故障树中的几个事件已经明确发生了，病毒传播的可能性已经大幅度提升。

本文希望通过对疫情的发生和发展作系统性思考，并随着对病毒及其传播的不断认知而不断丰富和完善，为进一步提升我国预防和控制传染病等突发重大公共卫生事件的整体应急能力以及快速识别防控薄弱环节提供参考。更多可靠性技术资料请关注同号微信。

本文是在北京航空航天大学任羿教授和杨德真老师的指导下，由通用质量特性综合设计与仿真实验室硕士生颜珊珊和博士生李志峰完成。受水平和时间所限，本文仅是建立了初步的故障树并仅仅开展了定性分析，其中不完善的地方欢迎各界批评指正，并欢迎大家提供进一步的数据和资料，后续研究团队将进一步开展相关定量分析的工作，为早日战胜疫情和未来的疫病预防做出贡献。

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