CN114639181B - 一种反复潜水时余氮时间计算方法 - Google Patents

一种反复潜水时余氮时间计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明反复潜水时余氮时间计算方法包括：通过首次潜水的潜水深度和水下工作时间计算首次潜水水下工作结束离底时机体各理论组织的氮张力，通过首次潜水的潜水深度和水下工作时间查找减压表得到离底安全系数和各停留站安全系数，通过离底时机体各理论组织的氮张力、各安全系数计算出第一停留站深度及各停留站停留时间，进而计算出首次潜水减压阶段结束后出水时刻的机体各理论组织的余氮张力；通过水面停留时间和出水时刻的机体各理论组织的余氮张力，计算出水面停留阶段结束时机体各理论组织的余氮张力值；在反复潜水开始时，将水面停留阶段结束时机体各理论组织的余氮张力值换算为反复潜水深度处的等价水下工作时间以作为余氮时间。

Description

一种反复潜水时余氮时间计算方法
技术领域
本发明涉及潜水减压技术领域，特别是涉及反复潜水时余氮时间的计算算法，为反复潜水的安全减压提供依据。
背景技术
相比于单次潜水，反复潜水是指在前次潜水减压结束后，机体组织内残余的氮气(简称“余氮”)张力尚未完全消除之前又进行的再次潜水。潜水员前次潜水结束到反复潜水开始时这段时程称为“水面间隔时间”，水面间隔期间潜水员体内的余氮不断地在脱饱和。因此，反复潜水的减压方案计算时需要将反复潜水开始时机体组织内尚存的余氮张力换算成反复潜水深度处的等价水下工作时间，由于该时间由余氮张力换算而来，故称“余氮时间”。
反复潜水余氮时间表出现之前，采用两次潜水中较深的深度作为潜水深度，两次潜水水下工作时间之和作为反复潜水工作时间计算反复潜水减压方案，也就是将首次潜水的水下工作时间全部作为余氮时间，这种计算方法虽然能够保证安全减压但通常过于保守，造成减压时间的浪费，增加潜水员在水下的体力消耗与不良水下环境带来的安全风险，也影响潜水作业效率，有时甚至超过减压表中水下工作时间的限值，无法查找出相应的氮过饱和安全系数进行减压计算。
在我国，采用“余氮时间”来处理反复潜水主要是始于1977～1980年打捞日本沉船“阿波丸”工程(7713工程)。潜水深度48～69m(大部分在 60m以深)，主要采用水面吸氧法减压，减压表的水下减压部分采用前苏表 (1958)的相应部分，水面(舱内)部分自拟。进行反复潜水时，参考美海军空气潜水标准减压表(1953)的反复潜水分组符号，再根据水面间隔时间查找余氮时间，减压效果良好。
随后，在上世纪八十年代后期，上海“海科院”联合“上海救捞局”等单位，将苏联海军空气潜水减压表(1958)与美国海军空气潜水标准减压表的反复潜水分组符号和余氮时间表的相应部分组合在一起，形成我国的国家标准GB/T 12521-1990《空气潜水减压技术要求》，2008年又作了修订。
但是，苏联海军空气潜水减压表在深度较浅/水下工作时间较长的方案减压安全性明显不足，美国海军空气潜水标准减压表(1953)与配套使用的反复潜水余氮时间表存在三大方面的明显不足：1.该减压表在深度较大/水下工作时间较长的方案减压安全性明显不足，减压病发病率高；2.余氮时间过于保守，约有半数水面间隔较短的减压方案的余氮时间比前次的水下工作时间还长；3.水面间隔时间分档不合理，美海军采用16个英文字母作为反复潜水分组符号的标识，字母每前移一位，水面间隔分档相应减少一档，至字母 A时水面间隔时间只剩一档。近年《美国海军潜水手册》(第7版)虽对空气潜水减压表与配套的余氮时间表重新作了较大的调整：空气潜水减压表比老表(1953)增加了第一停留站深度；明显延长了减压总时间。但第一停留站深度依旧显得偏浅，减压时间分配明显不合理。
所以从上述现状来看，目前国内缺少余氮时间的计算算法，所使用的余氮时间表尚无理论依据，且国外潜水减压表以及余氮时间表又暴露出种种问题，因此迫切需要一种科学的余氮时间计算方法为反复潜水提供理论指导。
发明内容
本发明解决的技术问题是如何科学地、准确地解决反复潜水时余氮时间的计算问题，通过经典赫尔顿潜水减压理论拓展出一套余氮时间计算算法，以保障反复潜水时潜水员的减压安全，提供反复潜水时减压计算的可靠依据。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供一种反复潜水时余氮时间计算方法，其特点在于，其包括以下步骤：
S1、首次潜水减压阶段：通过首次潜水的潜水深度和水下工作时间计算出首次潜水水下工作结束离底时(离底时指的是潜水员完成水下工作，将要减压上升时)机体各理论组织的氮张力，以及通过首次潜水的潜水深度和水下工作时间查找减压表得到离底安全系数和各停留站安全系数，并通过离底时机体各理论组织的氮张力、离底安全系数和各停留站安全系数迭代地计算出第一停留站深度以及各停留站停留时间，进而计算出首次潜水减压阶段结束后出水时刻的机体各理论组织的余氮张力；
S2、水面停留阶段：通过水面停留时间和首次潜水阶段结束时出水时刻的机体各理论组织的余氮张力，计算出水面停留阶段结束时机体各理论组织的余氮张力值；
S3、反复潜水阶段：在反复潜水开始时，将水面停留阶段结束时机体各理论组织的余氮张力值换算为反复潜水深度处的等价水下工作时间以作为余氮时间，并且在反复潜水离底计算减压方案时，将实际水下工作时间与余氮时间之和作为本次反复潜水工作时间，进而获得相应的安全系数进行减压方案的计算。
较佳地，在步骤S1中，采用以下公式计算离底时机体各理论组织的氮张力：
Figure SMS_1
该公式(1)中，Pb(i)表示第i个理论组织经过一段时间停留后的氮张力，P0(i)表示第i个理论组织初始时氮张力，T表示水下工作时间，t(i)表示第i 个理论组织的半饱和时间，Db表示潜水深度，C表示空气惰性气体分压百分比常数；
将首次潜水的水下工作时间代入T，首次潜水的潜水深度代入Db，P0(i)初始化为标准大气压下空气惰性气体分压，则计算得到Pb(i)，即为第i个理论组织离底时氮张力。
较佳地，在步骤S1中，采用以下公式计算第一停留站深度：
Figure SMS_2
该公式(2)中，D1表示第一停留站深度，Plead1表示领先组织氮张力，此领先组织指的是离底时机体各理论组织氮张力最高的组织，Sb表示离底安全系数。
较佳地，在步骤S1中，采用以下公式计算各停留站停留时间：
Figure SMS_3
该公式(3)中，Tj表示第j个停留站停留时间，tlead2表示领先组织的半饱和时间，Plead2表示领先组织的氮张力，此领先组织指的是在第j个停留站停留结束时机体各理论组织氮张力最高的组织，Dj表示第j个停留站深度， Dj+1表示第j+1个停留站深度(即第j停留站的下一停留站深度)，Sj表示第j 个停留站安全系数，c是空气惰性气体分压百分比常数，j≥1；
计算到达第一停留站时机体各理论组织的氮张力：依据公式(1)，上升至第一停留站的时间代入T，首次潜水的潜水深度与到达第一停留站深度的平均值代入Db，离底时机体各理论组织的氮张力代入P0(i)，则计算得到Pb(i)，即为达到第一停留站时机体第i个理论组织氮张力；
计算第j个停留站停留结束时机体各理论组织的氮张力：将第j个停留站停留时间代入T，第j个停留站深度代入Db，到达第j个停留站时机体各理论组织的氮张力代入P0(i)，则计算得到Pb(i)，即为第j个停留站停留结束时机体第i个理论组织氮张力，而且当j≥2时，到达第j个停留站时机体各理论组织的氮张力＝第j-1个停留站停留结束时机体各理论组织的氮张力；
最后一个停留站停留结束时机体各理论组织氮张力作为首次潜水阶段结束时出水时刻的机体各理论组织的余氮张力。
较佳地，在步骤S2中，采用以下方法确定水面停留阶段结束时机体各理论组织的余氮张力值：
将首次潜水阶段结束时出水时刻的机体第i个理论组织的余氮张力Pf(i) 代入公式(1)中替代P0(i)、水面停留时间Ts代入公式(1)中替代T、水面停留深度D0代入公式(1)中替代Db，即可计算出水面停留阶段结束时机体第i 个理论组织的余氮张力值Pl(i)。
较佳地，在步骤S3中，采用以下公式计算余氮时间：
Figure SMS_4
该公式(4)中，Te表示余氮时间，tlead3表示领先组织的半饱和时间，tlead3表示水面停留阶段结束时机体领先组织的余氮张力值，即水面停留阶段结束时机体各理论组织的余氮张力值Pl(i)中最大值，PN表示标准大气压下空气惰性气体分压，Dr表示反复潜水深度，c表示空气惰性气体分压百分比常数。
较佳地，在步骤S3中，通过以下方式使用余氮时间进行反复潜水：在反复潜水减压计算时，以Tsum＝Te+Tr作为本次反复潜水工作时间，其中Tr表示反复潜水实际水下工作时间。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
本发明技术方案通过对经典赫尔顿潜水减压理论的创新拓展，弥补了国内余氮时间计算算法领域的空白，为余氮时间计算提供理论依据，且该算法还具有以下特点:
本算法参考的安全系数来源于《12～60m空气潜水减压表》，由于《12～60m 空气潜水减压表》减压充分，因而减压结束后机体各理论组织内的余氮张力值相对较低，换算出的余氮时间相应地较短。因此在保证安全的前提下适当缩短过长的余氮时间。这样，既提高潜水作业效率，同时也可减少潜水员在水下减压时的体力消耗与水下低温、涌浪、急流以及可能的有害水生物袭击的安全风险。
对两次潜水间水面间隔时间的上限作了新的规定，《美国海军潜水手册》(第7版)将减压结束时潜水员体内领先组织中的余氮张力排净时刻判定为水面间隔时间的上限，却忽略了半饱和时间更长的理论组织，这些理论组织在水面间隔时间结束时仍残留有不少的余氮，而本发明将理论组织中的余氮张力也考虑在内，更有利于反复潜水的减压安全。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的反复潜水时余氮时间计算方法的概括流程图。
图2为本发明较佳实施例的反复潜水时余氮时间计算方法的具体流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本实施例提供一种反复潜水时余氮时间计算方法，其包括以下步骤：
步骤101、首次潜水减压阶段：通过首次潜水的潜水深度和水下工作时间计算出首次潜水水下工作结束离底时(离底时指的是潜水员完成水下工作，将要减压上升时)机体各理论组织的氮张力，以及通过首次潜水的潜水深度和水下工作时间查找减压表得到离底安全系数和各停留站安全系数，并通过离底时机体各理论组织的氮张力、离底安全系数和各停留站安全系数迭代地计算出第一停留站深度以及各停留站停留时间，进而计算出首次潜水减压阶段结束后出水时刻的机体各理论组织的余氮张力。
根据潜水深度和水下工作时间查找《12～60m空气潜水减压表》得到离底安全系数和各停留站安全系数。安全系数是机体理论组织的氮张力值与外界环境压的比值，在潜水员上升过程中会出现机体氮张力大于环境压的情况，如果两者差距过大，则机体溶解的氮张力会从组织中脱出，造成减压病的发生，安全系数规定了机体理论组织的氮张力值与外界环境压安全的比值，因此可根据安全系数计算出减压过程中第一停留站的深度和各停留站的停留时间。
其中，采用以下公式计算离底时机体各理论组织的氮张力：
Figure SMS_5
该公式(1)中，Pb(i)表示第i个理论组织经过一段时间停留后的氮张力， P0(i)表示第i个理论组织初始时氮张力，T表示水下工作时间，t(i)表示第i 个理论组织的半饱和时间，Db表示潜水深度，c表示空气惰性气体分压百分比常数。
将首次潜水的水下工作时间代入T，首次潜水的潜水深度代入Db，P0(i)初始化为标准大气压下空气惰性气体分压，则计算得到Pb(i)，即为第i个理论组织离底时氮张力。
初始化机体各理论组织氮张力值为标准大气压下惰性气体分压，这里的惰性气体定义为广义上的，空气中不参与机体代谢的气体，并且划分理论组织的依据是理论组织的半饱和时间。
采用以下公式计算第一停留站深度：
Figure SMS_6
该公式(2)中，D1表示第一停留站深度，Plead1表示领先组织氮张力，此领先组织指的是离底时机体各理论组织氮张力最高的组织，Sb表示离底安全系数。
采用以下公式计算各停留站停留时间：
Figure SMS_7
该公式(3)中，Tj表示第j个停留站停留时间，tlead2表示领先组织的半饱和时间，Plead2表示领先组织的氮张力，此领先组织指的是在第j个停留站停留结束时机体各理论组织氮张力最高的组织，Dj表示第j个停留站深度， Dj+1表示第j+1个停留站深度(即第j停留站的下一停留站深度)，Sj表示第j 个停留站安全系数，c是空气惰性气体分压百分比常数，j≥1。
计算到达第一停留站时机体各理论组织的氮张力：依据公式(1)，上升至第一停留站的时间代入T，首次潜水的潜水深度与到达第一停留站深度的平均值代入Db，离底时机体各理论组织的氮张力代入P0(i)，则计算得到Pb(i)，即为达到第一停留站时机体第i个理论组织氮张力。
计算第j个停留站停留结束时机体各理论组织的氮张力：将第j个停留站停留时间代入T，第j个停留站深度代入Db，到达第j个停留站时机体各理论组织的氮张力代入P0(i)，则计算得到Pb(i)，即为第j个停留站停留结束时机体第i个理论组织氮张力，而且当j≥2时，到达第j个停留站时机体各理论组织的氮张力＝第j-1个停留站停留结束时机体各理论组织的氮张力。
最后一个停留站停留结束时机体各理论组织氮张力作为首次潜水阶段结束时出水时刻的机体各理论组织的余氮张力。
步骤102、水面停留阶段：通过水面停留时间和首次潜水阶段结束时出水时刻的机体各理论组织的余氮张力，计算出水面停留阶段结束时机体各理论组织的余氮张力值。
其中，采用以下方法确定水面停留阶段结束时机体各理论组织的余氮张力值：
将首次潜水阶段结束时出水时刻的机体第i个理论组织的余氮张力Pf(i) 代入公式(1)中替代P0(i)、水面停留时间Ts代入公式(1)中替代T、水面停留深度D0代入公式(1)中替代Db，即可计算出水面停留阶段结束时机体第i 个理论组织的余氮张力值Pl(i)。
步骤103、反复潜水阶段：在反复潜水开始时，将水面停留阶段结束时机体各理论组织的余氮张力值换算为反复潜水深度处的等价水下工作时间以作为余氮时间。
其中，采用以下公式计算余氮时间：
Figure SMS_8
该公式(4)中，Te表示余氮时间，tlead3表示领先组织的半饱和时间，Plead3表示水面停留阶段结束时机体领先组织的余氮张力值，即水面停留阶段结束时机体各理论组织的余氮张力值Pl(i)中最大值，PN表示标准大气压下空气惰性气体分压，Dr表示反复潜水深度，c表示空气惰性气体分压百分比常数。
步骤104、利用余氮时间进行反复潜水减压计算：在反复潜水离底计算减压方案时，将实际水下工作时间与余氮时间之和作为本次反复潜水工作时间，进而获得相应的安全系数进行减压方案的计算。
其中，通过以下方式使用余氮时间进行反复潜水：在反复潜水减压计算时，以Tsum＝Te+Tr作为本次反复潜水工作时间，其中Tr表示反复潜水实际水下工作时间。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种反复潜水时余氮时间计算方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、首次潜水减压阶段：通过首次潜水的潜水深度和水下工作时间计算出首次潜水水下工作结束离底时机体各理论组织的氮张力，以及通过首次潜水的潜水深度和水下工作时间查找减压表得到离底安全系数和各停留站安全系数，并通过离底时机体各理论组织的氮张力、离底安全系数和各停留站安全系数迭代地计算出第一停留站深度以及各停留站停留时间，进而计算出首次潜水减压阶段结束后出水时刻的机体各理论组织的余氮张力；
S2、水面停留阶段：通过水面停留时间和首次潜水阶段结束时出水时刻的机体各理论组织的余氮张力，计算出水面停留阶段结束时机体各理论组织的余氮张力值；
S3、反复潜水阶段：在反复潜水开始时，将水面停留阶段结束时机体各理论组织的余氮张力值换算为反复潜水深度处的等价水下工作时间以作为余氮时间，并且在反复潜水离底计算减压方案时，将实际水下工作时间与余氮时间之和作为本次反复潜水工作时间，进而获得相应的安全系数进行减压方案的计算；
在步骤S1中，采用以下公式计算离底时机体各理论组织的氮张力：
Figure FDA0004252684450000011
该公式(1)中，Pb(i)表示第i个理论组织经过一段时间停留后的氮张力，P0(i)表示第i个理论组织初始时氮张力，T表示水下工作时间，t(i)表示第i个理论组织的半饱和时间，Db表示潜水深度，c表示空气惰性气体分压百分比常数；
将首次潜水的水下工作时间代入T，首次潜水的潜水深度代入Db，P0(i)初始化为标准大气压下空气惰性气体分压，则计算得到Pb(i)，即为第i个理论组织离底时氮张力；
在步骤S1中，采用以下公式计算第一停留站深度：
Figure FDA0004252684450000021
该公式(2)中，D1表示第一停留站深度，Plead1表示领先组织氮张力，此领先组织指的是离底时机体各理论组织氮张力最高的组织，Sb表示离底安全系数；
在步骤S1中，采用以下公式计算各停留站停留时间：
Figure FDA0004252684450000022
该公式(3)中，Tj表示第j个停留站停留时间，tlead2表示领先组织的半饱和时间，Plead2表示领先组织的氮张力，此领先组织指的是在第j个停留站停留结束时机体各理论组织氮张力最高的组织，Dj表示第j个停留站深度，Dj+1表示第j+1个停留站深度(即第j停留站的下一停留站深度)，Sj表示第j个停留站安全系数，c是空气惰性气体分压百分比常数，j≥1；
计算到达第一停留站时机体各理论组织的氮张力：依据公式(1)，上升至第一停留站的时间代入T，首次潜水的潜水深度与到达第一停留站深度的平均值代入Db，离底时机体各理论组织的氮张力代入P0(i)，则计算得到Pb(i)，即为达到第一停留站时机体第i个理论组织氮张力；
计算第j个停留站停留结束时机体各理论组织的氮张力：将第j个停留站停留时间代入T，第j个停留站深度代入Db，到达第j个停留站时机体各理论组织的氮张力代入P0(i)，则计算得到Pb(i)，即为第j个停留站停留结束时机体第i个理论组织氮张力，而且当j≥2时，到达第j个停留站时机体各理论组织的氮张力＝第j-1个停留站停留结束时机体各理论组织的氮张力；
最后一个停留站停留结束时机体各理论组织氮张力作为首次潜水阶段结束时出水时刻的机体各理论组织的余氮张力；
在步骤S2中，采用以下方法确定水面停留阶段结束时机体各理论组织的余氮张力值：
将首次潜水阶段结束时出水时刻的机体第i个理论组织的余氮张力Pf(i)代入公式(1)中替代P0(i)、水面停留时间Ts代入公式(1)中替代T、水面停留深度D0代入公式(1)中替代Db，即可计算出水面停留阶段结束时机体第i个理论组织的余氮张力值Pl(i)；
在步骤S3中，采用以下公式计算余氮时间：
Figure FDA0004252684450000031
该公式(4)中，Te表示余氮时间，tlead3表示领先组织的半饱和时间，Plead3表示水面停留阶段结束时机体领先组织的余氮张力值，即水面停留阶段结束时机体各理论组织的余氮张力值Pl(i)中最大值，PN表示标准大气压下空气惰性气体分压，Dr表示反复潜水深度，c表示空气惰性气体分压百分比常数。
2.如权利要求1所述的反复潜水时余氮时间计算方法，其特征在于，在步骤S3中，通过以下方式使用余氮时间进行反复潜水：在反复潜水减压计算时，以Tsum＝Te+Tr作为本次反复潜水工作时间，其中Tr表示反复潜水实际水下工作时间。
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