CN110175732B - 一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估*** - Google Patents
一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN110175732B CN110175732B CN201811238762.XA CN201811238762A CN110175732B CN 110175732 B CN110175732 B CN 110175732B CN 201811238762 A CN201811238762 A CN 201811238762A CN 110175732 B CN110175732 B CN 110175732B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- human body
- temperature
- heat
- cold stress
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000008645 cold stress Effects 0.000 title claims abstract description 136
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 230000037323 metabolic rate Effects 0.000 claims abstract description 54
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 86
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 67
- 210000003811 finger Anatomy 0.000 claims description 53
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 claims description 49
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 48
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 44
- 210000002683 foot Anatomy 0.000 claims description 36
- 210000001255 hallux Anatomy 0.000 claims description 36
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 claims description 32
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 25
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 21
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 21
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 claims description 16
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 claims description 16
- 239000003570 air Substances 0.000 claims description 15
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 15
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 claims description 15
- 239000012792 core layer Substances 0.000 claims description 14
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 claims description 14
- 244000309466 calf Species 0.000 claims description 12
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 12
- 210000000689 upper leg Anatomy 0.000 claims description 12
- 210000003813 thumb Anatomy 0.000 claims description 11
- 210000003371 toe Anatomy 0.000 claims description 11
- 230000008081 blood perfusion Effects 0.000 claims description 10
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 10
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 10
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 9
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000008280 blood Substances 0.000 claims description 7
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 claims description 7
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 230000035900 sweating Effects 0.000 claims description 7
- 238000013316 zoning Methods 0.000 claims description 7
- 210000001015 abdomen Anatomy 0.000 claims description 6
- 230000036772 blood pressure Effects 0.000 claims description 6
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 claims description 6
- 210000004936 left thumb Anatomy 0.000 claims description 6
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical class O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 208000001034 Frostbite Diseases 0.000 claims description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 5
- 206010044565 Tremor Diseases 0.000 claims description 4
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 claims description 4
- 230000008321 arterial blood flow Effects 0.000 claims description 4
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 claims description 4
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 claims description 4
- 230000008320 venous blood flow Effects 0.000 claims description 4
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims description 3
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 claims description 3
- 210000004934 left little finger Anatomy 0.000 claims description 3
- 230000010412 perfusion Effects 0.000 claims description 3
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 claims description 3
- 230000000241 respiratory effect Effects 0.000 claims description 3
- 210000004933 right little finger Anatomy 0.000 claims description 3
- 210000004935 right thumb Anatomy 0.000 claims description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 3
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 claims description 3
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 claims description 3
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 claims 1
- 208000019462 Occupational injury Diseases 0.000 abstract description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 2
- 210000000454 fifth toe Anatomy 0.000 description 4
- 230000036541 health Effects 0.000 description 3
- 238000012821 model calculation Methods 0.000 description 3
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 210000000455 fourth toe Anatomy 0.000 description 2
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 2
- 230000003938 response to stress Effects 0.000 description 2
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 2
- 206010047139 Vasoconstriction Diseases 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 210000003129 brachiocephalic vein Anatomy 0.000 description 1
- 210000001168 carotid artery common Anatomy 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001815 facial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008642 heat stress Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000002685 pulmonary effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 210000000431 third toe Anatomy 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
- 230000025033 vasoconstriction Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
- G06Q10/063—Operations research, analysis or management
- G06Q10/0639—Performance analysis of employees; Performance analysis of enterprise or organisation operations
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
- G06Q50/10—Services
- G06Q50/26—Government or public services
- G06Q50/265—Personal security, identity or safety
Landscapes
- Business, Economics & Management (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Human Resources & Organizations (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Development Economics (AREA)
- Tourism & Hospitality (AREA)
- Strategic Management (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Economics (AREA)
- Educational Administration (AREA)
- Entrepreneurship & Innovation (AREA)
- General Business, Economics & Management (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Marketing (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Game Theory and Decision Science (AREA)
- Immunology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Computer Security & Cryptography (AREA)
- Primary Health Care (AREA)
- Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明提供了一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***，在建立的代谢率数据库中选取符合人体实际劳动强度和劳动类型的代谢率数值，在建立的服装动态热湿阻数据库中选取符合实际环境的服装动态热阻和湿阻数值代入***中，通过建立的人体冷应激分区精细预测模型计算人体在低温冷环境中随时间变化的核心温度、局部皮肤温度以及平均皮肤温度，通过与不同冷应激阶段指标阈值的对比，评估人体的冷应激等级，进而确定人体可接受最长暴露时间，测量数值更为精确，预测性良好，为根据冷环境选用适当的应急装备和合理安排冷环境下组织生产策略提供指导，为我国减少职业损伤提供理论依据和指导，降低人员冷应激风险，保护人员生命安全。
Description
技术领域
本发明属于公共安全技术领域，尤其是涉及一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***。
背景技术
近年来我国各类灾害事故频发，在冬季严寒时期，尤其是高原地区，应急救援及抢险作业人员会长时间暴露在低温甚至极端低温冷环境中，当核心温度及皮肤温度低于正常范围时，生命健康和安全会受到较大威胁。
清华大学公开的一种CFD与人体热反应模型的耦合***及耦合方法(申请号：201710322997.6)和出汗暖体假人与人体热反应模型的耦合***及耦合方法(201710323007.0)以及清华大学合肥公共安全研究院公开的一种高温环境下人体热应激分级评估***(申请号：201610298458.9)，以上***与方法用于模拟人体组织以及和环境之间的热湿传递过程，评估人体的热应激。
这些***和方法主要用于高温环境下的人体热应激安全评估，然而在冬季严寒时期，我国大量应急救援人员以及户外作业人员会长期暴露在低温甚至极端低温冷环境下，由于低温冷环境下的人体生理反应和高温热环境下人体的生理反应存在较大差异，比如手指和脚趾的冷诱导血管收缩反应等，另外人体的代谢率大小、受人体移动和冷环境中风速影响的服装动态热阻和湿阻也是影响人体冷应激预测分级的重要因素，这些因素在以上的***和方法中也未全面考虑到，因此不适用于低温环境中冷应激精细分级评估。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***，以解决冷应激评价中人体生理安全状态准确预测的需求；通过评估冷环境中人体冷应激等级，为根据冷环境选用适当的应急装备和合理安排冷环境下组织生产策略提供指导，为我国减少职业损伤提供理论依据和指导，降低人员冷应激风险，保护人员生命安全。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***，包括人体代谢率数据库模块、服装动态热湿阻数据库模块、人体冷应激分区精细预测模型模块、冷应激分级阈值模块、模型数据输出模块和分级评估输出模块；
所述人体代谢率数据库模块，通过低温冷环境下真人模拟不同劳动强度实验，测量人体代谢率，建立人体代谢率数据库，提供人体冷应激分区精细预测模型模块计算所使用的代谢率参数；
所述服装动态热湿阻数据库模块，通过低温冷环境下使用暖体假人实验测量不同种类工作服动态热阻和湿阻的服装参数，建立服装动态热湿阻数据库模块，提供人体冷应激分区精细预测模型计算使用的服装参数；
所述人体冷应激分区精细预测模型模块，该模型将人体分区多节点模型和人体多段血管模型进行耦合，建立人体内部热量传递过程以及与环境之间的热量传递过程关系，根据人体及环境的相关参数作为模型的输入，得到输出值为人体核心温度、局部皮肤温度以及平均皮肤温度，其中人体平均皮肤温度由人体各部位皮肤温度加权计算；
所述冷应激分级阙值模块，根据冷环境对人体的影响程度，将人体冷应激分为三个阶段：轻度冷应激阶段、中度冷应激阶段和重度冷应激阶段，所述各阶段分别对应不同数值的人体核心温度、局部皮肤温度和平均皮肤温度，其中重度冷应激阶段为冻伤阶段；
所述模型数据输出模块，所述模型数据输出模块用于输出人体冷应激分区精细预测模型计算的人体核心温度、局部皮肤温度及平均皮肤温度；
所述分级评估输出模块，将模型数据输出模块输出的核心温度、局部皮肤温度及平均皮肤温度数值与所述冷应激分级阙值模块中人体冷应激不同阶段的阈值数据进行对比，得到不同冷应激阶段响应等级并输出。
进一步的，所述人体代谢率数据库模块的建立过程包括：
在低温冷环境下，通过真人实验模拟不同劳动强度及不同劳动类型，利用呼吸气体采集仪采集人体进行劳动作业时呼出的气体的体积、温度及氧气的体积分数，带入代谢率计算公式，得到人体在不同劳动轻度下不同劳动类型的代谢率，将计算得到的代谢率数值进行存储，建立人体代谢率数据库，提供人体冷应激分区精细预测模型计算所使用的代谢率参数。其中，代谢率计算公式为：
式中，P为大气压，单位为kPa；PH2O为饱和水蒸气的分压，单位为kPa；Vex为呼出气体体积，单位为L；Tex为呼出气体的温度，单位为℃；t为采集呼出气体时间，单位为h；Wb为受试人员体重，单位为kg；Hb为受试人员身高，单位为m；FO2为呼出气体中氧气占的百分数。
进一步的，所述不同劳动强度包括低劳动轻度、中劳动轻度、重劳动强度以及超重劳动强度，所述不同劳动类型包括休息、轻度手工作业、持续的手臂作业、剧烈的躯臂作业以及以最大步幅剧烈活动。
进一步的，所述服装动态热湿阻数据库模块在实验测量不同种类工作服动态热阻和湿阻的服装参数时，需考虑风速和人体移动因素的影响。
进一步的，所述服装动态热湿阻数据库模块的建立过程包括：
在低温冷环境下将测量的服装穿着在暖体假人上，并通过风机调节风速模拟不同的风速环境，将暖体假人置于移动轨道上来模拟人体移动状态，利用温湿度探头测量工作服周围的温湿度，通过温度传感器测量服装外表面的温度，记录暖体假人各分区的皮肤表面温度；
计算服装静态热阻和湿阻，其计算公式为：
其中，It是服装静态热阻，℃﹒m2/W；Ret是服装静态湿阻，kPa﹒m2/W；Tair和Tskin分别是服装所处环境中空气温度和暖体假人皮肤表面平均温度，℃。R和C分别是服装和空气间的热辐射和自然对流换热，W/m2；pskin是暖体假人表面的饱和蒸气压，kPa；pair是暖体假人所处环境中的饱和蒸气压，kPa；A是暖体假人皮肤表面积，m2；
是暖体假人发汗速率，通过实验前后质量差除以出汗时间得到，g/s；λ是蒸馏水在假人皮肤温度下的汽化潜热，J/g；
计算服装动态热阻和湿阻，其计算公式为：
It,R＝It·exp[-0.281·(v-0.15)+0.44·(v-0.15)2-0.492·vw+0.176·vw 2]
Ret,R＝Ret·exp[-0.468·(v-0.15)+0.08·(v-0.15)2-0.874·vw+0.358·vw 2]
其中It,R和It分别是考虑人体移动和风速影响的修正服装热阻和稳态环境下的服装热阻，m2﹒K/W；；Ret,R和Ret分别是考虑人体移动和风速影响的动态修正服装湿阻和稳态环境下的服装湿阻，Pa﹒m2/W；v和vw分别是环境风速和人体移动速度，m/s；
将计算的服装热阻和湿阻数据存储建立服装动态热湿阻数据库，提供人体冷应激分区精细预测模型计算所使用的服装参数。
进一步的，所述人体冷应激分区精细预测模型模块建立过程包括：
将人体血管分为多段，将动静脉段视为具有粘弹性和惯性的薄壁圆柱形管道的基本计算单元，通过求解该单元中血压和血流满足的Navier Stokes方程，可求得血压和血流脉动的传播特性，包括动静脉血液对流换热系数、血流灌注率、血液流量；
将人体根据几何机构分为多个部分，每个身体部分包括核心层、肌肉层、动脉层、静脉层、脂肪层和皮肤层共计六层，体内传热方式为导热、对流和血流灌注，体外传热方式为对流、辐射和蒸发散热，每个身体部分以对流、辐射和蒸发散热的方式通过服装与环境进行热交换，每个身体部分每层分区都有各自的热平衡方程，通过人体多段血管模型求得各血管血流参数，然后代入到人体各部分各分区热平衡方程中进行求解，即可得到各个节点的温度，其中包括核心温度以及局部皮肤温度，将各部位局部皮肤温度进行加权求平均值，即可得到平均皮肤温度，实现人体冷应激分区精细预测模型模块的建立。
进一步的，所述人体冷应激分区精细预测模型模块将人体血管分为包括主要的128段动静脉和十根手指以及十根脚趾处的血管，共计148段。
进一步的，所述人体冷应激分区精细预测模型模块将人体根据几何机构分为39个部分，包括头部、胸部、腹部、背部、腰部、左臀、右臀、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、左手大拇指、右手大拇指、左手食指、右手食指、左手中指、右手中指、左手无名指、右手无名指、左手小拇指、右手小拇指、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左脚、右脚、左脚大脚拇趾、右脚大脚拇趾、左脚二脚拇趾、右脚二脚拇趾、左脚中脚姆趾、右脚中脚姆趾、左脚脚无名趾、右脚脚无名趾、左脚小脚拇趾以及右脚小脚拇趾。
进一步的，所述人体冷应激分区精细预测模型模块中，每个身体部分每层分区的热平衡方程原理为总热量的变化量等于产生的热量和与相邻层交换热量之和，不同层区产热方式及换热方式不同，热平衡方程形式也会有一定差异，但原理相同；
其中核心层各部分人体热平衡方程为：
肌肉层各部分人体热平衡方程为：
脂肪层各部分人体热平衡方程为：
皮肤层各部分人体热平衡方程为：
动脉层各部分人体热平衡方程为：
静脉层各部分人体热平衡方程为：
上式中Ccr是核心层热容，α值在胸部取1在其他部位取0，W表示人体做功，Qres表示呼吸散热量，h(t)表示动脉血流对流换热系数，hmean表示静脉血流对流换热系数，mperfusion，total表示进入该部位的总血流灌注率，Aartery和Avein分别表示动静脉截面积，Mcr表示基础代谢产热量，Mshiv表示冷颤增加的人体代谢产热量。cbl表示血液比热，Cmuscle表示肌肉层热容，Cfat表示脂肪层热容，Csk表示皮肤层热容，hc表示皮肤与外界的对流换热系数，hr表示辐射换热系数，he表示蒸发换热系数，T∞表示周围环境温度，Tbl，a表示动脉温度，Tbl，v表示静脉温度，P∞表示环境气压，Psk表示皮肤表面蒸汽压，ma表示进入该段动脉总流量，mv表示进入该段静脉的总流量。
进一步的，通过人体多段血管模型求得各血管血流参数，该血管血流参数包括mperfusion，total、h(t)、hmean、ma、mv，然后代入到人体各部分各分区热平衡方程中，即可得到各个节点的温度，其中包括核心温度以及局部皮肤温度，将各部位局部皮肤温度进行加权求平均值，即可得到平均皮肤温度。
一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估方法，包括以下步骤：
(1)实验测量不同劳动强度及不同劳动类型的人体代谢率以及不同种类工作服动态热阻和湿阻的服装参数，分别建立人体代谢率数据库模块和服装动态热湿阻数据库模块；
(2)将人体分区多节点模型和人体多段血管模型进行耦合，建立人体内部热量传递过程以及与环境之间的热量传递过程关系，根据人体及环境的相关参数作为模型的输入，得到输出值为人体核心温度、局部皮肤温度以及平均皮肤温度，其中人体平均皮肤温度由人体各部位皮肤温度加权计算；
(3)将人体核心温度、局部皮肤温度和平均温度与冷应激分级阈值进行比较，得到不同冷应激阶段的响应等级并输出。
进一步的，所述步骤(3)中冷应激分级阈值包括轻度冷应激阶段、中度冷应激阶段和重度冷应激阶段，所述各阶段分别对应不同数值的人体核心温度、局部皮肤温度和平均皮肤温度，其中重度冷应激阶段为冻伤阶段。
进一步的，所述步骤(2)中人体分区多节点模型为人体根据几何机构分为39个部分，包括头部、胸部、腹部、背部、腰部、左臀、右臀、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、左手大拇指、右手大拇指、左手食指、右手食指、左手中指、右手中指、左手无名指、右手无名指、左手小拇指、右手小拇指、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左脚、右脚、左脚大脚拇趾、右脚大脚拇趾、左脚二脚拇趾、右脚二脚拇趾、左脚中脚姆趾、右脚中脚姆趾、左脚脚无名趾、右脚脚无名趾、左脚小脚拇趾以及右脚小脚拇趾。
进一步的，所述步骤(2)中的人体多段血管模型为包括人体主要的128段动静脉和十根手指及十根脚趾的血管共计148段血管。
进一步的，所述步骤(2)中人体分区多节点模型包括多个身体部分，每个身体部分包括核心层、肌肉层、动脉层、静脉层、脂肪层以及皮肤层共计六层；体内传热方式为导热、对流和血流灌注；体外传热方式为对流、辐射和蒸发散热；每个身体部分以对流、辐射和蒸发散热的方式通过服装与环境进行热交换，每个身体部分每层分区都有各自的热平衡方程，通过多段血管模型求得各血管血流参数，然后代入到人体各部分各分区热平衡方程中进行求解，即可得到各个节点的温度，其中包括核心温度以及局部皮肤温度，将各部位局部皮肤温度进行加权求平均值，即可得到平均皮肤温度。
相对于现有技术，本发明所述的低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***具有以下优势：
(1)本发明所述的低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***，在建立的代谢率数据库中选取符合人体实际劳动轻度和劳动类型的代谢率数值，在建立的服装动态热湿阻数据库中选取符合实际环境的服装动态热阻和湿阻数值代入***中，通过建立的人体冷应激分区精细预测模型计算人体在低温冷环境中随时间变化的核心温度、局部皮肤温度以及平均皮肤温度，通过与不同冷应激阶段指标阈值的对比，评估人体的冷应激等级，进而确定人体可接受最长暴露时间，测量数值更为精确，预测性良好。
(2)本发明所述的低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***，解决了冷应激评价中人体生理安全状态准确预测的需求；通过评估冷环境中人体冷应激等级，为根据冷环境选用适当的应急装备和合理安排冷环境下组织生产策略提供指导，为我国减少职业损伤提供理论依据和指导，降低人员冷应激风险，保护人员生命安全。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***示意图；
图2为本发明实施例所述的人体内部热量传递过程以及与环境之间的热量传递过程关系示意图；
图3(a)为本发明实施例所述的M＝130W/m2时模型计算输出的可接受最长暴露时间与ISO11079预测值对比图；
图3(b)为本发明实施例所述的M＝230W/m2时模型计算输出的可接受最长暴露时间与ISO11079预测值对比图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供了一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***，包括人体代谢率数据库模块、服装动态热湿阻数据库模块、人体冷应激分区精细预测模型模块、冷应激分级阈值模块、模型数据输出模块和分级评估输出模块；
所述人体代谢率数据库模块，通过低温冷环境下真人模拟不同劳动强度实验，测量人体代谢率，建立人体代谢率数据库，提供人体冷应激分区精细预测模型模块计算所使用的代谢率参数；
所述服装动态热湿阻数据库模块，通过低温冷环境下使用暖体假人实验测量不同种类工作服动态热阻和湿阻的服装参数，建立服装动态热湿阻数据库模块，提供人体冷应激分区精细预测模型计算使用的服装参数；
所述人体冷应激分区精细预测模型模块，该模型将人体分区多节点模型和人体多段血管模型进行耦合，建立人体内部热量传递过程以及与环境之间的热量传递过程关系，根据人体及环境的相关参数作为模型的输入，得到输出值为人体核心温度、局部皮肤温度以及平均皮肤温度，其中人体平均皮肤温度由人体各部位皮肤温度加权计算；
所述冷应激分级阙值模块，根据冷环境对人体的影响程度，将人体冷应激分为三个阶段：轻度冷应激阶段、中度冷应激阶段和重度冷应激阶段，所述各阶段分别对应不同数值的人体核心温度、局部皮肤温度和平均皮肤温度，其中重度冷应激阶段为冻伤阶段；
所述模型数据输出模块，所述模型数据输出模块用于输出人体冷应激分区精细预测模型计算的人体核心温度、局部皮肤温度及平均皮肤温度；
所述分级评估输出模块，将模型数据输出模块输出的核心温度、局部皮肤温度及平均皮肤温度数值与所述冷应激分级阙值模块中人体冷应激不同阶段的阈值数据进行对比，得到不同冷应激阶段响应等级并输出。
所述人体代谢率数据库模块的建立过程包括：
在低温冷环境下，通过真人实验模拟不同劳动强度及不同劳动类型，利用呼吸气体采集仪采集人体进行劳动作业时呼出的气体的体积、温度及氧气的体积分数，带入代谢率计算公式，得到人体在不同劳动轻度下不同劳动类型的代谢率，将计算得到的代谢率数值进行存储，建立人体代谢率数据库，提供人体冷应激分区精细预测模型计算所使用的代谢率参数。其中，代谢率计算公式为：
式中，P为大气压，单位为kPa；PH2O为饱和水蒸气的分压，单位为kPa；Vex为呼出气体体积，单位为L；Tex为呼出气体的温度，单位为℃；t为采集呼出气体时间，单位为h；Wb为受试人员体重，单位为kg；Hb为受试人员身高，单位为m；FO2为呼出气体中氧气占的百分数。
所述不同劳动强度包括低劳动轻度、中劳动轻度、重劳动强度以及超重劳动强度，所述不同劳动类型包括休息、轻度手工作业、持续的手臂作业、剧烈的躯臂作业以及以最大步幅剧烈活动。
本发明通过真人实验模拟不同劳动强度以及不同劳动类型，建立了符合中国人种体质的人体代谢率数据库，不仅可以为人体冷应激分区精细预测模型快速提供准确的代谢率数值，亦可以为其他极端环境下的人体应激反应评估提供精确的代谢率数值。
所述服装动态热湿阻数据库模块在实验测量不同种类工作服动态热阻和湿阻的服装参数时，需考虑风速和人体移动因素的影响。
所述服装动态热湿阻数据库模块的建立过程包括：
在低温冷环境下将测量的服装穿着在暖体假人上，并通过风机调节风速模拟不同的风速环境，将暖体假人置于移动轨道上来模拟人体移动状态，利用温湿度探头测量工作服周围的温湿度，通过温度传感器测量服装外表面的温度，记录暖体假人各分区的皮肤表面温度；
计算服装静态热阻和湿阻，其计算公式为：
其中，It是服装静态热阻，℃﹒m2/W；Ret是服装静态湿阻，kPa﹒m2/W；Tair和Tskin分别是服装所处环境中空气温度和暖体假人皮肤表面平均温度，℃。R和C分别是服装和空气间的热辐射和自然对流换热，W/m2；pskin是暖体假人表面的饱和蒸气压，kPa；pair是暖体假人所处环境中的饱和蒸气压，kPa；A是暖体假人皮肤表面积，m2；
是暖体假人发汗速率，通过实验前后质量差除以出汗时间得到，g/s；λ是蒸馏水在假人皮肤温度下的汽化潜热，J/g；
计算服装动态热阻和湿阻，其计算公式为：
It，R＝It·exp[-0.281·(v-0.15)+0.44·(v-0.15)2-0.492·vw+0.176·vw 2]
Ret,R＝Ret·exp[-0.468·(v-0.15)+0.08·(v-0.15)2-0.874·vw+0.358·vw 2]
其中It，R和It分别是考虑人体移动和风速影响的修正服装热阻和稳态环境下的服装热阻，m2﹒K/W；；Ret,R和Ret分别是考虑人体移动和风速影响的动态修正服装湿阻和稳态环境下的服装湿阻，Pa﹒m2/W；v和vw分别是环境风速和人体移动速度，m/s；M是新陈代谢率，W/m2；
将计算的服装热阻和湿阻数据存储建立服装动态热湿阻数据库，提供人体冷应激分区精细预测模型计算所使用的服装参数。
本发明通过暖体假人实验，考虑人体移动和环境风速的影响，建立了服装动态热湿阻数据库，不仅可以为人体冷应激分区精细预测模型快速提供准确的服装动态热阻和湿阻数值，亦可以为其他极端环境下的人体应激反应评估提供精确的服装动态热阻和湿阻数值。
所述人体冷应激分区精细预测模型模块建立过程包括：
将人体血管分为多段，特征阻抗和传播常数在传输线模型中，将动静脉段视为具有粘弹性和惯性的薄壁圆柱形管道的基本计算单元，通过求解该单元中血压和血流满足的Navier Stokes方程，可求得血压和血流脉动的传播特性，包括动静脉血液对流换热系数、血流灌注率、血液流量；
将人体根据几何机构分为多个部分，每个身体部分包括核心层、肌肉层、动脉层、静脉层、脂肪层和皮肤层共计六层，体内传热方式为导热、对流和血流灌注，体外传热方式为对流、辐射和蒸发散热，每个身体部分以对流、辐射和蒸发散热的方式通过服装与环境进行热交换，每个身体部分每层分区都有各自的热平衡方程，通过人体多段血管模型求得各血管血流参数，然后代入到人体各部分各分区热平衡方程中进行求解，即可得到各个节点的温度，其中包括核心温度以及局部皮肤温度，将各部位局部皮肤温度进行加权求平均值，即可得到平均皮肤温度，实现人体冷应激分区精细预测模型模块的建立。
所述人体冷应激分区精细预测模型模块将人体血管分为包括主要的128段动静脉(例如面动脉、颈总动脉、头臂静脉、肺动静脉、尺动静脉以及其他的动静脉)和十根手指以及十根脚趾处的血管，共计148段。
所述人体冷应激分区精细预测模型模块将人体根据几何机构分为39个部分，包括头部、胸部、腹部、背部、腰部、左臀、右臀、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、左手大拇指、右手大拇指、左手食指、右手食指、左手中指、右手中指、左手无名指、右手无名指、左手小拇指、右手小拇指、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左脚、右脚、左脚大脚拇趾、右脚大脚拇趾、左脚二脚拇趾、右脚二脚拇趾、左脚中脚姆趾、右脚中脚姆趾、左脚脚无名趾、右脚脚无名趾、左脚小脚拇趾以及右脚小脚拇趾。
所述人体冷应激分区精细预测模型模块中，每个身体部分每层分区的热平衡方程原理为总热量的变化量等于产生的热量和与相邻层交换热量之和，不同层区产热方式及换热方式不同，热平衡方程形式也会有一定差异，但原理相同；
其中核心层各部分人体热平衡方程为：
肌肉层各部分人体热平衡方程为：
脂肪层各部分人体热平衡方程为：
皮肤层各部分人体热平衡方程为：
动脉层各部分人体热平衡方程为：
静脉层各部分人体热平衡方程为：
上式中Ccr是核心层热容，α值在胸部取1在其他部位取0，W表示人体做功，Qres表示呼吸散热量，h(t)表示动脉血流对流换热系数，hmean表示静脉血流对流换热系数，mperfusion，total表示进入该部位的总血流灌注率，Aartery和Avein分别表示动静脉截面积，Mcr表示基础代谢产热量，Mshi表示冷颤增加的人体代谢产热量。cbl表示血液比热，Cmuscle表示肌肉层热容，Cfat表示脂肪层热容，Csk表示皮肤层热容，hc表示皮肤与外界的对流换热系数，hr表示辐射换热系数，he表示蒸发换热系数，T∞表示周围环境温度，Tbl，a表示动脉温度，Tbl，v表示静脉温度，P∞表示环境气压，Psk表示皮肤表面蒸汽压，ma表示进入该段动脉总流量，mv表示进入该段静脉的总流量。
通过人体多段血管模型求得各血管血流参数，该血管血流参数包括mperfusion，total、h(t)、hmean、ma、mv，然后代入到人体各部分各分区热平衡方程中，即可得到各个节点的温度，其中包括核心温度以及局部皮肤温度，将各部位局部皮肤温度进行加权求平均值，即可得到平均皮肤温度。
一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估方法，包括以下步骤：
(1)实验测量不同劳动强度及不同劳动类型的人体代谢率以及不同种类工作服动态热阻和湿阻的服装参数，分别建立人体代谢率数据库模块和服装动态热湿阻数据库模块；
(2)将人体分区多节点模型和人体多段血管模型进行耦合，建立人体内部热量传递过程以及与环境之间的热量传递过程关系，根据人体及环境的相关参数作为模型的输入，得到输出值为人体核心温度、局部皮肤温度以及平均皮肤温度，其中人体平均皮肤温度由人体各部位皮肤温度加权计算；
(3)将人体核心温度、局部皮肤温度和平均温度与冷应激分级阈值进行比较，得到不同冷应激阶段的响应等级并输出。
所述步骤(3)中冷应激分级阈值包括轻度冷应激阶段、中度冷应激阶段和重度冷应激阶段，所述各阶段分别对应不同数值的人体核心温度、局部皮肤温度和平均皮肤温度，其中重度冷应激阶段为冻伤阶段。
所述步骤(2)中人体分区多节点模型为人体根据几何机构分为39个部分，包括头部、胸部、腹部、背部、腰部、左臀、右臀、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、左手大拇指、右手大拇指、左手食指、右手食指、左手中指、右手中指、左手无名指、右手无名指、左手小拇指、右手小拇指、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左脚、右脚、左脚大脚拇趾、右脚大脚拇趾、左脚二脚拇趾、右脚二脚拇趾、左脚中脚姆趾、右脚中脚姆趾、左脚脚无名趾、右脚脚无名趾、左脚小脚拇趾以及右脚小脚拇趾。
所述步骤(2)中的人体多段血管模型为包括人体主要的128段动静脉和十根手指及十根脚趾的血管共计148段血管。
所述步骤(2)中人体分区多节点模型包括多个身体部分，每个身体部分包括核心层、肌肉层、动脉层、静脉层、脂肪层以及皮肤层共计六层；体内传热方式为导热、对流和血流灌注；体外传热方式为对流、辐射和蒸发散热；每个身体部分以对流、辐射和蒸发散热的方式通过服装与环境进行热交换，每个身体部分每层分区都有各自的热平衡方程，通过多段血管模型求得各血管血流参数，然后代入到人体各部分各分区热平衡方程中进行求解，即可得到各个节点的温度，其中包括核心温度以及局部皮肤温度，将各部位局部皮肤温度进行加权求平均值，即可得到平均皮肤温度。
冷应激阈值模块中不同冷应激阶段平均皮肤温度和手指温度等生理极限值如下表1所示：
表1人体冷应激指标阈值
根据人体核心温度、局部皮肤温度以及平均皮肤温度的阈值对比结果，由分级评估输出模块输出分级评估结果，预测低温冷环境下人员不同等级的冷应激水平，为保障工作人员的健康和安全状况提供了技术支持。
以中度冷应激各指标阈值作为人体可接受最长暴露时间的标准值，当各指标值达到中度冷应激的阈值时，所经历的时间即为人体可接受最长暴露时间，本发明模型输出的不同环境温度下作业人员劳动强度不同时人体可接受最长暴露时间值与ISO11079的预测值对比见图3，由图3可以看出，本发明模型的可接受最长暴露时间预测值与ISO11079的预测值较为接近，具有良好的预测性，而且比暴露时间数值更低，对于作业人员来说安全性更高，而且本发明通过真人实验获取代谢率数据，使得本发明针对中国人体质具有更高的可靠性。
本发明在建立的代谢率数据库中选取符合人体实际劳动轻度和劳动类型的代谢率数值，在建立的服装动态热湿阻数据库中选取符合实际环境的服装动态热阻和湿阻数值代入***中，通过建立的人体冷应激分区精细预测模型计算人体在低温冷环境中随时间变化的核心温度、局部皮肤温度以及平均皮肤温度，通过与不同冷应激阶段指标阈值的对比，评估人体的冷应激等级，进而确定人体可接受最长暴露时间。本发明解决了冷应激评价中人体生理安全状态准确预测的需求；通过评估冷环境中人体冷应激等级，为根据冷环境选用适当的应急装备和合理安排冷环境下组织生产策略提供指导，为我国减少职业损伤提供理论依据和指导，降低人员冷应激风险。
本发明加入了十根手指和十根脚趾的血管模型计算，实现了对易冻伤部位的监测，更精确地保护了低温工作人员的身体健康。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***，其特征在于：包括人体代谢率数据库模块、服装动态热湿阻数据库模块、人体冷应激分区精细预测模型模块、冷应激分级阈值模块、模型数据输出模块和分级评估输出模块；
所述人体代谢率数据库模块，通过低温冷环境下真人模拟不同劳动强度实验，测量人体代谢率，建立人体代谢率数据库，提供人体冷应激分区精细预测模型模块计算所使用的代谢率参数；
所述服装动态热湿阻数据库模块，通过低温冷环境下使用暖体假人实验测量不同种类工作服动态热阻和湿阻的服装参数，建立服装动态热湿阻数据库模块，提供人体冷应激分区精细预测模型计算使用的服装参数；
所述人体冷应激分区精细预测模型模块，该模型将人体分区多节点模型和人体多段血管模型进行耦合，建立低温作业环境下的人体内部热量传递过程以及与环境之间的热量传递过程关系，根据人体及环境的相关参数作为模型的输入，得到输出值为人体核心温度、局部皮肤温度以及平均皮肤温度，其中人体平均皮肤温度由人体各部位皮肤温度加权计算；
所述冷应激分级阙值模块，根据冷环境对人体的影响程度，将人体冷应激分为三个阶段：轻度冷应激阶段、中度冷应激阶段和重度冷应激阶段，所述各阶段分别对应不同数值的人体核心温度、局部皮肤温度和平均皮肤温度，其中重度冷应激阶段为冻伤阶段；
所述模型数据输出模块，所述模型数据输出模块用于输出人体冷应激分区精细预测模型计算的人体核心温度、局部皮肤温度及平均皮肤温度；
所述分级评估输出模块，将模型数据输出模块输出的核心温度、局部皮肤温度及平均皮肤温度数值与所述冷应激分级阙值模块中人体冷应激不同阶段的阈值数据进行对比，得到不同冷应激阶段响应等级并输出；
所述人体冷应激分区精细预测模型模块中，每个身体部分每层分区的热平衡方程原理为总热量的变化量等于产生的热量和与相邻层交换热量之和，不同层区产热方式及换热方式不同，热平衡方程形式也会有一定差异，但原理相同；
其中核心层各部分人体热平衡方程为：
肌肉层各部分人体热平衡方程为：
脂肪层各部分人体热平衡方程为：
皮肤层各部分人体热平衡方程为：
动脉层各部分人体热平衡方程为：
静脉层各部分人体热平衡方程为：
上式中Ccr是核心层热容，α值在胸部取1在其他部位取0，W表示人体做功，Qres表示呼吸散热量，h(t)表示动脉血流对流换热系数，hmean表示静脉血流对流换热系数，mperfusion，total表示进入该部位的总血流灌注率，Aartery和Avein分别表示动静脉截面积，Mcr表示基础代谢产热量，Mshiv表示冷颤增加的人体代谢产热量；cbl表示血液比热，Cmuscle表示肌肉层热容，Cfat表示脂肪层热容，Csk表示皮肤层热容，hc表示皮肤与外界的对流换热系数，hr表示辐射换热系数，he表示蒸发换热系数，T∞表示周围环境温度，Tbl，a表示动脉温度，Tbl，v表示静脉温度，P∞表示环境气压，Psk表示皮肤表面蒸汽压，ma表示进入该段动脉总流量，mv表示进入该段静脉的总流量；
通过人体多段血管模型求得各血管血流参数，该血管血流参数包括mperfusion，total、h(t)、hmean、ma和mv，然后代入到人体各部分各分区热平衡方程中，即可得到各个节点的温度，其中包括核心温度以及局部皮肤温度，将各部位局部皮肤温度进行加权求平均值，即可得到平均皮肤温度。
2.根据权利要求1所述的低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***，其特征在于：所述人体代谢率数据库模块的建立过程包括：
在低温冷环境下，通过真人实验模拟不同劳动强度及不同劳动类型，利用呼吸气体采集仪采集人体进行劳动作业时呼出的气体的体积、温度及氧气的体积分数，带入代谢率计算公式，得到人体在不同劳动轻度下不同劳动类型的代谢率，将计算得到的代谢率数值进行存储，建立人体代谢率数据库，提供人体冷应激分区精细预测模型计算所使用的代谢率参数；其中，代谢率计算公式为：
式中，P为大气压，单位为kPa；PH2O为饱和水蒸气的分压，单位为kPa；Vex为呼出气体体积，单位为L；Tex为呼出气体的温度，单位为℃；t为采集呼出气体时间，单位为h；Wb为受试人员体重，单位为kg；Hb为受试人员身高，单位为m；FO2为呼出气体中氧气占的百分数。
3.根据权利要求1所述的低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***，其特征在于：所述服装动态热湿阻数据库模块在实验测量不同种类工作服动态热阻和湿阻的服装参数时，需考虑风速和人体移动因素的影响；
所述服装动态热湿阻数据库模块的建立过程包括：
在低温冷环境下将测量的服装穿着在暖体假人上，并通过风机调节风速模拟不同的风速环境，将暖体假人置于移动轨道上来模拟人体移动状态，利用温湿度探头测量工作服周围的温湿度，通过温度传感器测量服装外表面的温度，记录暖体假人各分区的皮肤表面温度；
计算服装静态热阻和湿阻，其计算公式为：
其中，It是服装静态热阻，℃﹒m2/W；Ret是服装静态湿阻，kPa﹒m2/W；Tair和Tskin分别是服装所处环境中空气温度和暖体假人皮肤表面平均温度，℃；R和C分别是服装和空气间的热辐射和自然对流换热，W/m2；pskin是暖体假人表面的饱和蒸气压，kPa；pair是暖体假人所处环境中的饱和蒸气压，kPa；A是暖体假人皮肤表面积，m2；
是暖体假人发汗速率，通过实验前后质量差除以出汗时间得到，g/s；λ是蒸馏水在假人皮肤温度下的汽化潜热，J/g；
计算服装动态热阻和湿阻，其计算公式为：
It，R＝It·exp[-0.281·(v-0.15)+0.44·(v-0.15)2-0.492·vw+0.176·vw 2]
Ret,R＝Ret·exp[-0.468·(v-0.15)+0.08·(v-0.15)2-0.874·vw+0.358·vw 2]
其中It，R和It分别是考虑人体移动和风速影响的修正服装热阻和稳态环境下的服装热阻，m2﹒K/W； Ret，R和Ret分别是考虑人体移动和风速影响的动态修正服装湿阻和稳态环境下的服装湿阻，Pa﹒m2/W；v和vw分别是环境风速和人体移动速度，m/s；
将计算的服装热阻和湿阻数据存储建立服装动态热湿阻数据库，提供人体冷应激分区精细预测模型计算所使用的服装参数。
4.根据权利要求1所述的低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***，其特征在于：所述人体冷应激分区精细预测模型模块建立过程包括：
将人体血管分为多段，将动静脉段视为具有粘弹性和惯性的薄壁圆柱形管道的基本计算单元，通过求解该单元中血压和血流满足的Navier Stokes方程，可求得血压和血流脉动的传播特性，包括动静脉血液对流换热系数、血流灌注率和血液流量；
将人体根据几何机构分为多个部分，每个身体部分包括核心层、肌肉层、动脉层、静脉层、脂肪层和皮肤层共计六层，体内传热方式为导热、对流和血流灌注，体外传热方式为对流、辐射和蒸发散热，每个身体部分以对流、辐射和蒸发散热的方式通过服装与环境进行热交换，每个身体部分每层分区都有各自的热平衡方程，通过人体多段血管模型求得各血管血流参数，然后代入到人体各部分各分区热平衡方程中进行求解，即可得到各个节点的温度，其中包括核心温度以及局部皮肤温度，将各部位局部皮肤温度进行加权求平均值，即可得到平均皮肤温度，实现人体冷应激分区精细预测模型模块的建立。
5.根据权利要求1所述的低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***，其特征在于：所述人体冷应激分区精细预测模型模块将人体血管分为包括主要的128段动静脉和十根手指以及十根脚趾处的血管，共计148段。
6.根据权利要求1所述的低温作业环境下人体冷应激精细分级评估***，其特征在于：所述人体冷应激分区精细预测模型模块将人体根据几何机构分为39个部分，包括头部、胸部、腹部、背部、腰部、左臀、右臀、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、左手大拇指、右手大拇指、左手食指、右手食指、左手中指、右手中指、左手无名指、右手无名指、左手小拇指、右手小拇指、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左脚、右脚、左脚大脚拇趾、右脚大脚拇趾、左脚二脚拇趾、右脚二脚拇趾、左脚中脚姆趾、右脚中脚姆趾、左脚脚无名趾、右脚脚无名趾、左脚小脚拇趾以及右脚小脚拇趾。
7.一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)实验测量不同劳动强度及不同劳动类型的人体代谢率以及不同种类工作服动态热阻和湿阻的服装参数，分别建立人体代谢率数据库模块和服装动态热湿阻数据库模块；
(2)将人体分区多节点模型和人体多段血管模型进行耦合，建立低温作业环境下的人体内部热量传递过程以及与环境之间的热量传递过程关系，根据人体及环境的相关参数作为人体分区多节点模型和人体多段血管模型的输入，得到输出值为人体核心温度、局部皮肤温度以及平均皮肤温度，其中人体平均皮肤温度由人体各部位皮肤温度加权计算；其中，
每个身体部分每层分区的热平衡方程原理为总热量的变化量等于产生的热量和与相邻层交换热量之和，不同层区产热方式及换热方式不同，热平衡方程形式也会有一定差异，但原理相同；
其中核心层各部分人体热平衡方程为：
肌肉层各部分人体热平衡方程为：
脂肪层各部分人体热平衡方程为：
皮肤层各部分人体热平衡方程为：
动脉层各部分人体热平衡方程为：
静脉层各部分人体热平衡方程为：
上式中Ccr是核心层热容，α值在胸部取1在其他部位取0，W表示人体做功，Qres表示呼吸散热量，h(t)表示动脉血流对流换热系数，hmean表示静脉血流对流换热系数，mperfusion，total表示进入该部位的总血流灌注率，Aartery和Avein分别表示动静脉截面积，Mcr表示基础代谢产热量，Mshiv表示冷颤增加的人体代谢产热量；cbl表示血液比热，Cmuscle表示肌肉层热容，Cfat表示脂肪层热容，Csk表示皮肤层热容，hc表示皮肤与外界的对流换热系数，hr表示辐射换热系数，he表示蒸发换热系数，T∞表示周围环境温度，Tbl，a表示动脉温度，Tbl，v表示静脉温度，P∞表示环境气压，Psk表示皮肤表面蒸汽压，ma表示进入该段动脉总流量，mv表示进入该段静脉的总流量；
通过人体多段血管模型求得各血管血流参数，该血管血流参数包括mperfusion，total、h(t)、hmean、ma和mv，然后代入到人体各部分各分区热平衡方程中，即可得到各个节点的温度，其中包括核心温度以及局部皮肤温度，将各部位局部皮肤温度进行加权求平均值，即可得到平均皮肤温度；
(3)将人体核心温度、局部皮肤温度和平均温度与冷应激分级阈值进行比较，得到不同冷应激阶段的响应等级并输出。
8.根据权利要求7所述的低温作业环境下人体冷应激精细分级评估方法，其特征在于：所述步骤(2)中人体分区多节点模型包括多个身体部分，每个身体部分包括核心层、肌肉层、动脉层、静脉层、脂肪层以及皮肤层共计六层；体内传热方式为导热、对流和血流灌注；体外传热方式为对流、辐射和蒸发散热；每个身体部分以对流、辐射和蒸发散热的方式通过服装与环境进行热交换，每个身体部分每层分区都有各自的热平衡方程，通过多段血管模型求得各血管血流参数，然后代入到人体各部分各分区热平衡方程中进行求解，即可得到各个节点的温度，其中包括核心温度以及局部皮肤温度，将各部位局部皮肤温度进行加权求平均值，即可得到平均皮肤温度。
9.根据权利要求7所述的低温作业环境下人体冷应激精细分级评估方法，其特征在于：所述步骤(2)中人体分区多节点模型为人体根据几何机构分为39个部分，包括头部、胸部、腹部、背部、腰部、左臀、右臀、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、左手大拇指、右手大拇指、左手食指、右手食指、左手中指、右手中指、左手无名指、右手无名指、左手小拇指、右手小拇指、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左脚、右脚、左脚大脚拇趾、右脚大脚拇趾、左脚二脚拇趾、右脚二脚拇趾、左脚中脚姆趾、右脚中脚姆趾、左脚脚无名趾、右脚脚无名趾、左脚小脚拇趾以及右脚小脚拇趾；
所述步骤(2)中的人体多段血管模型为包括人体主要的128段动静脉和十根手指及十根脚趾的血管共计148段血管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811238762.XA CN110175732B (zh) | 2018-10-23 | 2018-10-23 | 一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811238762.XA CN110175732B (zh) | 2018-10-23 | 2018-10-23 | 一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估*** |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110175732A CN110175732A (zh) | 2019-08-27 |
| CN110175732B true CN110175732B (zh) | 2021-07-30 |
Family
ID=67689050
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811238762.XA Active CN110175732B (zh) | 2018-10-23 | 2018-10-23 | 一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估*** |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110175732B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114431947A (zh) * | 2020-10-30 | 2022-05-06 | 上海微创惟美医疗科技(集团)有限公司 | 冷冻减脂装置及可读存储介质 |
| CN113782203B (zh) * | 2021-09-13 | 2022-05-20 | 中国矿业大学(北京) | 一种作业人员热伤害就地实时预警装置及方法 |
| CN114528776B (zh) * | 2022-01-11 | 2023-02-07 | 苏州大学 | 着装舒适性的判断方法及实现着装舒适的服装选择方法 |
| CN114564843B (zh) * | 2022-03-02 | 2024-04-05 | 清华大学合肥公共安全研究院 | 一种低温环境下运动人员热反应模拟计算*** |
| CN115717909B (zh) * | 2022-11-17 | 2023-06-13 | 复旦大学 | 一种面向热害职业危害的健康智能监测方法、设备及存储介质 |
| CN116910482B (zh) * | 2023-08-08 | 2024-05-28 | 雅莹集团股份有限公司 | 预测羽绒服防寒温度的方法及其*** |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106018677A (zh) * | 2016-05-04 | 2016-10-12 | 清华大学合肥公共安全研究院 | 一种高温环境下人体热应激分级评估*** |
| CN106446530A (zh) * | 2016-09-05 | 2017-02-22 | 中山大学 | 一种基于人体运动热生理的仿真风险评估方法及其*** |
| CN107121451A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-09-01 | 清华大学 | 出汗暖体假人与人体热反应模型的耦合***及耦合方法 |
| CN107220417A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-09-29 | 清华大学 | Cfd与人体热反应模型的耦合***及耦合方法 |
| CN108647400A (zh) * | 2018-04-18 | 2018-10-12 | 华南理工大学 | 一种多尺度框架下的热物理传输数值仿真方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102011077522A1 (de) * | 2011-06-15 | 2012-12-20 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der thermischen Behaglichkeit |
-
2018
- 2018-10-23 CN CN201811238762.XA patent/CN110175732B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106018677A (zh) * | 2016-05-04 | 2016-10-12 | 清华大学合肥公共安全研究院 | 一种高温环境下人体热应激分级评估*** |
| CN106446530A (zh) * | 2016-09-05 | 2017-02-22 | 中山大学 | 一种基于人体运动热生理的仿真风险评估方法及其*** |
| CN107121451A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-09-01 | 清华大学 | 出汗暖体假人与人体热反应模型的耦合***及耦合方法 |
| CN107220417A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-09-29 | 清华大学 | Cfd与人体热反应模型的耦合***及耦合方法 |
| CN108647400A (zh) * | 2018-04-18 | 2018-10-12 | 华南理工大学 | 一种多尺度框架下的热物理传输数值仿真方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| "Thermophysiological models and their applications: A review";KatarinaKatić等;《Building and Environment》;20160930;第106卷;全文 * |
| "基于暖体假人的低温灾害模拟实验***设计";韩雪峰等;《实验室研究与探索》;20120731;全文 * |
| JanPokorný等."Verification of Fiala-based human thermophysiological model and its application to protective clothing under high metabolic rates".《Building and Environment》.2017,第126卷 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110175732A (zh) | 2019-08-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110175732B (zh) | 一种低温作业环境下人体冷应激精细分级评估*** | |
| Presti et al. | Smart textile based on 12 fiber Bragg gratings array for vital signs monitoring | |
| JP6675552B2 (ja) | 深部体温推定装置、その方法及びプログラム | |
| CN106018677B (zh) | 一种高温环境下人体热应激分级评估*** | |
| Wyndham | Effect of acclimatization on circulatory responses to high environmental temperatures | |
| Konarska et al. | Comparative evaluation of clothing thermal insulation measured on a thermal manikin and on volunteers | |
| Ma et al. | A human thermoregulation model for the Chinese elderly | |
| Kim et al. | Application of thermoregulatory modeling to predict core and skin temperatures in firefighters | |
| CN107050692A (zh) | 一种消防智能服装 | |
| US20180153463A1 (en) | Wrist device and arrangement for measuring and testing performance | |
| WO2012120298A1 (en) | Method and apparatus for monitoring a subject during exercise | |
| Montgomery | A model of heat transfer in immersed man | |
| Kenney et al. | Psychrometric limits and critical evaporative coefficients for unacclimated men and women | |
| Kenney et al. | Comparative physiological responses of normotensive and essentially hypertensive men to exercise in the heat | |
| Wu et al. | A multi-segmented human bioheat model for cold and extremely cold exposures | |
| Wolff et al. | Heat exchanges in wet suits | |
| Price et al. | Thermoregulatory responses during prolonged upper body exercise in cool and warm conditions | |
| CN109350069A (zh) | 一种通过负荷心率推算青少年日常活动摄氧量和运动强度的方法 | |
| Hamatani et al. | Real-time calibration of a human thermal model with solar radiation using wearable sensors | |
| Weng et al. | Human Thermoregulation and Injury Evaluation in Fire Environments: A Review | |
| Goto et al. | Development of new human thermal model based on blood flow rate measurements under different temperature conditions | |
| CN114564843B (zh) | 一种低温环境下运动人员热反应模拟计算*** | |
| Wang | Human Wear Trials for Assessing Comfort Performance of Firefighter Protective Clothing | |
| Chithramol et al. | Review on modelling approaches of thermoregulation mechanisms | |
| Kimura et al. | Mathematical model to estimate the increase in firefighters’ core temperature during firefighting activity with a portable calorimeter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |