CN108981799B - 一种便携式低温环境参数监测预警装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种便携式低温环境参数监测预警装置及方法，包括采集单元、控制单元、预警单元和电源单元，所述采集单元包括分别与控制单元信号连接的大气压参数采集模块、氧气参数采集模块、风速参数采集模块、GPS模块、温度参数采集模块、湿度参数采集模块，通过监测多种环境参数并计算应急救援及抢险作业人员在极端低温环境下的风冷温度、所需服装热阻及耐受时间等特殊参数，对人员所受风险进行分级预警，极大地提高了应急救援及抢险作业人员在低温环境中进行作业时的安全性。

Description

一种便携式低温环境参数监测预警装置及方法

技术领域

本发明属于公共安全技术领域，尤其是涉及一种便携式低温环境参数监测预警装置及方法。

背景技术

保障应急救援及抢险作业人员的生命健康和安全，并研发性能可靠和系统化的应急技术装备，对应急救援及抢险作业人员所处低温冷环境进行实时监测，并记录数据信息，从而进行有效预警尤为重要。

目前，市面上销售的环境监测仪大多只能监测一种或者少数几种环境参数，那么当应急救援及抢险作业人员需要监测所处环境中的多种环境参数时，还需携带多个环境监测仪，对于应急场景中的抢险救援人员来说非常不便，用户体验较差。而且，对于应急救援及抢险作业人员在极端低温冷环境中的风冷温度(wind chill temperature，T_wc)、耐受时间(duration limited exposure，D_lim)和所需服装热阻(required clothing insulation，IREQ)等特殊参数进行测量并进一步进行有效预警的设备在市面上还没有出现，因此，设计一种便携式低温环境参数监测预警装置对应急救援及抢险作业人员开展抢险救援工作具有重要的应用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种便携式低温环境参数监测预警装置及方法，以实现同时监测低温冷环境中的多个环境参数，为应急救援及抢险作业人员进行有效预警的同时，避免了救援人员携带不同类型的环境监测设备，为救援人员的出行提供了便捷，而且也为研发性能可靠和系统化应急技术装备提供了数据支撑。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种便携式低温环境参数监测预警装置，包括壳体、采集单元、控制单元、预警单元和电源单元；

所述采集单元固定在壳体表面，包括分别与控制单元信号连接的大气压参数采集模块、氧气参数采集模块、风速参数采集模块、GPS模块、温度参数采集模块和湿度参数采集模块；

所述预警单元固定在壳体上，该预警单元与所述控制单元信号连接；

所述电源单元和控制单元位于所述壳体内，该电源单元与所述控制单元和预警单元电连接。

进一步的，所述便携式低温环境参数监测预警装置还包括无线通信单元，所述无线通信单元与所述控制单元信号连接。

进一步的，所述壳体上设有USB充电接口，该USB充电接口与所述电源单元信号连接。

进一步的，所述预警单元包括警示灯和蜂鸣器，所述警示灯与蜂鸣器均与控制单元信号连接。

进一步的，所述便携式低温环境参数监测预警装置还包括存储单元，所述存储单元位于所述壳体内，该存储单元与所述控制单元信号连接。

进一步的，所述便携式低温环境参数监测预警装置还包括显示单元，所述显示单元固定在所述壳体的前端面上，该显示单元与所述控制单元信号连接。

进一步的，所述壳体的上端开设有多个采集通孔，所述大气压参数采集模块、氧气参数采集模块、风速参数采集模块、温度参数采集模块和湿度参数采集模块分别通过一弹性密封垫嵌插在所述采集通孔内。

进一步的，所述壳体的上端安装有一盖板，该盖板呈长方形状，该盖板长边的一侧固定在所述壳体上端的后侧，其长边的另一侧斜向上倾斜，且该长边的另一侧边沿与所述壳体上端的前侧在同一竖直平面内。

进一步的，所述盖板与壳体上端面之间的夹角在30度到60度之间。

进一步的，所述壳体的后侧设有一夹持板。

进一步对，所述壳体的下端固设有一手持柄，该手持柄的表面设有波纹状曲面凸起。

进一步的，所述大气压参数采集模块采用MSP5611传感器。

进一步的，所述氧气参数采集模块采用ZE03传感器。

进一步的，所述风速参数采集模块采用STF30D传感器。

进一步的，所述GPS模块采用UBLOX7020芯片。

进一步的，所述温度参数采集模块、湿度参数采集模块采用SHT11二合一传感器。

进一步的，所述控制单元采用STM32F103ZET6芯片。

一种基于上述便携式低温环境参数监测预警装置的预警方法，包括以下步骤：

(1)在应急救援及抢险作业人员开始工作前，开启便携式低温环境参数监测预警装置；

(2)便携式低温环境参数监测预警装置中的控制单元3提示采集单元开始采集环境参数，包括大气压值、氧气浓度值、风速值、应急救援及抢险人员所处位置的坐标值、温度值和湿度值，且控制单元对采集到的环境参数进行分析处理；

(3)所述控制单元对温度值进行判断，根据GB/T14440-93(1994)《低温作业分级》中的规定，工作地点环境温度小于或等于5摄氏度的作业为低温作业，因此，若外部环境温度值小于等于5摄氏度，则执行步骤(4)，若大于5摄氏度，则继续执行步骤(2)中的环境参数采集步骤；

(4)所述控制单元根据应急救援及抢险人员所处位置的坐标值确定人员的实时移动速度，然后根据所有环境参数依次求取风冷温度及救援人员在所处环境的耐受时间，并根据计算所得的风冷温度及耐受时间与风冷温度风险分级数据及耐受时间风险分级数据进行对比确定风险等级范围，进而控制预警装置进行相应等级预警提示，并返回步骤(2)，直至救援工作结束。

进一步的，所述步骤(4)中控制单元在控制预警装置进行相应等级预警提示时，该相应等级为控制单元选取的所述风冷温度风险等级和耐受时间风险等级中等级较高的一个。

进一步的，所述预警提示包括指示灯预警和蜂鸣器预警。

进一步的，所述步骤(4)中风冷温度的计算公式为：

T_wc＝13.12+0.62154·t_a-11.37(1.5·v_a)^0.16-0.3965·t_a(1.5·v_a)^0.16 (a)

式中：t_a为环境温度，℃；v_a为风速，m/s。

进一步的，所述步骤(4)中耐受时间的计算包括以下步骤：

(a1)所述控制单元根据获取的人员移动速度求取应急救援及抢险作业人员的代谢率数值；

(a2)所述控制单元根据获取的环境温度、湿度、风速、人员移动速度及新陈代谢率求取应急救援及抢险作业人员所需服装热阻值；

(a3)所述控制单元根据当前季节类型确定应急救援及抢险作业人员所穿服装的现有热阻值；并与步骤(a2)中的所需服装热阻值进行对比，若小于所需服装热阻值，则执行步骤(a4),若大于所需服装热阻值，则输出无风险；

(a4)所述控制单元根据确定的已有服装热阻、环境温度、湿度、风速、人员移动速度及新陈代谢率等参数求取应急救援及抢险作业人员在所处环境中的耐受时间。

进一步的，所述步骤(a1)中应急救援及抢险作业人员身体新陈代谢率的计算包括以下步骤:

(a11)移动速度非0时，利用最小二乘法建立代谢率M与人员移动速度v_w之间的线性模型，模型获取方法如下：

(s1)线性模型设定为M＝a*v_w+b (b₀)

式中，v_w为人员移动速度，m/s；

(s2)代谢率利用实验精确获得，即：

选择多名受试者，在室温环境下运动，并逐渐增大受试者运动强度，在这个过程中每隔30s收集受试者呼出的气体，并测量呼出气体的体积、温度，采集气体时间，氧气百分数等，利用公式：

精确计算受试者的代谢率数值。

式中，P为大气压，单位为kPa；P_H2O为饱和水蒸气的分压，单位为kPa；V_ex为呼出气体体积，单位为L；T_ex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；W_b为受试人员体重，单位为kg；H_b为受试人员身高，单位为m；F_O2为呼出气体中氧气占的百分数；

(s3)将公式(c)代入公式(b₀)获得系数a及常数b，即可获得根据移动速度计算代谢率的线性公式：

M＝192.3v_w+65 (b)

式中，v_w为人员移动速度，m/s；

(a12)由于应急救援与抢险作业人员有时存在非移动状态作业，即移动速度为0，但代谢率较大，此时可由代谢率程度平均值确定，即根据脚部静止的状态下各种工作模式的代谢率分类，取中等新陈代谢率与高等新陈代谢率的平均值，即为198W/m²。

进一步的，所述步骤(a2)中的服装热阻值的计算采用服装需求热阻IREQ模型，包括以下步骤：

(a21)设定IREQ模型的常数参量，即皮肤潮湿因数ω＝0.06，对外做功W＝0W/m²，服装外层空气渗透指数p＝8L/m^-2/s^-1，DuBios皮肤面积系数A_Du＝0.77，Q的极限值Q_lim＝144KJ/m²，Stcfan-Boltzmann常数σ＝5.67E-8W/m²/K⁴，服装发射率ε_cl＝0.97；

设定IREQ模型相关参数的初值，即所需服装热阻IREQ＝0.5clo，辐射传热系数hr＝3W/m²/K⁴，身体储热率S＝-40W/m²。

(a22)计算服装基本参量：I_a，I_cl，基本计算公式为：

I_cl＝0.155·I_cl (e)

式中，I_a为基本服装热阻，clo；I_cl为服装热阻，clo。

(a23)计算皮肤平均温度T_sk，℃；确定皮肤潮湿因数ω，基本计算式为：

T_sk＝35.7-0.0285·M (f)

ω＝0.001·M (g)

式(f)中可在式(c)的代谢率与移动速度之间线性模型实验中多测量一项实验人员多处皮肤的温度，进而获得实验人员的皮肤平均温度，进而由式(c)计算所得代谢率及实验所得皮肤平均温度，得到皮肤平均温度与代谢率之间的线性公式(f)。

(a24)计算呼出空气温度t_ex，℃；及其饱和水蒸气压力p_ex，kPa；水蒸气分压p_a，kPa；皮肤表面饱和水蒸气压力p_sk,s，kPa；基本计算式为：

t_ex＝29+0.2t_a (h)

式中，Rh为环境相对湿度，％。

(a25)计算服装面积因数f_cl，无量纲；服装和界面空气层的总湿阻R_e,T，m²·kPa·W^-1；辐射传热系数h_r，W·m^-2·K^-1；对流传热系数，h_c，W·m^-2·K^-1；基本计算式为：

f_cl＝1.0+1.97IREQ (l)

R_e,T＝0.16(I_a+IREQ) (m)

t_r为辐射温度，取值与环境温度相同。

(a26)计算蒸发热交换E，W/m²；辐射热交换R，W/m²；对流热交换C，W/m²；基本计算式为：

E＝w·(p_sk，s-p_a)/R_e，T (p)

R＝f_cl·h_r·(t_cl-t_r) (q)

R＝f_cl·h_r·(t_cl-t_r) (r)

(a27)计算呼吸道热损失H_res，W/m²；服装表面温度t_cl，℃；基本计算式为：

C_res＝0.0014·M(t_ex-t_a) (s)

E_res＝0.0173·M(P_ex-P_a) (t)

H_res＝E_res+C_res (u)

t_cl＝T_sk-IREQ·(M-W-E_res-C_res-E) (v)

式中：C_res为对流热损失，W/m²；E_res为蒸发热损失，W/m²；

(a28)计算服装需求热阻IREQ，clo；

IREQ根据人体与环境热交换合理分析进行计算。热平衡方程式为：

M-W＝E_res+C_res+E+K+R+C+S (w)

热平衡方程左侧代表内部产生的热量，热平衡方程右侧代表热交换总和，包括：呼吸道交换热，皮肤热交换和身体储存热量等；

通过服装发生的热交换

在稳态条件下，假设热流量与传导热有关，服装需求热阻(IREQ)计算公式如下：

将步骤(a22)至步骤(a27)中各式代入上述公式得：

将所需服装热阻、辐射传热系数设定的初始值及环境温度、湿度、风速、人员移动速度、代谢率等值代入模型公式，通过迭代计算可得到服装需求热阻IREQ。

进一步的，所述步骤(a3)中现有服装热阻的确定方法为根据季节及典型全套工作服种类对应服装热阻值来进行确定，所述控制单元对当前日期进行判断，若为冬至日(12月22日)之前，现有服装热阻值取1.4clo；若为冬至日至1月15日之间，现有服装热阻值取2.0clo；若为1月15日至1月31日之间，现有服装热阻取2.55clo；若为2月1日至春分日(3月21日)之间，现有服装热阻值取2.0clo；春分日之后，现有服装热阻值取1.4clo。

进一步的，所述步骤(a4)中耐受时间的计算公式为：

其中，Q_lim是Q的极限值，一般取144kJ/m²，

身体储热率S的计算公式如下：

S＝M-W-H_res-E-R-C (z2)

式中包含未知量t_cl。因此，通过数学代换计算得到

t_cl＝T_sk-I_cl(M-W-H_res-E-S) (z3)

结合IREQ模型可得，

将身体储热率初值及相关参数代入上述模型公式，通过迭代计算可得到应急救援及抢险作业人员在极端低温冷环境中的耐受时间D_lim。

相对于现有技术，本发明所述的便携式低温环境参数监测预警装置及方法具有以下优势：

(1)本发明所述的便携式低温环境参数监测预警装置及方法，可同时对多个环境参数进行监测，显示单元显示当前外部环境的大气压、氧气浓度、温度、相对湿度、风冷温度以及应急救援及抢险作业人员的移动速度、所需服装热阻和耐受时间等参数，可为使用者在极端低温环境下的暴露时间提供参考，并根据风冷温度和耐受时间的不同风险等级进行预警，极大地提高了应急救援及抢险作业人员在极端低温冷环境下的安全性，同时能为应急技术装备的研发提供数据支撑，使用者无需携带不同类型的环境监测仪，为应急救援及抢险作业人员提供了便捷，提高了用户体验。

(2)本发明所述的便携式低温环境参数监测预警装置及方法，在计算代谢率与移动速度之间的线性关系、人体皮肤平均温度与代谢率之间的线性关系时，均通过选取多个中国健康男性进行实验，得出代谢率数据，提高了该计算结果针对中国人种的适应性，提高了针对中国人种计算的精确性。

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便携式低温环境参数监测预警装置结构图；

图2为本发明实施例所述的便携式低温环境参数监测预警装置及方法的原理示意图；

图3为本发明实施例所述的便携式低温环境参数监测预警装置及方法的工作流程示意图。

附图标记说明：

1-壳体；2-采集单元；21-大气压参数采集模块；22-氧气参数采集模块；23-风速参数采集模块；24-GPS模块；25-温度参数采集模块；26-湿度参数采集模块；3-控制单元；4-预警单元；5-电源单元；6-无线通信单元；7-USB接口；8-存储单元；9-显示单元；10-盖板；11-手持柄。

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。

一种便携式低温环境参数监测预警装置，包括壳体1、采集单元2、控制单元3、预警单元4和电源单元5；

采集单元2固定在壳体1表面，包括分别与控制单元3信号连接的大气压参数采集模块21、氧气参数采集模块22、风速参数采集模块23、GPS模块24、温度参数采集模块25和湿度参数采集模块26；

大气压参数采集模块，用于采集外部环境中的大气压值；氧气参数采集模块，用于采集外部环境中的氧气含量值；风速参数采集模块，用于采集外部环境中的风速(空气流速)值；GPS模块，用于采集应急救援及抢险人员所处空间点的坐标值并确定人员的实时移动速度；温度参数采集模块，用于采集外部环境中的温度值；湿度参数采集模块，用于采集外部环境中的相对湿度值。

预警单元4固定在壳体1上，该预警单元4与控制单元3信号连接；

电源单元5和控制单元3位于壳体1内，该电源单元5与控制单元3和预警单元4电连接。

电源单元；用于对所述控制单元进行供电，中，所述电源单元可采用现有技术中续航能力强、低功耗的可充电电池。

便携式低温环境参数监测预警装置还包括无线通信单元6，无线通信单元6与控制单元3信号连接，该无线通信单元可将控制单元接收到的环境参数及计算所得数据传输至外部终端。

外部终端可以是手机、计算机、笔记本电脑、平板电脑等等，但并不局限于列出的这几种。当控制单元获取到采集模块采集的至少两种环境参数值后，无线通信单元可通过无线保真(Wlreless-Fldelity，WIFI)通讯方式将获取到的环境参数值同步传输至相应的终端上，从而实现对所述外部环境的远程同步监测。

壳体1上设有USB充电接口7，该USB充电接口7与电源单元5信号连接，用于通过从外部输入的供电电压对所述电源单元进行充电。

当电源单元采用可充电电池时，可设置有与该电源单元相连的USB充电接口，这样，当电源单元的电量不足时，该USB充电接口可连接外部的市电220V，从而对电源单元进行充电，进而保证控制单元能够正常工作。

预警单元4包括警示灯41和蜂鸣器，警示灯41与蜂鸣器均与控制单元3信号连接。

便携式低温环境参数监测预警装置还包括存储单元8，存储单元8位于壳体1内，该存储单元8与控制单元3信号连接，用于存储所述控制单元获取到的外部环境参数值。

其中，存储单元可采用SD卡，通过设置SD卡卡槽，然后将SD卡安装在设置的SD卡卡槽中。那么当控制单元获取到外部环境参数值后，可将该环境参数值存储至该SD卡中，以便于后续查询使用。

便携式低温环境参数监测预警装置还包括显示单元9，显示单元9固定在壳体1的前端面上，该显示单元9与控制单元3信号连接，用于显示所述控制单元获取到的所述外部环境参数值及计算得出的特殊参数值，还包括“上”、“下”两个切换按键，用于对显示的参数进行切换。

值的说明的是，显示单元还可显示当前的日期、WIFI是否连接正常以及电源单元的剩电量等等。

壳体1的上端开设有多个采集通孔，大气压参数采集模块21、氧气参数采集模块22、风速参数采集模块23、温度参数采集模块25和湿度参数采集模块26分别通过一弹性密封垫嵌插在采集通孔内。

壳体1的上端安装有一盖板10，该盖板10呈长方形状，该盖板10长边的一侧固定在壳体1上端的后侧，其长边的另一侧斜向上倾斜，且该长边的另一侧边沿与壳体1上端的前侧在同一竖直平面内。

盖板10与壳体1上端面之间的夹角在30度到60度之间。

壳体1的后侧设有一夹持板。

进一步对，壳体1的下端固设有一手持柄11，该手持柄11的表面设有波纹状曲面凸起。

大气压参数采集模块21采用MSP5611传感器。

氧气参数采集模块22采用ZE03传感器。

风速参数采集模块23采用STF30D传感器。

GPS模块24采用UBLOX7020芯片。

温度参数采集模块25、湿度参数采集模块26采用SHT11二合一传感器。

控制单元3采用STM32F103ZET6芯片。

本发明所述的便携式低温环境参数监测预警装置工作流程如下：

首先，采集单元采集外部环境中的环境参数值；

然后，制单元获取所述采集模块采集到所述外部环境参数值，并由此计算应急救援及抢险作业人员在所述外部环境中的风冷温度、所需服装热阻及耐受时间的数值；

再然后，控制单元将所述风冷温度或耐受时间的数值于预设的不同风险等级对应的阈值范围进行对比，判断任一参数的数值是否在风险数值范围内，如果是，则执行步骤404，否则，结束当前流程，指示灯显示绿色。

最后，控制单元控制预警单元进行相应等级的指示灯预警，并伴有蜂鸣声提示：若为一级风险，则进行蓝色预警；若为二级风险，则进行黄色预警；若为三级风险，则进行橙色预警；若为四级风险，则进行红色预警。

一种基于上述便携式低温环境参数监测预警装置的预警方法，包括以下步骤：

(1)在应急救援及抢险作业人员开始工作前，开启便携式低温环境参数监测预警装置；

(2)控制单元3提示采集单元开始采集参数，即大气压参数采集模块21采集外部环境中的大气压值，氧气参数采集模块22采集外部环境中的氧气浓度值，风速参数采集模块23采集外部环境中的风速值，GPS模块24采集应急救援及抢险人员所处位置的坐标值，温度参数采集模块25采集外部环境中的温度值，湿度参数采集模块26采集外部环境中的湿度值，且控制单元3对采集到的环境参数进行分析处理；

(3)控制单元3对温度参数采集模块25采集的外部环境温度值进行判断，根据GB/T14440-93(1994)《低温作业分级》中的规定，工作地点环境温度小于或等于5摄氏度的作业为低温作业，因此，若外部环境温度值小于等于5摄氏度，则执行步骤(4)，若大于5摄氏度，则继续执行步骤(2)中的环境参数采集步骤；

(4)控制单元3根据根据GPS模块24采集到的坐标值确定人员的实时移动速度，然后根据所有环境参数依次求取风冷温度及救援人员在所处环境的耐受时间，并根据计算所得的风冷温度及耐受时间与风冷温度风险分级数据及耐受时间风险分级数据进行对比确定风险等级范围，进而控制预警装置进行相应等级预警提示，并返回步骤(2)，直至救援工作结束。

步骤(4)中控制单元3在控制预警装置进行相应等级预警提示时，该相应等级为控制单元3选取的风冷温度风险等级和耐受时间风险等级中等级较高的一个。

预警提示包括指示灯预警和蜂鸣器预警。

步骤(4)中风冷温度的计算公式为：

T_wc＝13.12+0.62154·t_a-11.37(1.5·v_a)^0.16-0.3965·t_a(1.5·v_a)^0.16 (a)

式中：t_a为环境温度，℃；v_a为风速，m/s。

而风冷温度风险分级数据如下方表1：

表1风冷温度风险分级

公式(a)计算所得风冷温度经与该表对比得出风冷温度风险等级。

步骤(4)中耐受时间的计算包括以下步骤：

(a1)控制单元3根据获取的人员移动速度求取应急救援及抢险作业人员的代谢率数值；

(a2)控制单元3根据获取的环境温度、湿度、风速、人员移动速度及新陈代谢率求取应急救援及抢险作业人员所需服装热阻值；

(a3)控制单元3根据当前季节类型确定应急救援及抢险作业人员所穿服装的现有热阻值；并与步骤(a2)中的所需服装热阻值进行对比，若小于所需服装热阻值，则执行步骤(a4),若大于所需服装热阻值，则输出无风险；

(a4)控制单元3根据确定的已有服装热阻、环境温度、湿度、风速、人员移动速度及新陈代谢率等参数求取应急救援及抢险作业人员在所处环境中的耐受时间。

步骤(a1)中应急救援及抢险作业人员身体新陈代谢率的计算包括以下步骤:

(a11)移动速度非0时，利用最小二乘法建立代谢率M与人员移动速度v_w之间的线性模型，模型获取方法如下：

(s1)线性模型设定为M＝a*v_w+b (b₀)

式中，v_w为人员移动速度，m/s；

(s2)代谢率利用实验精确获得，即：

选择8名健康青年男性作为受试者，在室温环境下分别在跑步机上进行运动，逐渐提高跑步机速度，从而受试者劳动强度加大，在这个过程中每隔30s收集受试者呼出的气体，并测量呼出气体的体积、温度，采集气体时间，氧气百分数等，利用下列经验公式精确计算受试者的代谢率数值：

式中，P为大气压，kPa；为饱和水蒸气的分压，kPa；V_ex为呼出气体体积，L；T_ex为呼出气体的温度，℃；t为采集呼出气体时间，h；Wb为受试人员体重，kg；Hb为受试人员身高，m；F_O2为呼出气体中氧气占的百分数；

(s3)将公式(c)代入公式(b₀)获得系数a及常数b，即可获得根据移动速度计算代谢率的线性公式：

M＝192.3v_w+65 (b)

式中，v_w为人员移动速度，m/s；

(a12)由于应急救援与抢险作业人员有时存在非移动状态作业，即移动速度为0，但代谢率较大，此时可由代谢率程度平均值确定，即根据脚部静止的状态下各种工作模式的代谢率分类，取中等新陈代谢率与高等新陈代谢率的平均值，即为198W/m²，其中脚部静止的状态下各种工作模式的代谢率分类如下方表2：

表2新陈代谢率分类

步骤(a2)中的服装热阻值的计算采用服装需求热阻IREQ模型，包括以下步骤：

(a21)设定IREQ模型的常数参量，即皮肤潮湿因数ω＝0.06，对外做功W＝0W/m²，服装外层空气渗透指数p＝8L/m^-2/s^-1，DuBios皮肤面积系数A_Du＝0.77，Q的极限值Q_lim＝144KJ/m²，Stcfan-Boltzmann常数σ＝5.67E-8W/m²/K⁴，服装发射率ε_cl＝0.97，如下方表3所示：

表3 IREQ模型的设定常数

设定IREQ模型相关参数的初值，即所需服装热阻IREQ＝0.5clo，辐射传热系数hr＝3W/m²/K⁴，身体储热率S＝-40W/m²，如下方表4所示：

表4 IREQ模型的初值设定

(a22)计算服装基本参量：I_a，I_cl，基本计算公式为：

I_cl＝0.155·I_cl (e)

式中，I_a为基本服装热阻，clo；I_cl为服装热阻，clo。

(a23)计算皮肤平均温度T_sk，℃；确定皮肤潮湿因数ω，基本计算式为：

T_sk＝35.7-0.0285·M (f)

ω＝0.001·M (g)

式(f)中可在式(c)的代谢率与移动速度之间线性模型实验中多测量一项实验人员多处皮肤的温度，进而获得实验人员的皮肤平均温度，进而由式(c)计算所得代谢率及实验所得皮肤平均温度，得到皮肤平均温度与代谢率之间的线性公式(f)。

(a24)计算呼出空气温度t_ex，℃；及其饱和水蒸气压力p_ex，kPa；水蒸气分压p_a，kPa；皮肤表面饱和水蒸气压力p_sk,s，kPa；基本计算式为：

t_ex＝29+0.2t_a (h)

式中，Rh为环境相对湿度，％。

(a25)计算服装面积因数f_cl，无量纲；服装和界面空气层的总湿阻R_e,T，m²·kPa·W^-1；辐射传热系数h_r，W·m^-2·K^-1；对流传热系数，h_c，W·m^-2·K^-1；基本计算式为：

f_cl＝1.0+1.97IREQ (l)

R_e,T＝0.16(I_a+IREQ) (m)

t_r为辐射温度，取值与环境温度相同。

(a26)蒸发热交换E，W/m²；辐射热交换R，W/m²；对流热交换C，W/m²；基本计算式为：

E＝w·(p_sk，s-p_a)/R_e，T (p)

R＝f_cl·h_r·(t_cl-t_r) (q)

C＝f_cl·h_c·(t_cl-t_a) (r)

(a27)计算呼吸道热损失H_res，W/m²；服装表面温度t_cl，℃；基本计算式为：

C_res＝0.0014·M(t_ex-t_a) (s)

E_res＝0.0173·M(P_ex-P_a) (t)

H_res＝E_res+C_res (u)

t_cl＝T_sk-IREQ·(M-W-E_res-C_res-E) (v)

式中：C_res为对流热损失，W/m²；E_res为蒸发热损失，W/m²；

(a28)计算服装需求热阻IREQ，clo；

IREQ根据人体与环境热交换合理分析进行计算。热平衡方程式为：

M-W＝E_res+C_res+E+K+R+C+S (w)

热平衡方程左侧代表内部产生的热量，热平衡方程右侧代表热交换总和，包括：呼吸道交换热，皮肤热交换和身体储存热量等；

通过服装发生的热交换

在稳态条件下，假设热流量与传导热有关，服装需求热阻(IREQ)计算公式如下：

将步骤(a22)至步骤(a27)中各式代入上述公式得：

将所需服装热阻、辐射传热系数设定的初始值及环境温度、湿度、风速、人员移动速度、代谢率等值代入模型公式，通过迭代计算可得到服装需求热阻IREQ。

步骤(a3)中现有服装热阻的确定方法为根据季节及典型全套工作服种类对应服装热阻值来进行确定，控制单元3对当前日期进行判断，若为冬至日(12月22日)之前，现有服装热阻值取1.4clo；若为冬至日至1月15日之间，现有服装热阻值取2.0clo；若为1月15日至1月31日之间，现有服装热阻取2.55clo；若为2月1日至春分日(3月21日)之间，现有服装热阻值取2.0clo；春分日之后，现有服装热阻值取1.4clo，典型全套工作服装种类对应服装热阻值如下方表5所示：

表5典型全套工作服热阻

步骤(a4)中耐受时间的计算公式为：

其中，Q_lim是Q的极限值，一般取144kJ/m²，

身体储热率S的计算公式如下：

S＝M-W-H_res-E-R-C (z2)

式中包含未知量t_cl。因此，通过数学代换计算得到

t_cl＝T_sk-I_cl(M-W-H_res-E-S) (z3)

结合IREQ模型可得，

将身体储热率初值及相关参数代入上述模型公式，通过迭代计算可得到应急救援及抢险作业人员在极端低温冷环境中的耐受时间D_lim。

耐受时间分级数据如下方表6所示：

表6耐受时间风险分级

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)

1.一种基于便携式低温环境参数监测预警装置的预警方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在应急救援及抢险作业人员开始工作前，开启便携式低温环境参数监测预警装置；

(2)便携式低温环境参数监测预警装置中的控制单元(3)提示采集单元开始采集环境参数，包括大气压值、氧气浓度值、风速值、应急救援及抢险人员所处位置的坐标值、温度值和湿度值，且控制单元(3)对采集到的环境参数进行分析处理；

(3)所述控制单元(3)对温度值进行判断，根据GB/T14440-93(1994)《低温作业分级》中的规定，工作地点环境温度小于或等于5摄氏度的作业为低温作业，因此，若外部环境温度值小于等于5摄氏度，则执行步骤(4)，若大于5摄氏度，则继续执行步骤(2)中的环境参数采集步骤；

(4)所述控制单元(3)根据应急救援及抢险人员所处位置的坐标值确定人员的实时移动速度，然后根据所有环境参数依次求取风冷温度及救援人员在所处环境的耐受时间，并根据计算所得的风冷温度及耐受时间与风冷温度风险分级数据及耐受时间风险分级数据进行对比确定风险等级范围，进而控制预警装置进行相应等级预警提示，并返回步骤(2)，直至救援工作结束；

所述便携式低温环境参数监测预警装置，包括壳体(1)、采集单元(2)、控制单元(3)、预警单元(4)和电源单元(5)；

所述采集单元(2)固定在壳体(1)表面，包括分别与控制单元(3)信号连接的大气压参数采集模块(21)、氧气参数采集模块(22)、风速参数采集模块(23)、GPS模块(24)、温度参数采集模块(25)和湿度参数采集模块(26)；

所述预警单元(4)固定在壳体(1)上，该预警单元(4)与所述控制单元(3)信号连接；

所述电源单元(5)和控制单元(3)位于所述壳体(1)内，该电源单元(5)与所述控制单元(3)和预警单元(4)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于便携式低温环境参数监测预警装置的预警方法，其特征在于：所述壳体(1)的上端开设有多个采集通孔，所述大气压参数采集模块(21)、氧气参数采集模块(22)、风速参数采集模块(23)、温度参数采集模块(25)和湿度参数采集模块(26)分别通过一弹性密封垫嵌插在所述采集通孔内。

3.根据权利要求2所述的一种基于便携式低温环境参数监测预警装置的预警方法，其特征在于：所述壳体(1)的上端安装有一盖板(10)，该盖板(10)呈长方形状，该盖板(10)长边的一侧固定在所述壳体(1)上端的后侧，其长边的另一侧斜向上倾斜，且该长边的另一侧边沿与所述壳体(1)上端的前侧在同一竖直平面内。

4.根据权利要求1所述的一种基于便携式低温环境参数监测预警装置的预警方法，其特征在于：所述步骤(4)中风冷温度的计算公式为：

T_wc＝13.12+0.62154·t_a-11.37(1.5·v_a)^0.16-0.3965·t_a(1.5·v_a)^0.16 (a)

式中：t_a为环境温度，℃；v_a为风速，m/s。

5.根据权利要求4所述的一种基于便携式低温环境参数监测预警装置的预警方法，其特征在于：所述步骤(4)中耐受时间的计算包括以下步骤：

(a1)所述控制单元(3)根据获取的人员移动速度求取应急救援及抢险作业人员的代谢率数值；

(a2)所述控制单元(3)根据获取的环境温度、湿度、风速、人员移动速度及新陈代谢率求取应急救援及抢险作业人员所需服装热阻值；

(a3)所述控制单元(3)根据当前季节类型确定应急救援及抢险作业人员所穿服装的现有热阻值；并与步骤(a2)中的所需服装热阻值进行对比，若小于所需服装热阻值，则执行步骤(a4),若大于所需服装热阻值，则输出无风险；

(a4)所述控制单元(3)根据确定的已有服装热阻、环境温度、湿度、风速、人员移动速度及新陈代谢率参数求取应急救援及抢险作业人员在所处环境中的耐受时间。

6.根据权利要求5所述的一种基于便携式低温环境参数监测预警装置的预警方法，其特征在于：所述步骤(a1)中应急救援及抢险作业人员身体新陈代谢率的计算，包括以下步骤:

(a11)移动速度非0时，利用最小二乘法建立代谢率M与人员移动速度v_w之间的线性模型，模型获取方法如下：

(s1)线性模型设定为M＝a*v_w+b (b₀)

式中，v_w为人员移动速度，m/s；

(s2)代谢率利用实验精确获得，即：

选择多名受试者，在室温环境下运动，并逐渐增大受试者运动强度，在这个过程中每隔30s收集受试者呼出的气体，并测量呼出气体的体积、温度，采集气体时间，氧气百分数，利用公式：

精确计算受试者的代谢率数值；

式中，P为大气压，单位为kPa；P_H2O为饱和水蒸气的分压，单位为kPa；V_ex为呼出气体体积，单位为L；T_ex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；W_b为受试人员体重，单位为kg；H_b为受试人员身高，单位为m；F_O2为呼出气体中氧气占的百分数；

(s3)将公式(c)代入公式(b₀)获得系数a及常数b，即可获得根据移动速度计算代谢率的线性公式：

M＝192.3v_w+65 (b)

式中，v_w为人员移动速度，m/s；

(a12)移动速度为0时，M＝198W/m²。

7.根据权利要求6所述的一种基于便携式低温环境参数监测预警装置的预警方法，其特征在于：所述步骤(a2)中的服装热阻值的计算采用服装需求热阻IREQ模型，包括以下步骤：

(a21)设定IREQ模型的常数参量，即皮肤潮湿因数ω＝0.06，对外做功W＝0W/m²，服装外层空气渗透指数p＝8L/m^-2/s^-1，DuBios皮肤面积系数A_Du＝0.77，Q的极限值Q_lim＝144KJ/m²，Stcfan-Boltzmann常数σ＝5.67E-8W/m²/K⁴，服装发射率ε_cl＝0.97；

设定IREQ模型相关参数的初值，即所需服装热阻IREQ＝0.5clo，辐射传热系数hr＝3W/m²/K⁴，身体储热率S＝-40W/m²；

(a22)计算服装基本参量：I_a，I_cl，基本计算公式为：

I_cl＝0.155·I_cl (e)

式中，I_a为基本服装热阻，clo；I_c1为服装热阻，clo；

(a23)计算皮肤平均温度T_sk，℃；确定皮肤潮湿因数ω，基本计算式为：

T_sk＝35.7－0.0285·M (f)

ω＝0.001·M (g)

(a24)计算呼出空气温度t_ex，℃；及其饱和水蒸气压力p_ex，kPa；水蒸气分压p_a，kPa；皮肤表面饱和水蒸气压力p_sk，s，kPa；基本计算式为：

t_ex＝29+0.2t_a (h)

式中，Rh为环境相对湿度，％；

(a25)计算服装面积因数f_c1，无量纲；服装和界面空气层的总湿阻R_e，T，m²·kPa·W^-1；辐射传热系数h_r，W·m^-2·K^-1；对流传热系数，h_c，W·m^-2·K^-1；基本计算式为：

f_cl＝1.0+1.97IREQ (1)

R_e，T＝0.16(I_a+IREQ) (m)

t_r为辐射温度，取值与环境温度相同；

(a26)计算蒸发热交换E，W/m²；辐射热交换R，W/m²；对流热交换C，W/m²；基本计算式为：

E＝w·(p_sk，s-p_a)/R_e，T (p)

R＝f_cl·h_r·(t_cl－t_r) (q)

C＝f_cl·h_c·(t_cl-t_a) (r)

(a27)计算呼吸道热损失H_res，W/m²；服装表面温度t_c1，℃；基本计算式为：

C_res＝0.0014·M(t_ex-t_a) (s)

E_res＝0.0173·M(P_ex-P_a) (t)

H_res＝E_res+C_res (u)

t_cl＝T_sk-IREQ·(M-W-E_res-C_res-E) (v)

式中：C_res为对流热损失，W/m²；E_res为蒸发热损失，W/m²；

(a28)计算服装需求热阻IREQ，clo；

IREQ根据人体与环境热交换合理分析进行计算，热平衡方程式为：

M-W＝E_res+C_res+E+K+R+C+S (w)

热平衡方程左侧代表内部产生的热量，热平衡方程右侧代表热交换总和，包括：呼吸道交换热，皮肤热交换和身体储存热量；

通过服装发生的热交换

在稳态条件下，假设热流量与传导热有关，服装需求热阻(IREQ)计算公式如下：

将步骤(a22)至步骤(a27)中各式代入上述公式得：

将所需服装热阻、辐射传热系数设定的初始值及环境温度、湿度、风速、人员移动速度、代谢率值代入模型公式，通过迭代计算可得到服装需求热阻IREQ。

8.根据权利要求7所述的一种基于便携式低温环境参数监测预警装置的预警方法，其特征在于：所述步骤(a3)中现有服装热阻的确定方法为根据季节及典型全套工作服种类对应服装热阻值来进行确定，所述控制单元(3)对当前日期进行判断，若为冬至日之前，现有服装热阻值取1.4clo；若为冬至日至1月15日之间，现有服装热阻值取2.0clo；若为1月15日至1月31日之间，现有服装热阻取2.55clo；若为2月1日至春分日之间，现有服装热阻值取2.0clo；春分日之后，现有服装热阻值取1.4clo。

9.根据权利要求8所述的一种基于便携式低温环境参数监测预警装置的预警方法，其特征在于：所述步骤(a4)中耐受时间的计算公式为：

其中，Q_lim是Q的极限值，一般取144kJ/m²，

身体储热率S的计算公式如下：

S＝M-W-H_res-E-R-C (z2)

式中包含未知量t_cl，因此，通过数学代换计算得到

t_cl＝T_sk-I_cl(M-W-H_res-E-S)(z3)

结合IREQ模型可得，

将身体储热率初值及相关参数代入上述模型公式，通过迭代计算可得到应急救援及抢险作业人员在极端低温冷环境中的耐受时间D_lim。