Como a Teoria do Controle pode ajudar nos EUA a controlar a COVID-19

Usando as respostas, uma ferramenta típica no projeto de controle, podemos gerenciar o nosso feedback para a nova pandemia de coronavírus para a sobrevivência máxima, ao mesmo tempo, em que causa os danos às nossas situações económicas.

À medida que criamos essas palavras, vários bilhões de pessoas, a maior parte da população do globo, são restritas a suas casas ou baseadas em políticas de distanciamento físico na tentativa de incluir uma das terríveis pandemias dos tempos modernos. A atividade económica despencou, muitos indivíduos ficaram sem empregos e indústrias inteiras pararam.

De maneira um tanto compreensível, várias perguntas passam pela cabeça de todos: qual é a técnica de licença? Como saberemos quando é seguro executá-lo?

Em todo o mundo, epidemiologistas, estatísticos, biólogos e autoridades de bem-estar lidam com essas investigações. Embora as perspetivas da engenharia sejam incomuns na modelagem epidemiológica, a nossa empresa acredita que os funcionários públicos poderiam se beneficiar substancialmente com uma neste caso. Obviamente, a pandemia COVID-19 não é um problema de engenharia percetível ou normal. Mas nos seus hábitos essenciais, é um sistema instável e de malha aberta. Desativado, ele cresce exponencialmente, já que, na verdade, todos nós fomos informados repetidamente. No entanto, há excelentes notícias: como vários desses sistemas, ele pode ser mantido de forma eficaz e eficaz aplicando os princípios do conceito de controle, mais especialmente o uso de comentários.

Inspirados pelo trabalho essencial de epidemiologistas e outros na vanguarda desta crise global, verificamos como a opinião pode ajudar a manter e reduzir a taxa de propagação deste vírus prejudicial que agora realmente nos aflige. Utilizamos conceitos de design experimentados e testados com um método que usaria sem dúvida a orientação concreta dos formuladores de políticas, que considera fatores médicos e socioeconómicos. Contamos com sistemas baseados em comentário para elaborar um plano para trazer o episódio sob controlo e, então, administrar adequadamente o número de casos de longo prazo.

Ao longo desse estágio de longo prazo, o relaxamento inevitável do distanciamento físico necessário para uma cultura funcional, de que os pontos fortes de uma resposta baseada no conceito de controle são os mais essenciais. Usando um dos projetos de sistema de computadores comummente oferecidos para a doença, testamos a nossa proposta e descobrimos que ela poderia ajudar os funcionários a administrar a complexidade substancial de compensações e incógnitas com as quais eles lidarão enquanto conservam possivelmente milhares de centenas de vidas.

O nosso objetivo a seguir é compartilhar algumas das nossas pesquisas críticas e envolver uma área de especialistas em controle neste problema crucial e emocionante. Juntos, podemos contribuir com os esforços internacionais para gerir essa rutura.

A pandemia de COVID-19 difere de qualquer outro episódio de doença atual por vários motivos. Uma é que o seu número de recreação total, ou R0 (“R nada”), é razoavelmente alto. R0 indica quantas pessoas, geralmente, uma pessoa contaminada irá contaminar ao longo do programa da sua doença. R0 não é um número fixo, pois depende de aspetos como a densidade de uma área, a saúde essencial da sua população, as suas instalações clínicas, fontes e vários detalhes da reação da comunidade.

O objetivo do tratamento de doenças infecciosas é reduzir o R0 listado abaixo de um, visto que tal valor indica que novas infeções estão em declínio e, eventualmente, atingirão absolutamente nenhum. Mas com o surto de COVID-19, o grau de necessidade é extraordinariamente alto devido ao preço razoavelmente alto de baixas da doença. Os preços de fatalidades também são um tanto variáveis ​​e dependem de variáveis ​​como idade, aptidão física, patologias presentes, área, bem como acesso a cuidados de saúde. Mas, todo, eles são muito maiores para COVID-19 do que para a gripe normal. Uma percentagem surpreendentemente significativa de pessoas que adquirem a doença cria uma forma de pneumonia viral fatal em alguns casos. Muitos desses indivíduos precisam de fluxo de ar sintético, bem como se o seu número exceder a capacidade da unidade de terapia intensiva para atendê-los,

Por esse motivo, enormes iniciativas mundiais têm se concentrado em “achatar o contorno” das infeções em relação ao tempo. Um contorno alto e agudo que indica um aumento de doenças num curto período, como ocorre na China, Itália, Espanha e em outros lugares, significa que a variedade de situações significativas certamente sobrecarregará a capacidade dos hospitais de tratá-las e resultar em massa, vítimas. Portanto, para reduzir o pico de necessidade de assistência médica, a prioridade inicial deve ser trazer o número de casos sob controlo. Quando isso é feito, a ênfase muda para lidar com um retorno duradouro à normalidade enquanto minimiza os preços de fatalidade e o efeito económico.

Ambas as abordagens padrão para controlar a propagação da doença são a mitigação, que se concentra na desaceleração, mas nem sempre a distância, e as reduções, que visam reverter o crescimento epidémico. Para remoção, R0 é diminuído, porém, permanece maior que 1, enquanto para cortes, R0 é mais insignificante do que 1. Ambos exigem a alteração de R0. As autoridades conseguem isso introduzindo ações sociais, como viagens restritas, prisão domiciliar, distanciamento social e assim por diante. Essas restrições são descritas como intervenções não farmacêuticas ou NPIs. Propomos uma estratégia desenvolvida sistematicamente, com base em feedback, para alterar R0 com a modulação de NPIs. Essencialmente, a técnica alterna entre supressão e redução para manter a propagação no grau desejado.

Pode parecer simples; no entanto, existem vários desafios. Alguns deles emergem da verdade de que COVID-19 é uma condição muito peculiar. Apesar das enormes iniciativas para caracterizar a infeção, os biólogos ainda não reconhecem por que algumas pessoas apresentam sinais relativamente moderados, enquanto outras evoluem para uma vasta reação imunológica descontrolada e também para a fatalidade. E também, ninguém consegue esclarecer por que, entre as vítimas, predominam os homens. Outros segredos consistem no longo período de incubação da doença — cerca de duas semanas entre a infeção e os sinais — bem como até mesmo a preocupação se um indivíduo pode ser reinfectado.

Essas perplexidades ajudaram a paralisar as iniciativas para cuidar da pandemia. Como observa um recente artigo de pesquisa do Imperial College [PDF]: “Existem enormes imprevisibilidades em torno da transmissão desta infeção, o desempenho provável de várias políticas e o grau em que a população assume automaticamente comportamentos de redução de perigo.” Considere o longo tempo de incubação e também a disseminação aparente do vírus antes que os sintomas apareçam. Isso certamente contribuiu para valores razoavelmente altos de R0, porque as pessoas infetadas continuaram a se comunicar com outras e enviaram a infeção sem saber que faziam isso.

Este atraso antes do início dos sintomas corresponde ao tempo lento no conceito de sistema de controle. É bastante conhecido por apresentar oscilações em sistemas de malha fechada, especificamente quando integrado com considerável incerteza na própria versão.

Com os atrasos, existem imprevisibilidades muito significativas. O teste, por exemplo, tem sido irregular em alguns países, cuja inconsistência obscureceu o número de situações reais. Isso, posteriormente, impossibilitou os funcionários de compreender o nível básico de contaminação. Além disso, NPIs não são imutáveis. O nível ao qual o público cumpre os planos nunca são cem por cento e também pode nem mesmo ser conhecível com um alto grau de precisão; as pessoas podem cumprir as diretivas de maneira muito menos pura com o passar do tempo. Além disso, a capacidade de atendimento médico pode aumentar devido a um aumento de leitos disponíveis devido a melhorias de capacidade ou diminuir devido a um declínio devido a uma calamidade totalmente natural.

A questão é que uma pandemia é uma circunstância vibrante e veloz, assim como tentativas locais insuficientes de vigiá-la e gerenciá-la podem ser trágicas. Na pandemia de gripe espanhola de 1918, as cidades adotaram técnicas amplamente diferentes para bloquear e libertar o seu povo, com resultados variados. Alguns se recuperaram diretamente, outros tiveram picos de rebote mais significativos do que o episódio inicial e outros tiveram vários rompimentos após o bloqueio preliminar.

Uma proposta frequentemente citada para retroceder as ações de distanciamento social é um método on-off. Algumas restrições são levantadas quando o número de situações totalmente novas que exigem cuidados extensivos é listado abaixo de um limite e colocado de volta no lugar quando ultrapassa um número específico. O artigo de pesquisa [PDF] do Grupo de Feedback COVID-19 da Imperial University demonstrou como tal método é “durável e imprevisível tanto no número de reprodução, R0, quanto na gravidade da infeção” e também fornece “maior robustez à incerteza do que lidar com tratamentos de duração e também pode ser ajustado para uso local”.

Essa técnica liga-desliga é uma instância de uso de respostas, onde a variável de feedback é o número de situações em unidades de terapia intensiva de unidades de saúde. Uma desvantagem significativa desse tipo de controle liga-desliga é que ele pode provocar oscilações — que, se esse método for muito hostil, pode sobrecarregar a capacidade do sistema de saúde de tratar situações complicadas.

Uma vantagem significativa dos comentários abaixo é que ele reduz o impacto da imprevisibilidade do projeto, sugerindo que uma abordagem pode ser confiável se totalmente criada, mesmo que os modelos nos quais ela se baseia não sejam exatos. Ainda não temos um desenho epidemiológico preciso da COVID-19 e provavelmente não teremos um por pelo menos vários meses, se não todos. Além disso, o distanciamento físico e os regimes de prisão instituídos são novos, então não sabemos ainda especificamente quão eficientes eles serão ou mesmo o nível em que as pessoas aderem-lhes.

Na ausência de resistência ou injeção prevalente, o único método para subjugar a condição é a parada geral – sem dúvida, não é um serviço prático de longo prazo. Um meio-termo adequado é aplicar um plano de respostas desenvolvido para manter R0 próximo a 1, talvez com pequenas oscilações em ambos os lados. Ao fazê-lo, inquestionavelmente manteríamos o número de casos vitais na capacidade das instituições de saúde, ao mesmo tempo, em que construímos imunidade nos nossos bairros de maneira gradual e segura e voltamos às condições sociais e económicas típicas o mais rápido possível.

O resultado é que o estilo de política é rigoroso de uma perspetiva de engenharia de controle, embora seja compreensível para epidemiologistas, legisladores e outros sem profundo conhecimento do conceito de controle. Da mesma forma, deve gerar rotinas de restrição que possam ser convertidas em políticas públicas práticas. Se o mecanismo de sintonia for muito hostil — por exemplo, mudar entre total e nenhum distanciamento social —, sem dúvida, causará oscilações graves e sobrecarregará os centros de saúde, bem como muito provável ‘stresse’ e cansaço de distanciamento social entre os indivíduos que precisam seguir políticas consideravelmente transformadoras.

Por outro lado, ajustar isso também é tímido e também corta bagunça. Um exemplo desse ajuste pode ser um plano que requer um mês inteiro em que nenhum caso novo seja gravado antes que os funcionários relaxem as limitações. Essa técnica hipercuidiosa prolonga desnecessariamente a devastação económica da pandemia, produzindo desastres de vários tipos.

No entanto, um plano baseado em feedback elaborado de forma adequada, que considera tanto as características quanto a incerteza, pode fornecer um resultado rápido enquanto mantém o preço da hospitalização dentro de uma faixa aproximada desejada. Além disso, manter a taxa dentro dessa faixa por um período prolongado permite que uma sociedade aumente lenta e seguramente a parcela de indivíduos que têm alguns anticorpos contra a doença porque a experimentaram ou foram imunizados — idealmente o último.

 Como a porcentagem da população que suportou a doença e recuperou-se dela acaba sendo alta o suficiente, o número de indivíduos vulneráveis ​​torna-se pequeno o suficiente para que a taxa de disseminação da infeção geralmente diminua. Esse fenômeno é chamado de resistência de rebanho e é como as pandemias geralmente morreram no passado. No entanto, a preocupação de se ou como essa imunidade à COVID-19 pode ser construída ainda está em investigação, tornando-se vital verificar e tratar os tratamentos não farmacêuticos em função da real disseminação da infeção e dos preços de hospitalização.

Ao projetar nosso sistema de controle, dependemos muito do fato de que a maioria dos tratamentos não farmacêuticos não são binários, quantidades liga-desliga; no entanto, eles podem lidar com uma série de valores e podem ser executados dessa forma pelos formuladores de políticas. Por exemplo, as diretrizes para ficar em casa podem ser usadas desproporcionalmente para equipes especiais de pessoas que estão especialmente em perigo devido à idade ou a um problema de bem-estar preexistente. Então, o número de pessoas impactadas pela diretiva pode ser aumentado ou diminuído simplesmente alterando as diretrizes sobre quem está “em perigo”. Da mesma forma, podemos ampliar ou restringir o significado de indivíduos designados como “essenciais” e, consequentemente, estão isentos das diretrizes. As reuniões públicas também podem ser proibidas para n indivíduos, onde o valor de n pode ser aumentado à medida que os pontos diminuem.

As restrições a viagens também podem ser um tanto variáveis ​​— o bloqueio total restringe os indivíduos a se deslocarem nos limites das suas casas, no entanto, à medida que os problemas aumentam, as autoridades podem dar acessibilidade às organizações num par e, depois disso, talvez a uma dúzia de quilómetros da sua casa e muito mais. Todas essas são alavancas essenciais.

Para explorar precisamente como essa variabilidade pode salvar vidas, projetamos uma coleção de situações, cada uma medida de uma abordagem de cura com um grau diferente de comentários. Simulamos as políticas resultantes em relação a uma versão de sistema de computador de doenças infeciosas normalmente utilizadas. Traçamos a pista para uma série de gráficos revelando as situações dos centros de saúde COVID-19 como uma característica de tempo. A ocupação do centro de saúde pode ser uma medida mais confiável e tangível do que a contagem total da situação, que depende de testes consideráveis ​​que vários países (como os EUA) não têm no momento. Além do mais, o modelo que utilizamos foi criado por Jeffrey Kantor, professor de design químico do College of Notre Dame (a configuração de Kantor está disponível no GitHub). 

A versão presume que podemos reduzir a transmissão de doenças a um grau reduzido, escolhendo barras de plano adequadas. Embora em todo o mundo a experiência com a COVID-19 ainda seja restrita, no momento desta composição essa suposição parece realista.

Para tornar o modelo mais reflexivo da nossa compreensão atual da COVID-19, incluímos duas categorias de incerteza. Assumimos vários valores de R0 para ver exatamente como eles afetaram os resultados. Para considerar como a não conformidade com tratamentos não farmacêuticos influenciaria os resultados, programamos uma série de desempenhos desses NPIs.

A nossa primeira simulação mais acessível verifica o que todos nós sabemos agora, que não fazer nada não era uma opção.

Curva da morte

O grande e prolongado pico bem acima da capacidade de leito disponível na unidade de terapia intensiva indica um grande número de situações que provavelmente resultarão em fatalidade. É por isso que, obviamente, a maioria dos países implementou procedimentos agressivos para restringir o contorno.

Então, o que fazemos quando o número de infeções diminui? Como esta segunda simulação mostra claramente [Figura 2], desfazer todas as limitações quando a variedade de condições diminuir levará a um segundo surto de infecções. Esse segundo surto não só pode confundir as nossas instalações de saúde, como também pode causar uma taxa de mortalidade também mais alta do que o primeiro aumento, como ocorreu repetidamente em várias cidades dos Estados Unidos durante a epidemia de gripe espanhola de 1918.

Segundo Surto

Agora, vamos considerar a abordagem direta do confinamento, em que muitas das restrições típicas de reuniões, viagens e interação social são levantadas inteiramente quando o número de casos de UTI novos cai abaixo de um limite reduzido, e depois disso, são retornados diretamente para o local em que esse número ultrapassa um ponto mais alto. Nesse caso, o R0 oscila acentuadamente entre dois níveis, um alto acima de dois e um reduzido abaixo de 1, conforme mostrado em azul no gráfico [Número 3]. Essa técnica acarreta oscilações, e se também for utilizada com ousadia, os picos dessas oscilações vão além da capacidade do sistema de saúde em atender os clientes. Um provável problema adicional com essa estratégia foi identificado como fadiga de alcance social.

Uma Abordagem On-Off

Podemos fazer melhor. Para a nossa terceira experiência, estabelecemos um cenário visando 90 por cento de locação de unidades de terapia intensiva de centros de saúde. Para conseguir isso, fizemos uma política simples baseada em feedback, utilizando os princípios da teoria dos sistemas de controle.

Quando R0 é alto, várias restrições são consideradas. Os indivíduos estão principalmente restritos a suas casas e as soluções são limitadas ao mínimo necessário para que a cultura funcione — energia, polícia, limpeza e circulação de alimentos, por exemplo. Depois disso, à medida que os problemas começam a aumentar, conforme revelado por nossos comentários da etapa de locação de leitos hospitalares, vários outros serviços são progressivamente implementados. Pessoas recuperadas podem se mover abertamente, pois não podem mais contrair ou enviar o vírus. Talvez os indivíduos tenham permissão para conferir restaurantes a uma curta distância, algumas pequenas empresas podem retomar sob determinadas condições ou idades específicas passam por restrições menos rígidas. Então, a flexibilidade geográfica poderia ser afrouxada por outros métodos. O fator é as regras serem reduzidas progressivamente,

Essa técnica provoca uma reação rápida que aproveita ao máximo o preço de recuperação, além disso, a demanda por leitos de UTI em instalações médicas nunca ultrapassa um limite, graças a uma meta de “set point” abaixo desse limite. A limitação da capacidade de cuidados de saúde nunca é violada. Além disso, observe o padrão básico superior para o lançamento de restrições, à medida que o número de indivíduos recuperados e imunes cresce e as intervenções não farmacêuticas são progressivamente encerradas.

Abordagem Sistemática

Este exemplo simplificado demonstra como o uso de respostas para modular as restrições perturbou uma população para alterar os resultados de R0 num plano robusto. Por exemplo, antes do surto, haverá sem dúvida uma grande incerteza sobre R0 porque o teste certamente ainda será irregular porque uma variedade não identificada de indivíduos pode ter a condição sem reconhecê-la. Essa incerteza sem dúvida alimentará um aumento nos casos preliminares. No entanto, visto que o programa de limitação inicial estabilize a situação, uma política de feedback sem dúvida confirmará a própria indulgência das variações em R0, conforme ilustrado na Figura 5. Como o gráfico revela, após alguns meses, não importa se o R0 é 2 ou 2.

A beleza do feedback

Como um benefício incluído, o uso de respostas torna a política eficaz mesmo em face de níveis prováveis ​​de não conformidade. Na prática, desacordo significa que um determinado nível de restrições resultará em um R0 um pouco maior do que o previsto, o que, por sua vez, cria mudanças na variedade de indivíduos infetados. A desobediência pode, por exemplo, resultar em restrições 10 por cento menos confiáveis ​​do que o designado. No entanto, por feedback, o plano será automaticamente estreitado para compensar.

Enigma de Conformidade

Na verdade, vários aspetos que o modelo trata como invariáveis, como a capacidade de cuidar da saúde, podem ser tudo menos isso. No entanto, variantes desse tipo geralmente podem ser acomodadas numa política, por exemplo, alterando o limite de locação de UTI.

Conceitos testados e comprovados da teoria de controle, precisamente respostas, podem ajudar as autoridades na trama com abordagens ainda mais duráveis ​​e ótimas enquanto tentam controlar a terrível pandemia de COVID-19. No entanto, exatamente como tornar os funcionários informados sobre esses dispositivos poderosos?

Pense num dispositivo interativo na Internet que oferece orientações específicas em linguagem simples e direcionadas a funcionários públicos e outras pessoas encarregadas de instalar uma resposta à pandemia nos seus bairros. O conselho seria de fato baseado em abordagens criadas por uma pequena equipe de teóricos de controle, epidemiologistas, bem como pessoas com experiência em planos. O site pode avaliar o primeiro feedback, agora familiar, no qual trabalhadores excessivos ficam confinados nas suas casas, além de necessidades cruciais. Em seguida, o site pode fornecer algumas orientações sobre como e quando as limitações mais rígidas podem ser removidas.

O maior obstáculo para os desenvolvedores desse dispositivo baseado na Web será permitir que não especialistas visualizem como as diferentes partes da versão epidemiológica se relacionam com as outras opções de política de comentários e imprevisibilidade do modelo. Como especificamente deve ser aplicada a medida de feedback primário — provavelmente algum elemento de uma unidade de saúde ou contrato extensivo de tratamento? Quais limitações devem ser levantadas nas preliminares de flexibilização? Como eles devem ser aliviados no primário? Na 2.ª rodada? Enquanto estiver de olho na etapa de feedback, com que regularidade as autoridades devem considerar a execução de um jogo adicional de alívio? O comentário, sem dúvida, ajudará os funcionários a estabelecer o horário dos diferentes estágios dos tratamentos. Uma ferramenta interativa que pode analisar outros métodos de plano,

Lidando com funcionários políticos, epidemiologistas e outros, os planeadores de controle podem desenvolver metodicamente planos que levem essas restrições e concessões em consideração. Tudo se resume a isso: em muitos meses de batalha antes, essa colaboração pode conservar inúmeras vidas.

Leia o artigo original no Spectrum IEE.