CN109115281A - 一种极端高温作业环境快速监测预警装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种极端高温作业环境快速监测预警装置及方法，通过输入的作业人员个体因数和选择工作条件状况以及监测到的环境参数，包括体重值、身高值、可否正常饮水状况、环境风速、环境温度、环境湿度以及应急救援及抢险作业人员的移动速度等，来计算作业人员核心温度及总出汗量，进而计算作业人员在极端高温环境下的可接受最长暴露时间，并根据核心温度和总出汗量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高温环境下的安全性，同时能为应急技术装备的研发提供数据支撑，为应急救援及抢险作业人员提供了便捷，提高了用户体验。

Description

一种极端高温作业环境快速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，尤其是涉及一种极端高温作业环境快速监测预警装置及方法。

背景技术

消防员灭火救援、冶金采矿、夏季抢险作业等高温工作人员会长时间暴露在极端高温环境中，不仅显著降低工作效率，而且生命健康和安全会受到较大威胁。因此，为保障高温应急救援及抢险作业人员的生命健康和安全，研发性能可靠和系统化的应急技术装备，对应急救援、抢险作业等高温工作人员所处极端高温环境进行快速监测和快速计算处理，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是针对客观环境监测部分参数，不能结合个体因素快速做出预警。另外，目前市面上较先进的智能手环可以年龄、身高、体重等个人信息测量步数、计算能量消耗，但这些设备是消费级别，不能精准测量生理指标做出预警。而且，对于应急救援及抢险作业人员在极端高温环境中综合考虑个体因素和环境参数对核心温度、总出汗量以及可接受最长暴露时间等特殊参数进行监测计算并进一步进行有效预警的设备在市面上还没有出现，因此，设计一种极端高温作业环境快速监测预警装置对高温应急救援及抢险作业人员开展救援抢险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极端高温作业环境快速监测预警装置及方法，以实现快速监测极端高温环境中的多个环境参数，并结合个体因素和客观条件为高温作业人员进行有效预警，避免了高温作业人员生命健康受到威胁，为高温作业人员的工作提供了便捷和保障，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：

一种极端高温作业环境快速监测预警装置，包括壳体、输入单元、显示单元、采集单元、控制单元、预警单元和电源单元；

所述采集单元包括温湿度采集模块、风速采集模块和GPS模块；

所述输入单元、显示单元、预警单元和GPS模块镶嵌在所述壳体上，所述控制单元和电源单元固定在所述壳体内；

所述壳体前端面的上端设有测量孔，所述测量孔内嵌插有弹性密封衬套，所述温湿度采集模块和风速采集模块分别通过所述弹性密封衬套嵌插在各自的测量孔内；

所述输入单元、显示单元、采集单元和预警单元分别与所述控制单元信号连接，且所述输入单元、显示单元、采集单元、预警单元和控制单元分别与电源单元电连接。

进一步的，所述输入单元包括体重身高输入键盘和饮水状态选择键，该体重身高输入键盘和饮水状态选择键均与控制单元信号连接。

进一步的，所述壳体上设有USB接口，所述USB接口与所述控制单元信号连接，并通过充电模块与所述电源单元电连接。

进一步的，所述预警单元包括警示灯和蜂鸣器，所述警示灯和蜂鸣器分别与所述控制单元信号连接。

进一步的，所述极端高温作业环境快速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，所述输入单元、显示单元、预警单元和GPS模块镶嵌在所述壳体的前端面上。

进一步的，所述壳体的上端面为一由前端至后端向下倾斜的斜面。

进一步的，所述壳体的后端面上设有一固定夹。

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，所述温湿度采集模块采用SHT11二合一传感器。

进一步的，所述控制单元采用STM32F103ZET6芯片。

一种极端高温作业环境快速监测预警方法，包括以下步骤：

(1)在高温作业人员开始工作前，由高温作业人员根据自己个人状况在极端高温作业环境快速监测预警装置的人因参数输入单元中向控制单元输入体重值和身高值以及选择工作中是否能正常饮水，极端高温作业环境快速监测预警装置开始工作；

(2)极端高温作业环境快速监测预警装置中的控制单元5提示采集单元开始采集环境参数，包括风速值、高温应急救援及抢险人员所处位置的坐标值、温度值和湿度值；

(3)控制单元对采集到的环境参数、输入单元输入的人因参数以及饮水状态进行分析计算处理，得出作业人员的核心温度和总出汗量，并根据核心温度和总出汗量确定免受热伤害的可接受最长暴露工作时间；

(4)控制单元将计算的核心温度、总出汗量与对应的临界生理指标对比确定风险等级，然后控制预警装置进行相应等级的预警提示。

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人体核心温度风险等级和人体总出汗量风险等级中等级较高的一个。

进一步的，所述步骤(4)中核心温度、总出汗量以及可接受最大暴露时间的计算包括以下步骤：

(a1)计算人体及环境基本参量A_Du，c_sp；D_max50，D_max95，p_a，p_sk，其中A_Du为DuBios皮肤面积系数，-；c_sp为人体热容，单位W/m²·K；D_max50为50％的人安全时的最大失水量，单位g；D_max95为95％的人安全时的最大失水量，单位g；p_a为水蒸汽分压，单位kP_a；p_sk为皮肤温度对应的饱和蒸汽分压，单位kP_a；

(a2)计算最大出汗率Sw_max，单位W/m²；

(a3)计算在该热环境下，达到稳态时的人体核心温度t_{cr eq,m}，t_{cr eq,i}，以及该时间步长内的热累积率dS_eq；

(a4)计算无着装热平衡时对应的皮肤温度，t_{sk,eq nu}，单位℃；

(a5)计算该时间步长的皮肤温度t_sk,i，单位℃；皮肤表面的饱和蒸汽压p_sk,i，单位kP_a；

(a6)计算呼吸气体参量t_ex，C_res，E_res，其中t_ex为呼出气体温度，单位℃；C_res为呼出气体热对流率，单位W/m²；E_res为呼出气体蒸发热流率，单位W/m²；

(a7)计算对流与辐射热流率，C+R；

(a8)计算最大蒸发热流量E_max，E_req，其中E_max为皮肤表面的最大热流率，单位W/m²；E_req为需要蒸发热流率，单位W/m²；

(a9)计算皮肤湿润率w_req，出汗蒸发效率r_req，需要出汗率Sw_req；

(a10)计算预期出汗率Sw_p,i，Sw_p,i为时间步长i时的预期出汗率，以及预期蒸发热流率E_p；

(a11)计算时间步长i对应的热累积率dS_i，单位W/m²；

(a12)计算体温t_cr,i，α_i，t_re,i，其中t_cr,i为时刻i时的核心温度，单位℃；α_i为时刻i时的皮肤温度系数，-；t_re,i为时刻i时的直肠温度，单位℃；

(a13)计算总出汗量Sw_tot，∑Sw_tot,g，并判断人体安全状态及相应的安全时间D_{lim loss50}，D_{lim loss 95}，其中Sw_tot为总出汗失水量，单位W/m²；∑Sw_tot,g为总出汗失水量，单位g。

进一步的，步骤(a1)中计算人体及环境基本参量A_Du，c_sp；D_max50，D_max95，p_a，p_sk,的基本计算式为：

A_Du＝0.202×W_b ^0.425×H_b ^0.725 (3)

c_sp＝57.83×W_b/A_Du (4)

D_max50＝2％×W_b×1000 (5)

D_max95＝5％×W_b×1000 (6)

式中，A_Du为DuBios皮肤面积系数，-；c_sp为人体热容，单位W/m²·K；D_max50为50％的人安全时的最大失水量，单位g；D_max95为95％的人安全时的最大失水量，单位g；p_a为水蒸汽分压，单位kP_a；p_sk为皮肤温度对应的饱和蒸汽分压，单位kP_a，Wb为人体体重，Hb为人体身高；

进一步的，步骤(a2)中计算最大出汗率Sw_max，单位W/m²，人体的最大出汗率具有上、下限值，分别为400W/m²和250W/m²，并与热习服性accl(accl是指热适应程度，为启动模型迭代计算过程所需，初值设定为100)有关，最大出汗率的计算式如下：

进一步的，步骤(a3)中计算在该热环境下，达到稳态时的人体核心温度t_{cr eq,m}，t_{cr eq,i}，以及该时间步长内的热累积率dS_eq的基本计算式为：

t_cr,eqm＝0.0036×(M-55)+36.8 (9)

dS_eq＝c_sp(t_cr,eqi-t_cr,eqi-1)×(1-α_i-1) (11)

式中，t_{cr eq,m}为与新陈代谢水平对应的稳态时的核心温度，单位℃；t_{cr eq,i}为时间步长i时与新陈代谢水平对应的核心温度，单位℃；dS_eq为新陈代谢导致核心温度上升对应的热累积率，单位W/m²，通过文献中给定一些特征参量和公式计算。

进一步的，步骤(a4)中计算无着装热平衡时对应的皮肤温度，t_{sk,eq nu}，单位℃的基本计算式为：

t_sk,eqnu＝7.191+0.064t_a+0.061t_r+0.198p_a-0.348v_a+0.616t_re (12)

t_re为直肠温度(模型中先设定初始值，然后迭代计算)。

进一步的，步骤(a5)中计算该时间步长的皮肤温度t_sk,i，单位℃；皮肤表面的饱和蒸汽压p_sk,i，单位kP_a的基本计算式为：

进一步的，步骤(a6)中计算呼吸气体参量t_ex，C_res，E_res的基本计算式为：

t_ex＝28.56+0.115t_a+0.641p_a (15)

Cres＝0.01516M(t_ex-t_a) (16)

Eres＝0.00127M(59.34+0.53t_a-11.63p_a) (17)

式中，t_ex为呼出气体温度，单位℃；C_res为呼出气体热对流率，单位W/m²；E_res为呼出气体蒸发热流率，单位W/m²。

进一步的，步骤(a7)中计算对流与辐射热流率，C+R的基本计算式为：

式中，C为对流热流率，单位W/m²；R为辐射热流率，单位W/m²。

进一步的，步骤(a8)中计算最大蒸发热流量E_max，E_req的基本计算式为：

E_req＝M-dS_eq-W-Cres-Rres-C-R (20)

式中，E_max为皮肤表面的最大热流率，单位W/m²；E_req为需要蒸发热流率，单位W/m²。

进一步的，步骤(a9)中计算皮肤湿润率w_req，出汗蒸发效率r_req，需要出汗率Sw_req的过程如下：

计算皮肤湿润率w_req的基本计算式为：

计算需要出汗率Sw_req，出汗蒸发效率r_req的基本计算式为：

当需要蒸发热流率E_req≤0时：

E_req＝0 (22)

Sw_req＝0 (23)

当最大蒸发热流量E_max≤0时：

E_max＝0 (24)

Sw_req＝Sw_max (25)

当皮肤湿润率w_req≥1.7时：

w_req＝1.7 (26)

Sw_req＝Sw_max (27)

计算出汗蒸发效率r_req，基本计算式为：

计算所需出汗率，Sw_req，基本计算式为：

当Sw_req＞Sw_max时，有：

Sw_req＝Sw_max (30)

以上式中，w_req为需要皮肤湿润率，-；r_req为需要出汗蒸发效率，-；Sw_req为需要出汗率，单位W/m²。

进一步的，步骤(a10)中计算预期出汗率Sw_p,i，预期蒸发热流率E_p过程如下：

若计算得到的Sw_p,i≤0，则有：

E_p＝0 (33)

Sw_p＝0 (34)

此时，直接跳到dS_i的计算中。否则：

w_p＝1 (36)

当k≥0.5时，有：

若w_p＞w_max，则：

w_p＝w_max (38)

E_p＝w_p·E_max (39)

式中，Sw_p,i为时间步长i时的预期出汗率，单位W/m²；E_p为预期蒸发热流率，单位W/m²。

进一步的，步骤(a11)中计算时间步长i对应的热累积率dS_i，单位W/m²，基本计算式为：

dS_i＝Ereq-E_p-dS_eq (40)

进一步的，步骤(a12)中计算体温t_cr,i，α_i，t_re,i的基本计算式为：

t_cr,i＝t_cr,i-1 (41)

α_i-1＝0.3-0.09(t_cr,i-36.8) (42)

式中，t_cr,i为时刻i时的核心温度，单位℃；α_i为时刻i时的皮肤温度系数，-；t_re,i为时刻i时的直肠温度，单位℃。

进一步的，步骤(a13)中计算总出汗量Sw_tot，∑Sw_tot,g，并判断人体安全状态及相应的安全时间D_{lim loss50}，D_{lim loss 95}过程如下：

当直肠温度t_re,i≥38时，人体安全极限时间D_limtre为：

D_limtre＝time (46)

Sw_tot,i＝Sw_tot,i-1+Sw_p,i+Eres (47)

设95％的人处于热安全状态时的失水量为D_max95，则：

D_max95＝3％×W_b (49)

当Sw_totg≥D_max95时，有：

D_limloss95＝time (50)

设50％的人处于热安全状态时的失水量为D_max50，则：

D_max50＝5％×W_b (51)

当Sw_totg≥D_max50时，有：

D_limloss50＝time (52)

式中，Sw_tot为总出汗失水量，单位W/m²；∑Sw_tot,g为总出汗失水量，单位g。

进一步的，公式(18)中Icl为服装热阻，其由修正公式修正得到，其服装修正总热阻修正公式如下：

基本热阻I_cl是指从皮肤表面到服装外表面的总传热热阻，计算公式为：I_cl＝I_t-I_a/f_cl，I_cl为基本热阻，I_t为服装总热阻，I_a为裸体总热阻，f_cl为服装面积系数，后来学者综合前人大量实验数据，对采用暖体假人测试服装热阻时人体移动和风速造成的“风箱”效应进行了更全面和深入的分析，提出了更为准确的热阻修正公式，即公式(55)，I_t,R为考虑人体移动和风速影响的修正服装总热阻。corrI_t为修正系数，I_t为无风(空气流速小于0.2m/s)假人静止状态下的服装热阻。

可以简单的理解为I_cl为静态的服装热阻，I_t,R为动态的服装热阻。

进一步的，上述步骤中的M代表新陈代谢率，持续工作的新陈代谢率采用呼吸熵实验测定，该新陈代谢率的统计公式：

式中R_Q为呼吸熵，取值1.0；为换算为标准状况下的耗氧量，单位L/h，取值72L/h；A_D为人体皮肤表面积，单位m²，由Dubois公式计算：

A_D＝0.202×W_b ^0.425×H^0.725 (57)

式中，W_b为人体体重，单位kg，H为身高，单位m。

进一步的，所述公式(19)中的R_cl为服装和界面空气层的湿阻，服装修正总湿阻R_et,R的修正公式为：

与I_cl为静态的服装热阻和I_t,R为动态的服装热阻同样道理，R_et,R与R_cl之间可以理解为R_cl是静态服装湿阻，R_et,R为考虑人体移动和风速影响的修正服装湿阻。

进一步的，确定免受热伤害的可接受最长暴露工作时间t_lim，主要依据温度和出汗量的临界生理指标：

若工作期间可自由饮水，累积出汗量S_wt不得大于体重的5.0％，超过5％将进入热伤害状态，故控制单元将可自由饮水状态下体重的5.0％作为累积出汗量S_wt的临界生理指标；

若工作期间不补充水，累积出汗量不得大于体重的3％，超过3％将进入热伤害状态，故控制单元将不补充水状态下体重的3％作为累积出汗量S_wt的临界生理指标；

人体核心温度由直肠温度衡量时，我国人群的直肠温度T_re生理上限为38.5℃，安全上限为38.9℃，耐受上限为39.4℃，故控制单元将38.9℃定为造成热伤害的临界生理指标；

上述出汗量和人体核心温度只要有一个达到临界生理指标，此时的工作时间长度即确定为免受热伤害的可接受最长暴露工作时间。

相对于现有技术，本发明所述的极端高温作业环境监测预警装置及方法具有以下优势：

本发明的极端高温作业环境监测预警装置及方法，可同时输入作业人员个体因数、选择工作条件状况以及监测环境参数，包括体重值、身高值、可否正常饮水状况、环境风速、环境温度、环境湿度以及应急救援及抢险作业人员的移动速度等参数，可为使用者在极端高温环境下的暴露时间提供参考，并根据核心温度和总出汗量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高温环境下的安全性，同时能为应急技术装备的研发提供数据支撑，为应急救援及抢险作业人员提供了便捷，提高了用户体验。

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极端高温作业环境监测预警装置结构图；

图2为本发明实施例所述的极端高温作业环境监测预警装置原理图；

图3为本发明实施例所述的极端高温作业环境监测预警方法的流程示意图。

附图标记说明：

1-壳体；11-测量孔；12-弹性密封衬套；2-输入单元；21-体重身高输入键盘；22-饮水状态选择键；3-显示单元；4-采集单元；41-温湿度采集模块；42-风速采集模块；43-GPS模块；5-控制单元；6-预警单元；61-警示灯；62-蜂鸣器；7-电源单元；8-USB接口；9-存储单元。

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。

一种极端高温作业环境快速监测预警装置，包括壳体1、输入单元2、显示单元3、采集单元4、控制单元5、预警单元6和电源单元7；

所述采集单元4包括温湿度采集模块41、风速采集模块42和GPS模块43；

所述输入单元2、显示单元3、预警单元6和GPS模块43镶嵌在所述壳体1上，所述控制单元5和电源单元7固定在所述壳体1内；

所述壳体1前端面的上端设有测量孔11，所述测量孔11内嵌插有弹性密封衬套12，所述温湿度采集模块41和风速采集模块42分别通过所述弹性密封衬套12嵌插在各自的测量孔11内；

所述输入单元2、显示单元3、采集单元4和预警单元6分别与所述控制单元5信号连接，且所述输入单元2、显示单元3、采集单元4、预警单元6和控制单元5分别与电源单元7电连接。

进一步的，所述输入单元2包括体重身高输入键盘21和饮水状态选择键22，该体重身高输入键盘21和饮水状态选择键22均与控制单元5信号连接。

进一步的，所述壳体1上设有USB接口，所述USB接口与所述控制单元5信号连接，并通过充电模块与所述电源单元7电连接。

进一步的，所述预警单元6包括警示灯61和蜂鸣器62，所述警示灯61和蜂鸣器62分别与所述控制单元5信号连接。

进一步的，所述极端高温作业环境快速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1内，该存储单元与所述控制单元5信号连接。

进一步的，所述输入单元2、显示单元3、预警单元6和GPS模块43镶嵌在所述壳体1的前端面上。

进一步的，所述壳体1的上端面为一由前端至后端向下倾斜的斜面。

进一步的，所述壳体1的后端面上设有一固定夹。

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43采用UBLOX7020芯片。

进一步的，所述温湿度采集模块41采用SHT11二合一传感器。

进一步的，所述控制单元5采用STM32F103ZET6芯片。

一种极端高温作业环境快速监测预警方法，包括以下步骤：

(1)在高温作业人员开始工作前，由高温作业人员根据自己个人状况在极端高温作业环境快速监测预警装置的人因参数输入单元中向控制单元输入体重值和身高值以及选择工作中是否能正常饮水，极端高温作业环境快速监测预警装置开始工作；

(2)极端高温作业环境快速监测预警装置中的控制单元5提示采集单元开始采集环境参数，包括风速值、高温应急救援及抢险人员所处位置的坐标值、温度值和湿度值；

(3)控制单元对采集到的环境参数、输入单元输入的人因参数以及饮水状态进行分析计算处理，得出作业人员的核心温度和总出汗量，并根据核心温度和总出汗量确定免受热伤害的可接受最长暴露工作时间；

(4)控制单元将计算的核心温度、总出汗量与对应的临界生理指标对比确定风险等级，然后控制预警装置进行相应等级的预警提示。

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人体核心温度风险等级和人体总出汗量风险等级中等级较高的一个。

进一步的，所述步骤(4)中核心温度、总出汗量以及可接受最大暴露时间的计算包括以下步骤：

(a1)计算人体及环境基本参量A_Du，c_sp；D_max50，D_max95，p_a，p_sk,，基本计算式为：

A_Du＝0.202×W_b ^0.425×H_b ^0.725 (3)

c_sp＝57.83×W_b/A_Du (4)

D_max50＝2％×W_b×1000 (5)

D_max95＝5％×W_b×1000 (6)

式中，A_Du为DuBios皮肤面积系数，-；c_sp为人体热容，单位W/m²·K；D_max50为50％的人安全时的最大失水量，单位g；D_max95为95％的人安全时的最大失水量，单位g；p_a为水蒸汽分压，单位kP_a；p_sk为皮肤温度对应的饱和蒸汽分压，单位kP_a，Wb为人体体重，Hb为人体身高；

(a2)计算最大出汗率Sw_max，单位W/m²，人体的最大出汗率具有上、下限值，分别为400W/m²和250W/m²，并与热习服性accl有关，最大出汗率的计算式如下：

(a3)计算在该热环境下，达到稳态时的人体核心温度t_{cr eq,m}，t_{cr eq,i}，以及该时间步长内的热累积率dS_eq，基本计算式为：

t_cr,eqm＝0.0036×(M-55)+36.8 (9)

dS_eq＝c_sp(t_cr,eqi-t_cr,eqi-1)×(1-α_i-1) (11)

式中，t_{cr eq,m}为与新陈代谢水平对应的稳态时的核心温度，单位℃；t_{cr eq,i}为时间步长i时与新陈代谢水平对应的核心温度，单位℃；dS_eq为新陈代谢导致核心温度上升对应的热累积率，单位W/m²，通过文献中给定一些特征参量和公式计算；

(a4)计算无着装热平衡时对应的皮肤温度，t_{sk,eq nu}，单位℃，基本计算式为：

t_sk,eqnu＝7.191+0.064t_a+0.061t_r+0.198p_a-0.348v_a+0.616t_re (12)

(a5)计算该时间步长的皮肤温度t_sk,i，单位℃；皮肤表面的饱和蒸汽压p_sk,i，单位kP_a。基本计算式为：

(a6)计算呼吸气体参量t_ex，C_res，E_res，基本计算式为：

t_ex＝28.56+0.115t_a+0.641p_a (15)

Cres＝0.01516M(t_ex-t_a) (16)

Eres＝0.00127M(59.34+0.53t_a-11.63p_a) (17)

式中，t_ex为呼出气体温度，单位℃；C_res为呼出气体热对流率，单位W/m²；E_res为呼出气体蒸发热流率，单位W/m²；

(a7)计算对流与辐射热流率，C+R。基本计算式为：

式中，C为对流热流率，单位W/m²；R为辐射热流率，单位W/m²；

(a8)计算最大蒸发热流量E_max，E_req。基本计算式为：

E_req＝M-dS_eq-W-Cres-Rres-C-R (20)

式中，E_max为皮肤表面的最大热流率，单位W/m²；E_req为需要蒸发热流率，单位W/m²；

(a9)计算皮肤湿润率w_req，出汗蒸发效率r_req，需要出汗率Sw_req：

计算皮肤湿润率w_req，基本计算式为：

计算需要出汗率Sw_req，出汗蒸发效率r_req。基本计算式为：

当需要蒸发热流率E_req≤0时：

E_req＝0 (22)

Sw_req＝0 (23)

当最大蒸发热流量E_max≤0时：

E_max＝0 (24)

Sw_req＝Sw_max (25)

当皮肤湿润率w_req≥1.7时：

w_req＝1.7 (26)

Sw_req＝Sw_max (27)

计算出汗蒸发效率r_req，基本计算式为：

计算所需出汗率，Sw_req，基本计算式为：

当Sw_req＞Sw_max时，有：

Sw_req＝Sw_max (30)

以上式中，w_req为需要皮肤湿润率，-；r_req为需要出汗蒸发效率，-；Sw_req为需要出汗率，单位W/m²；

(a10)计算预期出汗率Sw_p,i，预期蒸发热流率E_p：

若计算得到的Sw_p,i≤0，则有：

E_p＝0 (33)

Sw_p＝0 (34)

此时，直接跳到dS_i的计算中。否则：

w_p＝1 (36)

当k≥0.5时，有：

若w_p＞w_max，则：

w_p＝w_max (38)

E_p＝w_p·E_max (39)

式中，Sw_p,i为时间步长i时的预期出汗率，单位W/m²；E_p为预期蒸发热流率，单位W/m²；

(a11)计算时间步长i对应的热累积率dS_i，单位W/m²，基本计算式为：

dS_i＝Ereq-E_p-dS_eq (40)

(a12)计算体温t_cr,i，α_i，t_re,i，基本计算式为：

t_cr,i＝t_cr,i-1 (41)

α_i-1＝0.3-0.09(t_cr,i-36.8) (42)

式中，t_cr,i为时刻i时的核心温度，单位℃；α_i为时刻i时的皮肤温度系数，-；t_re,i为时刻i时的直肠温度，单位℃；

(a13)计算总出汗量Sw_tot，∑Sw_tot,g，并判断人体安全状态及相应的安全时间D_{lim loss50}，D_{lim loss 95}：

当直肠温度t_re,i≥38时，人体安全极限时间D_limtre为：

D_limtre＝time (46)

Sw_tot,i＝Sw_tot,i-1+Sw_p,i+Eres (47)

设95％的人处于热安全状态时的失水量为D_max95，则：

D_max95＝3％×W_b (49)

当Sw_totg≥D_max95时，有：

D_limloss95＝time (50)

设50％的人处于热安全状态时的失水量为D_max50，则：

D_max50＝5％×W_b (51)

当Sw_totg≥D_max50时，有：

D_limloss50＝time (52)

式中，Sw_tot为总出汗失水量，单位W/m²；∑Sw_tot,g为总出汗失水量，单位g。

进一步的，针对极端的高温环境条件和工作强度状况，加入新陈代谢量计算公式，基于人体热平衡方程：

M-W＝C_res+E_res+K+C+R+E+S (53)

式中，M为新陈代谢率，W/m²；W为人体所做机械功；C_res和E_res分别为因呼吸造成的对流散热量和蒸发散热量；K、C和R分别为通过热传导、对流和热辐射形式引起的皮肤与外界环境间的热交换量；E为人体通过皮肤向外界环境空间的蒸发散热量；S为使人体体温上升的热储量。其中，C+R参照公式(18)计算，此时的I_t,R由修正公式修正而不是由服装热阻参考值得到，其服装修正总热阻修正公式如下：

新陈代谢率M在PHS模型中一般根据劳动强度取经验值，对于复杂劳动过程，如极端高温作业环境来说，经验值选取不当会导致较大计算误差，综合考虑身高体重个体差异和劳动强度，可利用呼吸熵实验测定新陈代谢率。

进一步的，上述步骤中的M代表新陈代谢率，持续工作的新陈代谢率采用呼吸熵实验测定，该新陈代谢率的统计公式：

式中R_Q为呼吸熵，取值为0.83～1.0，中等强度劳动一般取值为0.86～0.9，极端高温作业环境多为重劳动强度，取值1.0比较合理；

为换算为标准状况下的耗氧量，单位L/h，轻度和中度强度劳动一般小于60L/h，重强度劳动和过度体力劳动强度一般取值为60～90L/h，极端高温重强度劳动取值72L/h比较合理；

A_D为人体皮肤表面积，单位m²，由Dubois公式计算：

A_D＝0.202×W_b ^0.425×H^0.725 (57)

式中，W_b为人体体重，单位kg，H为身高，单位m。

进一步的，所述公式(19)中的R_cl为服装和界面空气层的湿阻，考虑人体移动和风速影响，服装修正总湿阻R_et,R的修正公式为：

计算人体核心温度T_cr变化和直肠温度T_re由核心温度计算，参照公式(44)和(45)。

进一步的，确定免受热伤害的可接受最长暴露工作时间t_lim，主要依据温度和出汗量的临界生理指标：

若工作期间可自由饮水，累积出汗量S_wt不得大于体重的5.0％，超过5％将进入热伤害状态，故控制单元将可自由饮水状态下体重的5.0％作为累积出汗量S_wt的临界生理指标；

若工作期间不补充水，累积出汗量不得大于体重的3％，超过3％将进入热伤害状态，故控制单元将不补充水状态下体重的3％作为累积出汗量S_wt的临界生理指标；

人体核心温度由直肠温度衡量时，我国人群的直肠温度T_re生理上限为38.5℃，安全上限为38.9℃，耐受上限为39.4℃，故控制单元将38.9℃定为造成热伤害的临界生理指标；

上述出汗量和人体核心温度只要有一个达到临界生理指标，此时的工作时间长度即确定为免受热伤害的可接受最长暴露工作时间。

计算流程中重要参量包括采集与输入参数、设定参数、初值设定。其中，测量参数为通过测量获取的环境参数、人体参数；设定参数为对人体生理行为强度相关参数的设置；初值设定为启动模型迭代计算过程所需的初值。

(1)采集与输入参数

采集与输入参数包括人体、环境的相关参量，如表1所示：

表1 PHS模型的测量参量

此处皮肤温度原本应该测量得到，但是由于装置功能局限性，所以皮肤温度使用的是初始设定值，即根据经验给定的初值，代入公式计算；平均热辐射温度与空气温度较接近，取相同值，即测量的空气温度值即为平均辐射温度值，空气温度值由温湿度采集模块测量。

(2)设定参数

设定参数为对人体生理行为强度和热生理响应规律相关参数的设置，如表2所示：

表2 PHS模型的设定参量

(3)初值设定

初值设定为启动模型迭代计算过程所需的初值，包括体温、出汗率、出汗量等，如表3所示：

表3 PHS模型的初值设定

核心温度风险分级如表4所示：

表4核心温度风险分级

本发明通过输入的作业人员个体因数和选择工作条件状况以及监测到的环境参数，包括体重值、身高值、可否正常饮水状况、环境风速、环境温度、环境湿度以及应急救援及抢险作业人员的移动速度等，来计算作业人员核心温度及总出汗量，进而计算作业人员在极端高温环境下的可接受最长暴露时间，并根据核心温度和总出汗量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高温环境下的安全性，同时能为应急技术装备的研发提供数据支撑，为应急救援及抢险作业人员提供了便捷，提高了用户体验。

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 (10)

1.一种极端高温作业环境快速监测预警装置，其特征在于：包括壳体、输入单元、显示单元、采集单元、控制单元、预警单元和电源单元；

所述采集单元包括温湿度采集模块、风速采集模块和GPS模块；

所述输入单元、显示单元、预警单元和GPS模块镶嵌在所述壳体上，所述控制单元和电源单元固定在所述壳体内；

所述壳体前端面的上端设有测量孔，所述测量孔内嵌插有弹性密封衬套，所述温湿度采集模块和风速采集模块分别通过所述弹性密封衬套嵌插在各自的测量孔内；

所述输入单元、显示单元、采集单元和预警单元分别与所述控制单元信号连接，且所述输入单元、显示单元、采集单元、预警单元和控制单元分别与电源单元电连接。

2.根据权利要求1所述的极端高温作业环境快速监测预警装置，其特征在于：所述输入单元包括体重身高输入键盘和饮水状态选择键，该体重身高输入键盘和饮水状态选择键均与控制单元信号连接。

3.根据权利要求1所述的极端高温作业环境快速监测预警装置，其特征在于：所述壳体上设有USB接口，所述USB接口与所述控制单元信号连接，并通过充电模块与所述电源单元电连接。

4.一种极端高温作业环境快速监测预警方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在高温作业人员开始工作前，由高温作业人员根据自己个人状况在极端高温作业环境快速监测预警装置的人因参数输入单元中向控制单元输入体重值和身高值以及选择工作中是否能正常饮水，极端高温作业环境快速监测预警装置开始工作；

(2)极端高温作业环境快速监测预警装置中的控制单元5提示采集单元开始采集环境参数，包括风速值、高温应急救援及抢险人员所处位置的坐标值、温度值和湿度值；

(3)控制单元对采集到的环境参数、输入单元输入的人因参数以及饮水状态进行分析计算处理，得出作业人员的核心温度和总出汗量，并根据核心温度和总出汗量确定免受热伤害的可接受最长暴露工作时间；

(4)控制单元将计算的核心温度、总出汗量与对应的临界生理指标对比确定风险等级，然后控制预警装置进行相应等级的预警提示。

5.根据权利要求4所述的极端高温作业环境快速监测预警方法，其特征在于：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人体核心温度风险等级和人体总出汗量风险等级中等级较高的一个。

6.根据权利要求5所述的极端高温作业环境快速监测预警方法，其特征在于：所述步骤(4)中核心温度、总出汗量以及可接受最大暴露时间的计算包括以下步骤：

(a1)计算人体及环境基本参量A_Du，c_sp；D_max50，D_max95，p_a，p_sk，其中A_Du为DuBios皮肤面积系数，-；c_sp为人体热容，单位W/m²·K；D_max50为50％的人安全时的最大失水量，单位g；D_max95为95％的人安全时的最大失水量，单位g；p_a为水蒸汽分压，单位kP_a；p_sk为皮肤温度对应的饱和蒸汽分压，单位kP_a；

(a2)计算最大出汗率Sw_max，单位W/m²；

(a3)计算在该热环境下，达到稳态时的人体核心温度t_{cr eq,m}，t_{cr eq,i}，以及该时间步长内的热累积率dS_eq；

(a4)计算无着装热平衡时对应的皮肤温度，t_{sk,eq nu}，单位℃；

(a5)计算该时间步长的皮肤温度t_sk,i，单位℃；皮肤表面的饱和蒸汽压p_sk,i，单位kP_a；

(a6)计算呼吸气体参量t_ex，C_res，E_res，其中t_ex为呼出气体温度，单位℃；C_res为呼出气体热对流率，单位W/m²；E_res为呼出气体蒸发热流率，单位W/m²；

(a7)计算对流与辐射热流率，C+R；

(a8)计算最大蒸发热流量E_max，E_req，其中E_max为皮肤表面的最大热流率，单位W/m²；E_req为需要蒸发热流率，单位W/m²；

(a9)计算皮肤湿润率w_req，出汗蒸发效率r_req，需要出汗率Sw_req；

(a10)计算预期出汗率Sw_p,i，Sw_p,i为时间步长i时的预期出汗率，以及预期蒸发热流率E_p；

(a11)计算时间步长i对应的热累积率dS_i，单位W/m²；

(a12)计算体温t_cr,i，α_i，t_re,i，其中t_cr,i为时刻i时的核心温度，单位℃；α_i为时刻i时的皮肤温度系数，-；t_re,i为时刻i时的直肠温度，单位℃；

(a13)计算总出汗量Sw_tot，∑Sw_tot,g，并判断人体安全状态及相应的安全时间D_{lim loss50}，D_{lim loss 95}，其中Sw_tot为总出汗失水量，单位W/m²；∑Sw_tot,g为总出汗失水量，单位g。

7.根据权利要求6所述的极端高温作业环境快速监测预警方法，其特征在于：步骤(9)中计算皮肤湿润率w_req的基本计算式为：

计算需要出汗率Sw_req，出汗蒸发效率r_req的基本计算式为：

当需要蒸发热流率E_req≤0时：

E_req＝0 (22)

Sw_req＝0 (23)

当最大蒸发热流量E_max≤0时：

E_max＝0 (24)

Sw_req＝Sw_max (25)

当皮肤湿润率w_req≥1.7时：

w_req＝1.7 (26)

Sw_req＝Sw_max (27)

计算出汗蒸发效率r_req，基本计算式为：

计算所需出汗率，Sw_req，基本计算式为：

当Sw_req＞Sw_max时，有：

Sw_req＝Sw_max (30)

以上式中，w_req为需要皮肤湿润率，-；r_req为需要出汗蒸发效率，-；Sw_req为需要出汗率，单位W/m²。

8.根据权利要求6所述的极端高温作业环境快速监测预警方法，其特征在于：步骤(10)中计算预期出汗率Sw_p,i，预期蒸发热流率E_p的过程如下：

若计算得到的Sw_p,i≤0，则有：

E_p＝0 (33)

Sw_p＝0 (34)

此时，直接跳到dS_i的计算中。否则：

w_p＝1 (36)

当k≥0.5时，有：

若w_p＞w_max，则：

w_p＝w_max (38)

E_p＝w_p·E_max (39)

式中，Sw_p,i为时间步长i时的预期出汗率，单位W/m²；E_p为预期蒸发热流率，单位W/m²。

9.根据权利要求6所述的极端高温作业环境快速监测预警方法，其特征在于：步骤(13)中，计算总出汗量Sw_tot，∑Sw_tot,g，并判断人体安全状态及相应的安全时间D_{lim loss50}，D_{lim loss 95}的过程如下：

当直肠温度t_re,i≥38时，人体安全极限时间D_limtre为：

D_limtre＝time (46)

Sw_tot,i＝Sw_tot,i-1+Sw_p,i+Eres (47)

设95％的人处于热安全状态时的失水量为D_max95，则：

D_max95＝3％×W_b (49)

当Sw_totg≥D_max95时，有：

D_limloss95＝time (50)

设50％的人处于热安全状态时的失水量为D_max50，则：

D_max50＝5％×W_b (51)

当Sw_totg≥D_max50时，有：

D_limloss50＝time (52)

式中，Sw_tot为总出汗失水量，单位W/m²；∑Sw_tot,g为总出汗失水量，单位g。

10.根据权利要求6所述的极端高温作业环境快速监测预警方法，其特征在于：确定免受热伤害的可接受最长暴露工作时间t_lim，主要依据温度和出汗量的临界生理指标：

若工作期间可自由饮水，累积出汗量S_wt不得大于体重的5.0％，超过5％将进入热伤害状态，故控制单元将可自由饮水状态下体重的5.0％作为累积出汗量S_wt的临界生理指标；

若工作期间不补充水，累积出汗量不得大于体重的3％，超过3％将进入热伤害状态，故控制单元将不补充水状态下体重的3％作为累积出汗量S_wt的临界生理指标；

人体核心温度由直肠温度衡量时，我国人群的直肠温度T_re生理上限为38.5℃，安全上限为38.9℃，耐受上限为39.4℃，故控制单元将38.9℃定为造成热伤害的临界生理指标；

上述出汗量和人体核心温度只要有一个达到临界生理指标，此时的工作时间长度即确定为免受热伤害的可接受最长暴露工作时间。