CN112733468A - 一种覆盖工人呼吸平面域的提取方法 - Google Patents

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Abstract

一种覆盖工人呼吸平面域的提取方法,统计工人在操作过程中的移动停留时间概率峰值网格,根据工人移动停留时间概率峰值网格所围成的形状确定设计面域的基本形状。其中采用最小椭圆包络线方法。以包络概率峰值网格为边界条件确定最小椭圆包络线法覆盖工人呼吸的设计面域。通过分析送风射流体不同角度下与呼吸区平面投射相交时的面域形状特征,按照射流边界包络人员呼吸平面域的原则,得到基于工人停留时间概率峰值的呼吸区设计平面域提取方法。本发明实现工人呼吸暴露减量的同时节省了送风量,是一种既环保又经济、且对于设计人员而言便于掌握与实施的工位送风设计补充方法。

Description

一种覆盖工人呼吸平面域的提取方法
技术领域
本发明属于工业场所工位送风设计领域,涉及覆盖工人呼吸平面域的最小椭圆包络线方法。
背景技术
诸多工业场所局部排风受工艺限制无法形成密闭局部排风罩,或高污染源少量溢出对呼吸而言仍是浓度极高的,大多不能单一依赖局部排风解决工人健康呼吸的需求。例如,对于橡胶制品行业,即使硫化工艺局部排风捕集率达到95%以上,工作区弥散的二甲苯浓度仍在3mg/m3左右,而《橡胶工厂职业安全卫生设计标准》(GB/T 50643-2018)实际上只规定工作区浓度不超过1mg/m3,工位送风营造的气流防护效果不可替代。
然而,调研发现在大量实际工业场所中,工人会在单工位范围内活动,或者多工位间移动作业。当这个范围足够小时,现有的工位送风具有很好的适用性;但当移动距离较大(≥1m)时(如橡胶硫化工人操作硫化机时的移动距离),现有的工位送风气流对人员呼吸防护能力就可能失效,主要原因在于已公开的工位送风设计方法仅是通过经验判定送风气流所需覆盖的范围,是典型的点对点送风,其无法包络工人实际移动操作过程中的主要区域,导致气流对工人呼吸的防护效果较差。在实际工业建筑中,工位送风所对应的人员区往往是模糊的,既位于生产工艺和操作要求的特定区域内,又由工人无法避免的移动而使空间范围变大且不明确,使得实践中很多工位送风对工人呼吸区的防护效果基本不存在。现有工位送风设计方法对于如何利用气流的有效包络覆盖工人移动的主要区域缺乏相应的技术手段,导致其实际应用效果较差。
发明内容
针对上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提出一种覆盖工人呼吸平面域的提取方法,对现有工位送风设计理论形成补充,为高污染场所工人呼吸污染暴露减量化提供依据。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
实际中,大多数工业场所生产工艺和生产模式相对稳定,人员操作流程模式化、标准化、固定化,其移动边界比较清晰,移动轨迹具有显著统计性,通过统计工人在操作过程中的移动停留时间概率峰值网格,以包络概率峰值网格为边界条件确定最小椭圆包络线法覆盖工人呼吸的设计面域。
所述覆盖工人呼吸平面域的最小椭圆包络线方法,通过分析送风射流体不同角度下与呼吸区平面投射相交时的面域形状特征,按照射流边界包络人员呼吸平面域的原则,得到了基于工人停留时间概率峰值的呼吸区设计平面域提取方法。该方法将移动工人的呼吸面域与送风射流相交的区域抽象为椭圆形,发展出一种最小椭圆包络线的方法外接工人移动停留概率峰值网格所围成的区域。
一种覆盖工人呼吸平面域的提取方法,包括:
(1)选取圆形喷口作为工人呼吸防护气流的送风装置,则根据射流基本特征,喷口送风将与工人呼吸高度所在的平面相交。当平面垂直于射流轴时,相交断面呈圆形,当平面与射流轴非正交时,相交断面呈椭圆形。
(1.1)根据圆形喷口射流理论,若射流轴与已知平面正交,则射流某断面与喷口的几何关系可由如下公式表示:
Figure BDA0002868637020000021
式中,R为射流半径,m;a为紊流系数,对于圆形喷口取0.08;s为射流断面到圆形喷口的距离,m;r0为圆形喷口半径,m。
由射流的几何特征,不难推知当射流轴非正交于已知平面时的主体段断面流量及真实动量:
Figure BDA0002868637020000022
Figure BDA0002868637020000023
式中,β为垂直于射流轴的圆断面与水平面的夹角。Q为主体段断面流量,m3/s;Q0为圆形喷口出口流量,m3/s;vs为主体段质量平均流速,m/s,反映主体段的真实动量;β为垂直于射流轴的圆断面与水平面的夹角;u0为射流出口断面的平均速度,m/s;其余参数的定义与公式(1)中该参数的定义相同。
(2)对于利用单个位置固定的圆形喷口实现对工人移动平面域内时间概率峰值区域的基本覆盖问题,需要根据工人移动停留时间概率峰值网格所围成的形状确定设计面域的基本形状。
(2.1)所述工人移动停留时间概率峰值网格根据现场计时统计的工人在单个操作周期内于所划定的网格区域内的移动停留时间与记录总时间的比值确定:
Figure BDA0002868637020000024
式中,Ti为记录的工人在第i个网格内的移动停留时间;N为所划分的网格总数。
(2.2)当所需包络的代表概率峰值的格子数目较少时,利用单个圆形喷口的送风气流即可实现;而当所需覆盖的概率峰值的格子数目较多时,面域范围大幅增加且呈不规则状,此时,单个圆形喷口送风需要制造一股很大的气流来包络该不规则区域;理想地,若要对面域内停留时间概率实现100%覆盖,则需要一股更大的送风气流。
(3)由于圆形喷口射流在工人呼吸平面的截面呈椭圆形(圆形截面可看成β=0°时的特殊情况),若要用一个椭圆截面对所要求的时间概率区域进行包络,则需借助最小椭圆包络线算法,具体实施过程如下:
(3.1)对于形状规则的时间概率区域,如时间概率区域呈矩形,若要完全包络该矩形,则矩形的4个顶点应落在椭圆弧上,同时满足矩形与椭圆截面的形心重合,此时,最小包络椭圆的截面参数确定采用压缩变换的方法,实质是求椭圆面积πxy在满足如下公式前提下的值域:
Figure BDA0002868637020000031
其中,A,B分别表示矩形相邻两条边的一半;x,y分别为椭圆的长、短半轴。
不难证明椭圆面积πxy≥2πAB,那么最小椭圆的长半轴等于
Figure BDA0002868637020000032
短半轴等于
Figure BDA0002868637020000033
(3.2)对于形状不规则的时间概率区域,包络线需满足让不规则区域最外侧的两个顶点同时落在椭圆弧上。此时的最小椭圆面积无法通过数学证明直接获得,而需调用Matlab优化工具箱中解决约束极小问题的fmincon函数对过两点的椭圆面积求极小值。所述fmincon函数的数学描述如下:
Figure BDA0002868637020000034
其中,Y,D,Deq,LD,UD为向量;C和Ceq为线性约束矩阵;E(Y)和Eeq(Y)为非线性约束函数,返回值为标量。F(Y)为待求取极小值的椭圆面积函数。
(3.3)通过给定形状不规则的时间概率区域的二维坐标作为约束,可由Matlab封装的fmincon函数求得该不规则区域外接椭圆面积的最小值。该最小面积椭圆所对应的参数即为射流与人员呼吸平面相交的椭圆截面参数。
(3.4)当椭圆截面的参数确定后,满足设计目标的圆形射流末端断面也随之确定。
由于采用上述技术方案,本发明取得的有益效果包括:
在椭圆包络线覆盖工人移动停留概率峰值网格所围成的区域前提下兼顾了包络线最小的原则,实现工人呼吸暴露减量的同时节省了送风量,是一种既环保又经济、且对于设计人员而言便于掌握与实施的工位送风设计补充方法。其对比现有的工位送风设计方法而言,以概率峰值网格的方式量化了人员呼吸面域,从以人为本的角度拓展了工位送风设计的内涵。本发明对于改善工人的作业环境,引导工业通风向解决工人呼吸健康需求过渡具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的方法实现流程图。
图2(a)为送风射流垂直与水平面相交面域形状示意图。
图2(b)为送风射流倾斜与水平面相交面域形状示意图。
图3为工人移动轨迹具备统计特性的示意图。
图4为覆盖80%、90%和100%的概率格子所围面域示意图。
图5为形状规则的工人移动时间概率区域外接椭圆图。
图6为形状不规则的工人移动时间概率区域外接椭圆。
图7(a)为传统工位送风的工人呼吸区防护效果示意图。
图7(b)为经本发明方法对覆盖工人呼吸平面域进行提取并优化的工位送风效果示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示为本发明的方法实现流程图,优选地,选取圆形喷口作为工人呼吸防护气流的送风装置,则根据射流基本特征,喷口送风将与工人呼吸高度所在的平面相交。当平面垂直于射流轴时,相交断面呈圆形,如图2(a)所示;当平面与射流轴非正交时,相交断面呈椭圆形,如图2(b)所示。
如图3所示,相关研究表明在工业场所中的工人移动轨迹具有显著可统计特性,即可通过统计工人在某区域的停留时间来确定工人一定时间内在该区域的停留概率。对于利用单个位置固定的圆形喷口实现对工人移动平面域内时间概率峰值区域的基本覆盖问题,需要根据工人移动停留时间概率峰值网格所围成的形状确定设计面域的基本形状。所述工人移动停留时间概率峰值网格根据现场计时统计的工人在单个操作周期内于所划定的网格区域内的移动停留时间与记录总时间的比值确定:
Figure BDA0002868637020000041
式中,Ti为记录的工人在第i个网格内的移动停留时间;N为所划分的网格总数。
以操作某单台设备的工人为例,根据以上工人移动停留时间概率峰值网格的确定方法,不难得到顾及80%、90%和100%的概率的格子所围成的区域。如图4所示,将工人操作单台设备可能移动的区域划分为0.5m×0.5m大小的144个正方形网格,若仅需覆盖工人80%时间概率的区域,即设备前2.5m×1.5m的规则矩形区域,则由最小面积椭圆内接矩形定理,可通过单个圆形喷口送风射流形成的椭圆断面包络该矩形局域的四个顶点实现:由于圆形喷口射流在工人呼吸平面的截面呈椭圆形(圆形截面可看成β=0°时的特殊情况),若要用一个椭圆截面对所要求的时间概率区域进行包络,则需借助最小椭圆包络线算法:对于形状规则的时间概率区域,以上述案例中覆盖80%时间概率的矩形区域为例,若要完全包络该矩形,则矩形的4个顶点应落在椭圆弧上,同时满足矩形与椭圆截面的形心重合,这样的外接椭圆截面并不唯一,如图5所示。
此时,最小包络椭圆的截面参数确定采用压缩变换的方法,实质是求椭圆面积πxy在满足如下公式前提下的值域:
Figure BDA0002868637020000051
其中,A,B分别表示矩形相邻两条边的一半;x,y分别为椭圆的长、短半轴。
不难证明椭圆面积πxy≥2πAB,那么最小椭圆的长半轴等于
Figure BDA0002868637020000052
短半轴等于
Figure BDA0002868637020000053
而当所需覆盖区域的停留时间概率超过90%,面域范围大幅增加且呈不规则状(图4),此时,单个圆形喷口送风需要制造一股很大的气流来包络该不规则区域;理想地,若要对面域内停留时间概率实现100%覆盖,则需要一股更大的送风气流。
对于形状不规则的时间概率区域,椭圆包络线同样不唯一,如图6所示,以案例中覆盖90%时间概率的不规则区域为例,包络线需满足让不规则区域最外侧的两个顶点同时落在椭圆弧上。此时的最小椭圆面积无法通过数学证明直接获得,而需调用Matlab优化工具箱中解决约束极小问题的fmincon函数对过两点的椭圆面积求极小值。所述fmincon函数的数学描述如下:
minF(Y)
subjectto:C*Y≤D,Ceq*Y=Deq(线性约束)
E(Y)≤0,Eeq(Y)=0(非线性约束)
LD≤Y≤UD
其中,Y,D,Deq,LD,UD为向量;C和Ceq为线性约束矩阵;E(Y)和Eeq(Y)为非线性约束函数,返回值为标量。F(Y)为待求取极小值的椭圆面积函数。
通过给定拟包络的形状不规则的时间概率区域的二维坐标作为约束,可由Matlab封装的fmincon函数求得该不规则区域外接椭圆面积的最小值。该最小面积椭圆所对应的参数即为射流与人员呼吸平面相交的椭圆截面参数。当椭圆截面的参数确定后,满足设计目标的圆形射流末端断面也随之确定。以上即为覆盖工人呼吸平面域的最小椭圆包络线方法。如图7(a)所示为采用传统工位送风的送风气流覆盖范围,可知气流对于工人移动区域的覆盖范围较小,对工人的呼吸防护效果较差;如图7(b)所示则为采用本发明方法对覆盖工人呼吸平面域进行提取并优化的工位送风效果,可知该送风气流覆盖工人移动区域的范围显著增大,通过多个相邻工位送风口营造的送风气流的有效衔接可覆盖工人在车间的主要活动区域,进而大幅降低工人的呼吸暴露。
上述相关说明以及对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些内容做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述相关说明以及对实施例的描述,本领域的技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种覆盖工人呼吸平面域的提取方法,其特征在于:统计工人在操作过程中的移动停留时间概率峰值网格,根据工人移动停留时间概率峰值网格所围成的形状确定设计面域的基本形状。
2.根据权利要求1所述的覆盖工人呼吸平面域的提取方法,其特征在于:其中采用最小椭圆包络线方法。
3.根据权利要求2所述的覆盖工人呼吸平面域的提取方法,其特征在于:以包络概率峰值网格为边界条件确定最小椭圆包络线法覆盖工人呼吸的设计面域。
4.根据权利要求3所述的覆盖工人呼吸平面域的提取方法,其特征在于:所述覆盖工人呼吸平面域的最小椭圆包络线方法,通过分析送风射流体不同角度下与呼吸区平面投射相交时的面域形状特征,按照射流边界包络人员呼吸平面域的原则,得到基于工人停留时间概率峰值的呼吸区设计平面域提取方法,将移动工人的呼吸面域与送风射流相交的区域抽象为椭圆形,发展出一种最小椭圆包络线的方法外接工人移动停留概率峰值网格所围成的区域。
5.根据权利要求1所述的覆盖工人呼吸平面域的提取方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)选取圆形喷口作为工人呼吸防护气流的送风装置,则根据射流基本特征,喷口送风将与工人呼吸高度所在的平面相交;当平面垂直于射流轴时,相交断面呈圆形,当平面与射流轴非正交时,相交断面呈椭圆形;
(2)对于利用单个位置固定的圆形喷口实现对工人移动平面域内时间概率峰值区域的基本覆盖问题,需要根据工人移动停留时间概率峰值网格所围成的形状确定设计面域的基本形状;
(3)由于圆形喷口射流在工人呼吸平面的截面呈椭圆形,若要用一个椭圆截面对所要求的时间概率区域进行包络,则借助最小椭圆包络线算法加以实现。
6.根据权利要求5所述的覆盖工人呼吸平面域的提取方法,其特征在于,步骤(1)中,
根据圆形喷口射流理论,若射流轴与已知平面正交,则射流某断面与喷口的几何关系可由如下公式表示:
Figure FDA0002868637010000011
式中,R为射流半径,m;a为紊流系数,对于圆形喷口取0.08;s为射流断面到圆形喷口的距离,m;r0为圆形喷口半径,m。
由射流的几何特征,推知当射流轴非正交于已知平面时的主体段断面流量及真实动量:
Figure FDA0002868637010000012
Figure FDA0002868637010000013
式中,Q为主体段断面流量,m3/s;Q0为圆形喷口出口流量,m3/s;vs为主体段质量平均流速,m/s,反映主体段的真实动量;β为垂直于射流轴的圆断面与水平面的夹角;u0为射流出口断面的平均速度,m/s;a为紊流系数,对于圆形喷口取0.08;s为射流断面到圆形喷口的距离,m;r0为圆形喷口半径,m。
7.根据权利要求5所述的覆盖工人呼吸平面域的提取方法,其特征在于,步骤(2)中包括,
(2.1)所述工人移动停留时间概率峰值网格根据现场计时统计的工人在单个操作周期内于所划定的网格区域内的移动停留时间与记录总时间的比值确定:
Figure FDA0002868637010000021
式中,Ti为记录的工人在第i个网格内的移动停留时间;N为所划分的网格总数;
(2.2)当所需包络的代表概率峰值的格子数目较少时,利用单个圆形喷口的送风气流即可实现;而当所需覆盖的概率峰值的格子数目较多时,面域范围大幅增加且呈不规则状,此时,单个圆形喷口送风需要制造一股适当的气流来包络该不规则区域;理想地,若要对面域内停留时间概率实现100%覆盖,则需要一股相对更大的送风气流。
8.根据权利要求5所述的覆盖工人呼吸平面域的提取方法,其特征在于,步骤(3)中包括,
(3.1)对于形状规则的时间概率区域,如时间概率区域呈矩形,若要完全包络该矩形,则矩形的4个顶点应落在椭圆弧上,同时满足矩形与椭圆截面的形心重合,此时,最小包络椭圆的截面参数确定采用压缩变换的方法,实质是求椭圆面积πxy在满足如下公式前提下的值域:
Figure FDA0002868637010000022
其中,A,B分别表示矩形相邻两条边的一半;x,y分别为椭圆的长、短半轴;
椭圆面积πxy≥2πAB,那么最小椭圆的长半轴等于
Figure FDA0002868637010000023
短半轴等于
Figure FDA0002868637010000024
(3.2)对于形状不规则的时间概率区域,包络线需满足让不规则区域最外侧的两个顶点同时落在椭圆弧上;调用Matlab优化工具箱中解决约束极小问题的fmincon函数对过两点的椭圆面积求极小值;
(3.3)当椭圆截面的参数确定后,得到设计目标的圆形射流末端断面。
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