Комп’ютерний комплекс моделювання динаміки фізіологічного стану людини при роботі у приміщенні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Міжнародний науково-навчальний центр

інформаційних технологій та систем

УДК 519.876+612.57

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Комп'ютерний комплекс моделювання динаміки фізіологічного стану людини при роботі у приміщенні

05.13.09 - медична і біологічна інформатика та кібернетика

Богатьонкова Алла Ігорівна

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Міжнародному науково-навчальному центрі інформаційних технологій та систем Національної академії наук України і Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник:

доктор біологічних наук, професор,

Єрмакова Ірена Йосипівна,

Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій та систем Національна академія наук України і Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України, м. Київ, провідний науковий співробітник відділу комплексних досліджень інформаційних технологій.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор,

Онопчук Юрій Миколайович,

Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, м. Київ, завідувач відділу моделювання інформаційно-функціональних систем;

кандидат фізико-математичних наук,

Мамілов Сергій Олександрович,

Інститут прикладних проблем фізики і біофізики НАН України, старший науковий співробітник відділу квантової електроніки.

Захист відбудеться «____»___________2011 р. о (об) _____ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.171.03 в Міжнародному науково-навчальному центрі інформаційних технологій та систем Національної академії наук України і Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України за адресою: 03680, Київ - 680, МСП, проспект Академіка Глушкова, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Міжнародного науково-навчального центру інформаційних технологій та систем Національна академія наук України і Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України.

Автореферат розісланий «_____»_________________ ________ р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.171.03 _________________ Гонтар Т.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення належних умов праці на робочому місці, безпека технологічних процесів, санітарно-побутові умови праці та створення комфортних умов перебування людини у приміщенні набувають особливого значення, оскільки більшу частину свого часу людина проводить саме в приміщенні.

Математичне моделювання разом з методами експериментальної фізіології дозволяє вирішувати задачі дослідження взаємодії людини з оточуючим середовищем. Технології комп'ютерного моделювання та аналізу медико-біологічних даних повинні враховувати досить велике різноманіття, різнорідність та слабку формалізацію досліджуваних процесів, бути досить гнучкими та універсальними, будуватись за принципами модульності, інтерактивності, надавати можливість вдосконалення та оптимізації.

Розробка і застосування математичних моделей для вирішення задач мінімізації негативного впливу середовища на людину знайшли відображення в працях вітчизняних і зарубіжних вчених. Перші моделі фізіологічних систем людини були розроблені школами В.М. Новосельцева; М.М. Амосова (В.А. Ліщук, І.Й. Єрмакова, К.Г. Лябах, Р.Д. Григорян та ін.); Ю.Г. Антомонова (А.Б. Котова, С.І. Кіфоренко та ін.); Ю.М. Онопчука та ін. Дослідженню різноманітних аспектів моделювання термофізіологічного стану людини при роботі в приміщенні присвячено багато робіт зарубіжних авторів серед яких найбільш відомі S. Tanabe, 2004; С. Huizenga, 2001; F. d'Ambrosio, 2008.

Фізіологічний стан людини при роботі у приміщенні переважно моделюється на основі оцінки процесу теплообміну з середовищем, який включає наступні складові: випаровування, конвекцію, теплопровідність, радіацію. Але майже усі існуючі моделі розглядають вплив довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації окремо, не беручи до уваги термофізіологічний стан людини при роботі у приміщенні в динаміці. Для забезпечення комфортності та безпеки робочих місць, режиму праці та відпочинку необхідно застосовувати комплексний підхід до аналізу параметрів динамічної системи, які визначають комфортні умови знаходження людини в приміщенні.

Таким чином, створення нового гнучкого, автономного та універсального комп'ютерного комплексу для оцінювання термофізіологічного стану людини при роботі в приміщенні під впливом довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації, який враховує неоднорідність приміщення, місцезнаходження людини в приміщенні, характеристики стану та ступінь фізичної активності людини, ансамбль одягу людини, а також реакції систем, які беруть участь у терморегуляції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках науково-дослідних робіт Міжнародного науково-навчального центру інформаційних технологій та систем Національної академії наук України і Міністерством освіти і науки, молоді та спорту України: «Інформаційні технології дослідження енергетичного стану людини при дії екстремальних факторів» (№ державної реєстрації 0103U000994, 2003-2006 рр.); «Розробка гнучкої інформаційної системи для дослідження адаптації людини до дії екстремальних факторів навколишнього середовища» (№ державної реєстрації 0107U000569, 2007-2011 рр.); «Розробка інформаційних технологій для прогнозу стану і забезпечення життєдіяльності людини в різних температурних умовах» (Науковий міжнародний проект НАН України сумісно з Інститутом прикладної фізіології CNRS (Франція, м. Страсбург), 2006-2007 рр.); «Ризик-фактори професійних захворювань - методи оцінки та профілактика» (Сьома рамкова програма ЄС FP-7 Марі Кюрі, люди, 2009-2012 рр.).

Мета дослідження: обґрунтування, розробка і реалізація комп'ютерного комплексу для моделювання термофізіологічного стану людини під час роботи в приміщенні під впливом довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації.

Завдання дослідження:

1. Проаналізувати існуючі математичні моделі термофізіологічного стану людини при роботі у приміщенні, при впливі довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації.

2. Розробити динамічну модель термофізіологічного стану людини при роботі у приміщенні з урахуванням температурної неоднорідності та розмірів приміщення, місцезнаходження людини, ансамблю одягу, фізичного навантаження і наявності сонячної короткохвильової радіації.

3. Розробити та реалізувати модуль програмного забезпечення для оцінювання температурного комфорту людини в приміщенні.

4. Розробити та реалізувати комп'ютерний комплекс для прогнозу термофізіологічного стану людини в приміщенні при зміні умов впливу довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації.

Об'єкт дослідження - термофізіологічний стан людини під час роботи в приміщенні при впливі на неї довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації.

Предмет дослідження - моделі впливу довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації на людину при роботі у приміщенні.

Методи дослідження. При розробці математичного опису впливу довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації на людину використані методи мультикомпартментного моделювання та апарат звичайних диференціальних рівнянь. Методи розробки програмного забезпечення базуються на використанні об'єктно-орієнтованої мови програмування - Borland C++ Builder 6.0. Для визначення адекватності розроблених математичних моделей використані статистичні методи, а також аналіз чутливості вихідних параметрів до змін вхідних параметрів моделей.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше розроблено комплекс динамічних моделей теплообміну людини, який враховує температурну неоднорідність та розміри приміщення, а також місцезнаходження людини, що дозволяє моделювати вплив довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації на людину при роботі в приміщенні;

- вдосконалено та поширено клас мультикомпартментальних моделей терморегуляції та теплообміну людини для прогнозу термофізіологічного стану при роботі в приміщенні в частині впливу довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації;

- вперше розроблено та реалізовано інформаційний модуль для оцінювання температурного комфорту людини в приміщенні, який враховує дію довгохвильової і короткохвильової сонячної радіації на людину в приміщенні;

- розроблено та реалізовано комп'ютерний комплекс прогнозу функціонального стану людини при роботі в приміщенні, головна відмінність якого полягає в аналізі реакцій нервової, дихальної, серцево-судинної систем організму, системи терморегуляції та особливостей водно-сольового обміну.

Практичне значення отриманих результатів.

Отримані результати мають практичне значення в галузі медицини та гігієни праці для випереджаючого прогнозу впливу факторів навколишнього середовища на людину при роботі у приміщенні.

Впровадження розробленого методу визначення динаміки термофізіологічного стану людини під час роботи в приміщенні при дії довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації дозволяє створювати оптимальні умови праці людини, регулювати тривалість робочого часу і відпочинку, що сприяє підвищенню ефективності праці та збереженню здоров'я населення.

Використання розробленого комп'ютерного комплексу для дослідження реакцій нервової, дихальної, серцево-судинної систем організму, системи терморегуляції та особливостей водно-сольового обміну на дію довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації дозволяє прогнозувати зміни функціонального стану людини за вказаних умов і попереджати негативні наслідки роботи в несприятливих умовах. Застосування комп'ютерного комплексу для випереджувального прогнозу дозволяє визначити ступінь можливого ушкодження систем та органів людини, а також запропонувати систему забезпечення температурного комфорту при перебуванні людини в приміщенні.

На основі розробленого комп'ютерного комплексу оцінки термофізіологічного стану людини при роботі у приміщенні можливо розробити моделювальні комплекси для дослідження впливу інших факторів ризику на людину.

Запропоновані методи оцінки динаміки термофізіологічного стану людини використовуються на підприємстві «Екма» Київського національного університету технологій та дизайну для прогнозу і оцінки теплового стану людини в пошивочному цеху, що сприяло забезпеченню температурного комфорту людини на підприємстві під час роботи.

Розроблені моделі оцінки і прогнозу температурного комфорту людини в приміщенні впроваджено в ЗАО «Укрпрофздравниця» ДП «Клінічний санаторій «Жовтень» для розрахунку параметрів температурного комфорту і забезпечення оптимальних умов перебування пацієнта в палатах реабілітації та процедурних кабінетах.

Результати та методики модельного дослідження теплообміну людини використовується в лекційних матеріалах програми підготовки студентів 4-6 курсів кафедри фізичної та біомедичної електроніки факультету електроніки Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут».

Особистий внесок здобувача. В роботах зі співавторами дисертанту належить: [1] - матеріал стосовно розробки алгоритму моделювання комп'ютерної технології для оцінювання температурного комфорту людини у приміщенні при дії довгохвильової радіації; [2] - математичний опис динамічної моделі для оцінювання температурного комфорту людини, а також результати моделювання; [3] - методика моделювання впливу довгохвильової радіації на людину, яка працює в приміщенні, а також аналіз результатів моделювання впливу місцезнаходження людини у приміщенні та температурної неоднорідності приміщення; [4] - математичний опис, розроблена комп'ютерна технологія та отримані результати моделювання впливу короткохвильової радіації на людину у приміщенні; [6] - опрацьовані результати моделювання комп'ютерної технології для прогнозу температурного комфорту людини у приміщенні; [8] - матеріал щодо алгоритму та програмного забезпечення для комп'ютерної технології моделювання фізіологічного стану людини в різноманітних умовах середовища, а також результати моделювання.

Апробація результатів дисертації: Основні результати роботи доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях: Міжнародні науково-технічні конференції «Проблеми електроніки» (м. Київ, 2007, 2008); Міжнародні науково-технічні конференції «Електроніка та нанотехнології» (м. Київ, 2009, 2010); Перший всеукраїнський з'їзд «Медична і біологічна інформатика і кібернетика» з міжнародною участю (Київ, 2010); Науково-технічні школи-семінари «Біомедичні інформаційні технології в охороні здоров'я», «Біологічна і медична інформатика і кібернетика» (м. Жукін, 2009, 2010); VII Міжнародний симпозіум «Електроніка в медицині. Моніторинг, діагностика, терапія» (Росія, м. Санкт-Петербург, 2010).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані у 10 наукових працях, серед яких 5 статей у вітчизняних наукових фахових виданнях, які входять в перелік, затверджений ВАК України (одна без співавторства).

Об'єм і структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 178 найменувань, 4 додатків. Робота викладена на 160 сторінках друкованого тексту, містить 40 рисунків, 23 таблиці. Загальний обсяг дисертаційної роботи 209 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита важливість та актуальність дослідження впливу довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації на людину при роботі в приміщенні, сформульовано мету, об'єкт, предмет, завдання та методи дисертаційної роботи, визначено наукову новизну і практичне значення роботи. Обґрунтована наукова новизна та практичне значення отриманих результатів. Наведені результати апробації отриманих результатів і особистий внесок дисертанта.

У першому розділі надано результати аналізу основних дефініцій процесу теплообміну випромінюванням людини з середовищем. Розкрита сутність понять прогнозу та оцінки температурного комфорту людини. Показано необхідність профілактики несприятливого впливу факторів навколишнього середовища на функціональний стан людини з психофізіологічної точки зору.

Більшість моделей терморегуляції, що розглядаються, враховують дію сонячного випромінювання на кожну частину поверхні тіла людини, розподіл сонячного випромінювання по всій поверхні тіла людини, та дозволяють розрахувати локальні температури шкіри всіх частин тіла при дії окремо довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації. Модель терморегуляції 65MN (Tanabe S., 2004) включає комбіновану модель терморегуляції та радіації. Модель терморегуляції Huizenga (Huizenga C., 2001) передбачає находження у приміщенні двох людей одночасно, враховуються ефекти, які частини тіла людини і поверхні надають одна на одну; дозволяє дослідити теплообмін, здійснюваний випромінюванням між частинами тіла однієї людини, між частинами тіла двох людей, між частинами тіла людей і навколишніми поверхнями, між поверхнями приміщення. Сонячне короткохвильове випромінювання вводиться параметрично майже в усіх розглянутих моделях. Модель теплової оцінки середовища (d'Ambrosio F., 2008) для визначення температурного комфорту людини дозволяє розрахувати індекси температурного комфорту і теплових відчуттів, глобальний комфорт, локальний комфорт, втрату вологи, ректальну температуру, максимальний час перебування людини в заданих умовах. термофізіологічний стан радіація приміщення

У розділі детально розглянуто спеціальне обладнання для вимірювання, реєстрації та аналізу змін об'єктивних показників системи терморегуляції, які оцінюють температурний комфорт людини. Наведено межі температурного комфорту людини за шкалою Фангера.

Проведений аналіз показав, що жодна з наведених моделей не враховує детально температурну асиметрію приміщення, кутові фактори проекції, місцезнаходження людини в приміщенні, характеристики людини та її одягу, фізичне навантаження, а також реакції системи терморегуляції, серцево-судинної, нервової системи, системи дихання, водно-сольового обміну в динаміці.

У другому розділі надано опис розробленого комплексу математичних динамічних моделей теплообміну людини, яка працює у приміщенні.

Математична модель теплообміну людини під час роботи у приміщенні. При побудові моделі прийнято основні припущення та обмеження, пов'язані з моделюванням довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації:

- стіни, підлога та стеля знаходяться під кутом в 90є один до одного;

- кожна поверхня, яка оточує людину, поділена на частини з різною температурою;

- сонячна короткохвильова радіація вводиться як величина падаючого сонячного потоку;

- моделюється взаємодія з середовищем однієї людини в приміщенні.

Математична модель теплообміну з середовищем випромінюванням враховує розміри та температурну неоднорідність приміщення, кутові фактори проекції, місцезнаходження людини у приміщенні, ансамблі одягу, ступінь фізичного навантаження людини, довгохвильову та короткохвильову сонячну радіацію.

Для подальшого моделювання необхідно представити людину, як сукупність компартментів.

Людина. Тіло людини апроксимовано певною кількістю циліндрів (компартментів), кожний з яких складається з кількох шарів. Компартмент представлений подвійною нумерацією - ij, де i - номер циліндру (частини тіла), j - номер шару в циліндрі (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Апроксимація тіла людини: а - тіло людини поділено на компартменти 1 - голова; 2 - тулуб; 3, 6 - плече; 4, 7 - передпліччя; 5, 8 - кисть; 9, 12 - стегно; 10, 13 - гомілка; 11, 14 - стопа; б - зріз компартменту з номерами шару: j-1 - м'язи, j - шкіра, j+1 - одяг.

В дослідженнях тіло людини було апроксимоване 29 компартментами: шкіра голови, мозок, шкіра тулуба, м'язи тулуба, внутрішні органи, шкіри плечей (2 компартменти), м'язів плечей (2 компартменти), шкіри передпліччя (2 компартменти), м'язів передпліччя (2 компартменти), шкіри кистей (2 компартменти), м'язів кистей (2 компартменти), шкіри стегон (2 компартменти), м'язів стегон (2 компартменти), шкіри гомілок (2 компартменти), м'язів гомілок (2 компартменти), шкіри стоп (2 компартменти), м'язів стоп (2 компартменти).

Довгохвильова радіація є складовою, яка суттєво впливає на термофізіологічний стан людини під час роботи у приміщенні. Теплообмін випромінюванням для кожного ij - компартменту визначається за формулою:

, (1)

де R - теплообмін довгохвильовою радіацією, ккал/год; h - коефіцієнт теплообміну випромінюванням, який враховує постійну Стефана-Больцмана та емісійну властивість поверхні, ккал?год/м²?єС; A - площа поверхні компартменту, м²; T - температура компартменту, є С; T_r - середня радіаційна температура, є С; індекси ij - номер компартменту.

Незначна температурна неоднорідність або зміна розмірів приміщення приводить до істотних змін фізіологічного стану людини. Тому розрахунок середньої радіаційної температури приміщення є ключовим моментом у розробці моделі для прогнозу впливу теплообміну випромінюванням. Середня радіаційна температура приміщення залежить від температурної неоднорідності приміщення. Точність врахування температурної асиметрії приміщення, відповідно до поставлених задач дослідження, залежить від кількості частин, на які поділені поверхні кімнати. Середня радіаційна температура в даній точці простору визначається кутовими факторами проекції від кожного елементу оточуючих предметів та поверхонь приміщень. Кутові фактори проекції відображають ступінь взаємодії людини з поверхнями приміщення.

Середня радіаційна температура (T_r) визначається за формулою:

, (2)

де T - температура, єС; F - кутовий фактор проекції поверхонь; l - номер поверхні приміщення; m - номер частини поверхні.

На рис. 2 представлено схематичне зображення приміщення та місцезнаходження людини. Наведений один із можливих варіантів врахування температурної асиметрії. В даному випадку поверхні приміщення (стіни, підлога та стеля) поділені на 4 частини. Такий поділ моделює взаємодію людини з кожною з 24 поверхонь приміщення.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Схематичне зображення кімнати та місцезнаходження людини: a_lm - довжина ј поверхні, b_lm - висота ј поверхні, c_lm - відстань від людини до центру ј частини поверхні, l = 1 ч 6 - номер поверхні приміщення, m = 1 ч 4 - номер частини поверхні.

Кутовий фактор проекції поверхонь приміщення (стін, підлоги, стелі) до людини визначається за формулою:

, (3)

, , (4)

де F_lm - кутовий фактор поверхні, який відображає ступінь взаємодії між людиною та поверхнею; a_lm - довжина поверхні, м; b_lm - висота поверхні, м; c_lm - відстань від людини до стін, підлоги, стелі, м; f_max, A, B, C, D, E - коефіцієнти, згідно з міжнародним стандартом (ISO 7726:1998 (F), 2005); l - номер поверхні приміщення (стіна, підлога, стеля); m - номер частина поверхні.

Таким чином, в моделі температурна неоднорідність приміщення розраховується за середньою радіаційною температурою:

(5)

Короткохвильова сонячна радіація. Математична модель дозволяє змінювати умови впливу сонячної радіації з різною точністю відповідно до мети моделювання. Сонячна короткохвильова радіація вводиться як величина падаючого сонячного потоку. Сонячна короткохвильова радіація розраховується для кожного зовнішнього компартменту (поверхні тіла), який взаємодіє з навколишнім середовищем.

Нижче наведено частину системи рівнянь моделі, яка враховує вплив довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації:

, (6)

де М - метаболізм, ккал/год; S - сонячна короткохвильова радіація, ккал/год; Т - температура, єС; A - площа поверхні, м²; с - питома теплоємність, ккал/кг·єС; а - товщина шару компартменту, м; m - маса компартменту, кг; w - об'ємна швидкість крові, л/год; с - щільність крові, кг/м³; л - питома теплопровідність, ккал/год?м·єС; h - коефіцієнт теплообміну, ккал?год/м²?єС. Індекси: i - номер компартменту, j - номер шару i-го компартменту, j-1=0 - м'язи, j=1 - шкіра, j+1=2 - одяг, b - кров, С - теплообмін конвекцією, Е - тепловіддача випаровуванням, R - теплообмін випромінюванням (довгохвильова радіація).

Кожне рівняння складається з наступних складових: метаболічна активність компартменту тіла людини, сонячна короткохвильова радіація, теплоперенесення кров'ю з врахуванням кровотоків і властивостей крові, теплопередача кондукцією від внутрішніх шарів до суміжних, теплообмін конвекцією з середовищем, тепловіддача випаровуванням, довгохвильова радіація.

В моделі теплообмін конвекцією з середовищем визначається за формулою:

, (7)

де ,

де С_ij - конвективний потік, ккал/год; А_ij - площа поверхні компартменту, м²; х - швидкість руху повітря в приміщенні, м/сек.

В табл.1 наведені коефіцієнти моделі для визначення теплообміну випромінюванням та конвекцією.

Табл. 1 Коефіцієнти моделі для визначення теплообміну випромінюванням та конвекцією

№ з/п	Частини тіла	Коефіцієнти теплообміну
		випромінюванням, hRij, ккал?год/м2?єС	конвекцією, hCij, ккал?год/м2?єС
1	Голова	5,5	2,75
2	Тулуб	4,5	2,15
3	Плече	2,15	1,75
4	Передпліччя	2,15	1,75
5	Кисть	3,0	3,35
6	Стегно	2,0	1,37
7	Гомілка	2,0	1,37
8	Стопа	4,0	3,0

Модель дозволяє прогнозувати динаміку температур крові, мозку, м'язів, внутрішніх органів, локальних ділянок шкіри, втрату рідини, потовиділення, а також кровотік, теплопродукцію у скелетних м'язах, частоту серцевих скорочень, теплові потоки - теплопровідність, радіація, конвекція, випаровування та інші параметри, які характеризують термофізіологічний стан людини в заданих умовах.

У третьому розділі описано комп'ютерний комплекс для прогнозування термофізіологічного стану людини у приміщенні, який складається з модулю прогнозу термофізіологічного стану людини та модулю оцінки температурного комфорту людини.

Комп'ютерний комплекс реалізовано на об'єктно-орієнтованій мові програмування Borland C++ Builder 6.0. Для вирішення завдань щодо прогнозу температурного стану людини в різних умовах середовища інкапсулюються в Borland C++ Builder 6.0 три базові класи: 1 - Людина, 2 - Середовище, 3 - Біосередовище. Вирішення завдань щодо впливу довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації на людину передбачає введення окремого класу - Радіація.

Розглянуто два методи утворення об'єктів: узагальнення та агрегація. Узагальнення утворює об'єкт з класу інших об'єктів. Агрегація утворює об'єкт як відношення між іншими об'єктами. Властивість успадкування забезпечує існування обох цих методів і надає можливість створювати з об'єктів та їх взаємозв'язків нові об'єкти, які наслідують структуру і методи своїх попередників, додаючи до них нові риси, які відображають їх особливості. В комп'ютерному комплексі клас БіоСередовищеРадіація містить всі властивості класу Біосередовище і доповнюється елементом Радіація.

Реалізація комп'ютерного комплексу на об'єктно-орієнтованій мові дозволяє створювати технології з властивостями компактності, мобільності, а також можливості повторного використання успадкованих об'єктів. Довгохвильова радіація залежить від значення середньої радіаційної температури, яка впливає на теплообмін випромінюванням між людиною та навколишнім середовищем. Середня радіаційна температура змінюється із зміною місцезнаходження людини і температурної асиметрії приміщення.

Представлено блок-схему комп'ютерного комплексу прогнозу термофізіологічного стану людини, який враховує довгохвильову та короткохвильову сонячну радіацію (рис. 3).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Блок-схема комп'ютерного комплексу моделювання динаміки термофізіологічного стану людини при роботі у приміщенні.

Блок вхідних даних містить дані певних класів: «людина», «одяг», «середовище», «приміщення». Клас «людина» містить наступні дані: зріст, вага, площа поверхні тіла, локальні температури тіла, легенева вентиляція, кровотоки, коефіцієнти теплообміну, теплоперенесення тощо. До класу «одяг» входять: теплоізоляційні властивості, індекс вологопроникності, товщина одягу тощо. Клас «середовище» включає: температуру повітря, відносну вологість повітря та швидкість руху повітря у кімнаті. До класу «приміщення» внесені дані: розміри приміщення (ширина, висота, довжина приміщення), відстань від стін, підлоги та стелі до людини, температурна асиметрія приміщення, кількість частин, на які поділені поверхні кімнати.

Математичний опис взаємодії описаних вище класів включає вплив довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації на людину під час роботи у приміщенні з врахуванням розмірів та температурної неоднорідності приміщення, місцезнаходження та положення (сидить/стоїть) людини у приміщенні, ансамблю одягу, рівень фізичного навантаження людини, наявність сонячної короткохвильової радіації. На цьому етапі здійснюється розрахунок проміжних параметрів, їх уточнення, виходячи з умов та задач експерименту.

Розроблений комп'ютерний комплекс дозволяє прогнозувати термофізіологічний стан людини у вибраному одязі, умовах середовища, а також розробити рекомендації щодо досягнення температурного комфорту людини у певних умовах.

Блок-схема моделювання теплообміну випромінюванням при роботі людини у приміщенні з врахуванням температурної асиметрії приміщення та умовного ділення стін, підлоги та стелі на частини (рис. 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Блок-схема розрахунку теплообміну випромінюванням в моделі.

Для інтегральної оцінки термофізіологічного стану людини в комп'ютерний комплекс вбудовано інформаційний модуль визначення температурного комфорту людини. Інструментарій успадковує та надає можливість корегувати наступні основні параметри:

розміри приміщення;

характеристики середовища: швидкість руху повітря, температура повітря, вологість повітря, температурна неоднорідність приміщення, з врахуванням кутових факторів, сонячна короткохвильова радіація;

середня радіаційна температура розраховується як результат введених показників;

ступінь фізичної активності;

характеристики ансамблю одягу.

У модулі реалізовано метод оцінки температурного комфорту людини, запропонований відомим вченим Оле Фангером.

Індекси температурного комфорту і теплових відчуттів людини, включені в інформаційний модуль, розраховуються за формулами (8), (9) (Fanger P.O., 1997):

, (8)

де PMV - коефіцієнт, який характеризує очікуване значення температурного комфорту (Predicted Mean Vote), L - теплові потоки тіла людини, визначені як різниця між теплопродукцією тіла людини та тепловтратами в оточуюче середовище, М - метаболізм.

, (9)

де PPD - коефіцієнт, який характеризує прогнозовану відсоткову незадоволеність людини оточуючим середовищем (Predicted Percentage of Dissatisfied).

Індекс PMV змінюється в інтервалі значень від -3 до +3, яким відповідає значення температурного комфорту, занесене в табл. 2.

Табл. 2 Шкала температурного комфорту

Варіанти значень	Діапазон температурного комфорту
Числове	-3	-2	-1	0	1	2	3
Вербальне	холодно	прохолодно	трохи прохолодно	нейтрально (комфортно)	трохи тепло	тепло	жарко

У відповідності з розрахованими коефіцієнтами надаються попереджувальне повідомлення і висновок щодо температурного комфорту людини.

Комп'ютерний комплекс надає можливість оцінки термофізіологічного стану людини -понад 150 вихідних характеристик, які є результатом реакцій систем терморегуляції, серцево-судинної, нервової, дихання, водно-сольового обміну на довгохвильову та короткохвильову сонячну радіацію, що дозволяє визначити строк перебування людини в заданих умовах та наслідки.

В четвертому розділі проведено серії обчислювальних експериментів динаміки термофізіологічного стану людини, яка працює у приміщенні.

Вплив температурної асиметрії. Були проведені обчислювальні експерименти температурної неоднорідності приміщень в зимовий та літній період року.

Для уточнення температурних параметрів приміщення та наближення їх до реальних умов були проведені за допомогою неохолоджуємого термографу з мікроболометричною матрицею 320х240 пікселей у діапазоні довжин хвиль 7-14 мкм, температурною чутливістю 0,1єС, термографічні вимірювання та дослідження на базі міжкафедральної науково-дослідної лабораторії неінвазивних методів біологічних об'єктів кафедри фізичної та біомедичної електроніки Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут».

В табл. 3 наведені результати термографічних вимірювань для серій обчислювальних експериментів одного з варіантів температурної неоднорідності.

Табл. 3 Результати термографічних вимірювань температурної неоднорідності приміщення взимку

Варіанти замірів	Температурні умови експериментів
	Температура стін, °С	Температура підлоги, °С	Температура стелі, °С
	фронтальна	права	задня	ліва
Контрольний експеримент	24,4	23,8	24,1	24,2	23,1	24,5
	24,1	23,5	24,3	23,6	23,5	24,3
	24,2	24,1	23,6	23,9	23,4	24,4
	23,7	24,4	23,8	24,3	23,2	24,2
Експеримент №1	10,2	23,7	23,9	23,6	23,8	25,1
	9,8	23,5	24,1	24,4	23,7	23,0
	10,4	23,8	24,3	24,1	24,4	24,1
	9,7	23,9	23,6	24,3	24,2	24,2
Експеримент №2	23,5	9,9	24,2	23,9	23,2	24,1
	24,1	10,3	23,9	23,7	23,5	23,9
	23,8	10,1	23,9	23,5	23,6	23,8
	24,1	9,7	24,4	24,1	23,9	23,7
Експеримент №3	10,1	10,4	24,1	23,8	23,3	24,1
	10,4	9,8	23,7	23,7	24,1	24,0
	9,9	9,7	23,8	24,4	24,0	23,3
	10,3	9,9	24,3	24,1	23,5	23,6

Температурна неоднорідність приміщення суттєво впливає на тепловий потік випромінюванням (рис. 5). В контрольному експерименті, коли температура стін, підлоги та стелі приблизно дорівнює 24 °С, тепловий потік випромінюванням - 34 ккал/год. В першому експерименті знижено локальні температури більшої стіни (10 °С), що вплинуло на тепловий потік випромінюванням, підвищивши його (46 ккал/год). В другому експерименті менша стіна має знижені локальні температури (10 °С). Тепловий потік випромінюванням також підвищився, але на менше значення (40 ккал/год). В третьому експерименті, де дві стіни (мала і велика) мають знижені локальні температури (10 °С), спостерігається значне підвищення теплового потоку випромінюванням (52 ккал/год).

Таким чином, показано вплив характеристик температурної неоднорідності приміщення на теплообмін випромінюванням. При одночасному зниженні температури двох стін (малої та великої) збільшується теплообмін між поверхнями приміщення та людиною.

Оскільки теплообмін людини випромінюванням у нормі складає 40 % від загального теплообміну, то навіть незначні зміни теплового потоку впливають на термофізіологічний стан людини.

Рис. 5. Динаміка радіаційних теплових потоків залежно від неоднорідності температурних умов у кімнаті (табл. 3): * - контрольний експеримент: усі стіни, стеля та підлога в одному температурному діапазоні ? 24 °С; а - температура фронтальної стіни ? 10 °С; b - температура правої стіни ? 10 °С; c - температури фронтальної та правої стін ? 10 °С.

Розраховано термофізіологічний стан людини за реальними характеристиками робочого кабінету, що дозволило визначити зону температурного комфорту при роботі людини в приміщенні протягом двох годин. Розроблено рекомендації щодо поліпшення умов роботи персоналу задля уникнення порушень термофізіологічного стану людини і, як наслідок, стану його здоров'я та працездатності.

Вплив місцезнаходження людини в приміщенні. В результаті проведених обчислювальних експериментів показано, що місцезнаходження суттєво впливає на термофізіологічний стан людини за рахунок зміни кутових факторів проекції поверхонь приміщення (стін, підлоги, стелі) до людини.

Варіація місцезнаходження людини впливає на кутові фактори проекції поверхонь приміщення (стін, підлоги, стелі) до людини. В свою чергу кутові фактори проекції змінюють значення середньої радіаційної температури. Внаслідок варіації середньої радіаційної температури змінюється теплообмін людини з середовищем випромінюванням, що призводить до динаміки термофізіологічного стану людини. Цей висновок суттєво актуальний для малих приміщень, при знаходженні в яких людина виступає джерелом тепла. Для великих приміщень, де площі поверхонь стін, підлоги та стелі несумірні з поверхнею тіла людини, місцезнаходження людини практично не впливає на теплообмін випромінюванням.

За допомогою розробленого комп'ютерного комплексу проведено обчислювальні експерименти, які показали межі температурного комфорту при підігріванні підлоги, вплив сонячної короткохвильової радіації на локальні температури тіла людини. Розраховано коефіцієнти, які характеризують очікуване значення тепловідчуття та прогнозовану процентну незадоволеність. Показано вплив швидкості руху повітря в приміщенні на температурний комфорт людини.

Аналіз адекватності моделі за результатами обчислювальних експериментів. Для дослідження нових методичних аспектів застосування комп'ютерного моделювання та аналізу адекватності моделі були проведені порівняльні експерименти на відповідність результатів обчислювальних експериментів спостереженням на людях. Умови та результати обчислювальних експериментів порівнювалися з даними досліджень на людях, наведеними в літературі (A. Kato, 2007; S. Hodder, 2008; K. Parson, 2007). Умови експериментів при підігріванні підлоги: зима, початкова температура повітря 25 °C, температура повітря під час експерименту - 21,2 °C, відносна вологість 45%, середня температура підлоги 25,9± 0,1 °C. Одяг: футболка (бавовна), спідня білизна (бавовна), сорочка з довгим рукавом (бавовна + поліестер), штани (бавовна + поліестер), шкарпетки (бавовна), роба (бавовна + поліестер). Людина сидить - рівень фізичної активності 150 Вт. Зріст - 174,7 ± 2,6 см, вага - 64 ± 5 кг. Тривалість експерименту більше 90 хвилин.

Був проведений порівняльний аналіз результатів обчислювальних експериментів відносно спостережень на людях за середньоквадратичними відхиленнями та за параметричними критеріями щодо динаміки температури шкіри з системою підігрівання підлоги та без неї (табл. 4).

Табл. 4 Середньоквадратичні відхилення результатів обчислювальних експериментів відносно спостережень на людях

Середньоквадратичні відхилення результатів обчислювальних експериментів відносно спостережень на людях, %
Без системи підігрівання підлоги	З системою підігрівання підлоги
Температура шкіри стегна	Температура гомілки	Температура голови	Температура шкіри стегна	Температура гомілки	Температура голови
10	18	17	6	17	14

Аналіз результатів обчислювальних експериментів показав, що запропонована модель теплообміну з середовищем адекватно описує вплив довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації при роботі у приміщенні. Врахування результатів аналізу реакцій систем терморегуляції, серцево-судинної, нервової системи, системи дихання, водно-сольового обміну дозволяють коректно прогнозувати термофізіологічний стан людини в приміщенні при заданих умовах.

Висновки

У дисертації представлено нове рішення актуальної задачі розробки та реалізації комп'ютерного комплексу моделювання динаміки термофізіологічного стану людини при роботі у приміщенні, який враховує на відміну від існуючих комплексів, реакції нервової системи, серцево-судинної системи, системи водно-сольового обміну, системи дихання та системи терморегуляції при дії довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації, температурну неоднорідність, геометричні характеристики приміщення та місцезнаходження людини і базується на відтворенні фізичних особливостей впливу факторів навколишнього середовища на термофізіологічний стан людини при перебуванні в приміщенні.

Основні результати дисертаційної роботи:

1. Запропонований метод розрахунку середньої радіаційної температури приміщення, який враховує розміри приміщення, температурну неоднорідність стін, підлоги, стелі та кутові фактори проекції поверхонь по відношенню до людини, яка знаходиться в приміщенні, дозволяє з необхідною точністю визначити теплообмін випромінюванням людини із середовищем.

2. Розроблений алгоритм апроксимації тіла людини, що передбачає поділ тіла на компартменти, які відповідають шкірі голови і тулуба, шкірі плечей, передпліч та кистей рук, шкірі стегон, гомілок і стоп ніг, дозволив врахувати температурні відмінності цих ділянок та температурну асиметрію приміщення при визначенні теплового потоку випромінюванням, що є основним у теплообміні людини з середовищем в приміщенні.

3. Побудована динамічна мультикомпартментальна модель енергетичних процесів у людини при роботі в приміщенні, яка включає особливості теплообміну випромінюванням людини з середовищем, вплив короткохвильової сонячної радіації, температуру, швидкість руху і вологість повітря в приміщенні та характеристики одягу людини, дозволяє прогнозувати функціональний стан людини під час роботи в приміщенні.

4. Побудований інформаційний модуль, який надає можливість врахувати динамічні термофізіологічні характеристики людини, отримані на моделі, температурну неоднорідність та розміри приміщення, місцезнаходження людини, теплоізоляційні та випаровувальні властивості одягу людини, рівень її фізичної активності, дозволяє оцінити ступінь температурного комфорту людини при роботі в приміщенні.

5. Розроблений комп'ютерний комплекс оцінки термофізіологічного стану людини при роботі в приміщенні, який об'єднує врахування динаміки температур тіла людини, локальних і сумарних теплових потоків конвекції та випромінювання, тепловіддачі випаровуванням з поверхні тіла, дозволяє, на відміну від існуючих комплексів, прогнозувати динаміку реакцій систем кровообігу, дихання та водно-сольового обміну, які беруть участь у процесах терморегуляції людини.

6. Використання комп'ютерного комплексу, який складається з динамічної мультикомпартментальної моделі теплообміну людини з середовищем в приміщенні та інформаційного модуля для визначення ступеня температурного комфорту, дозволяє запобігти шкідливій дії середовища на основі аналізу метаболізму, динаміки температур тіла людини, кровотоків у органах і тканинах, потовиділення, вологості шкіри і сумарних втрат вологи організмом.

Основні положення дисертації опубліковані в таких працях

Ермакова И. И. Моделирование теплообмена излучением у человека в помещении / И. И. Ермакова, А. И. Богатёнкова, К. К. Духновская // Электроника и связь. Тематический выпуск «Проблемы электроники». - 2007. - Ч. 2. - С. 92-95.

Ермакова И. И. Динамическая модель оценки температурного комфорта человека / И. И. Ермакова, А. И. Богатёнкова // Электроника и связь. Тематический выпуск «Проблемы электроники». - 2008. - Ч. 2. - № 3/4. - С. 81-85.

Ермакова И. И. Информационно-аналитическая модель для прогноза теплового состояния человека / И. И. Ермакова, А. И. Богатёнкова // Управляющие Системы и Машины. -2008. - № 3. - С. 40-45.

Информационные технологии для моделирования взаимодействия человека со средой / И. И. Ермакова, А. И. Богатёнкова, К. К. Духновская, Ю. П. Тадеева // Электроника и связь. Тематический выпуск «Электроника и нанотехнологии». - 2009. - Ч. 1. - № 2/3. - С. 177-180.

Богатёнкова А. И. Моделирование влияния длинноволновой радиации на человека в помещении / А. И. Богатёнкова // Электроника и связь. Тематический выпуск «Электроника и нанотехнологии». - 2010. - № 4. - С. 144-148.

Prediction and prevention of physiological risk factors during intensive exercise in a hot environment / I. Yermakova, A. Bogatyonkova, N. Nikolaienko, T. Zilberter // International Journal of Occupational Medicine and Environmental Health. - 2009. - Vol., № 22. - P. 84.

Богатёнкова А. И. Оценка теплового комфорта человека / А. И. Богатёнкова // Биомедицинские информационные технологии в охране здоровья : сб. докл. 2 науч.-техн. школы-семинара. - К. ; Жукин, 2009. - С. 25-27.

Yermakova I. Evaluation of human state during exercise: modeling / I. Yermakova, J. Tadeieva, A. Bogatyonkova // Вестник аритмологии. - 2010. - Прилож. А. - С. 181.

Богатёнкова А. И. Информационный модуль для определения температурного комфорта / А. И. Богатёнкова // Биологическая и медицинская информатика и кибернетика : сб. докл. науч.-техн. школы-семинара, 16-18 июня 2010 г. -Жукин, 2010. - С. 3-5.

Богатёнкова А. И. Информационная технология для оценки температурного комфорта человека / А. И. Богатёнкова // Медицинская и биологическая информатика и кибернетика : сб. тр. 1 Всеукр. съезда с междунар. участием, 23-26 июня 2010 г. - К., 2010. - С. 220.

АНОТАЦІЯ

Богатьонкова А.І. Комп'ютерний комплекс моделювання динаміки фізіологічного стану людини при роботі у приміщенні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.13.09 - медична і біологічна інформатика та кібернетика. - Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій і систем НАН України МОН України, молоді та спорту, Київ, 2011.

Дисертація присвячена створенню нового комп'ютерного комплексу моделювання динаміки фізіологічного стану людини при роботі у приміщенні, який враховує неоднорідність приміщення, місцезнаходження людини в ньому, розміри та характеристики приміщення, характеристики людини, ансамблі одягу людини, ступінь фізичної активності, реакції систем терморегуляції, серцево-судинної, нервової та дихальної систем, водно-сольового обміну при дії довгохвильової та короткохвильової радіації.

Для досягнення поставлених цілей і задач вперше розроблено комплекс динамічних моделей теплообміну людини, що враховує температурну неоднорідність і геометричні характеристики приміщення, а також місцезнаходження людини, що дозволяє моделювати вплив довгохвильової радіації на людину при роботі у приміщенні. Вдосконалено клас мультикомпартментальних моделей терморегуляції та теплообміну людини, в частині впливу довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації, який поширений на новий клас моделей прогнозу змін термофізіологічного стану людини при роботі у приміщенні. Вперше розроблено та реалізовано інформаційний модуль для оцінювання температурного комфорту людини в приміщенні, що враховує дію довгохвильової та короткохвильової сонячної радіації на людину у приміщенні, який може бути використаний при проектуванні будівель, кабін літаків, салонів автомобілів, лікарень, оздоровчих установ та інших приміщень для попередження негативного впливу факторів навколишнього середовища. Отримав подальший розвиток комп'ютерний комплекс прогнозу функціонального стану людини при роботі у приміщенні, головна відмінність якого полягає в тому, що він враховує реакції нервової системи, системи водно-сольового обміну, дихальної та серцево-судинної систем та системи терморегуляції, що дозволяє ефективно оцінити термофізіологічний стан людини при роботі у приміщенні.

Ключові слова: моделі термофізіологічного стану людини, довгохвильова радіація, сонячна короткохвильова радіація, комп'ютерний комплекс, теплообмін людини з середовищем.

АННОТАЦИЯ

Богатёнкова А.И. Компьютерный комплекс моделирования динамики физиологического состояния человека при работе в помещении. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.09 - медицинская и биологическая информатика и кибернетика. - Международный научно-учебный центр информационных технологий и систем НАН Украины МОН, молодёжи и спорта Украины, Киев, 2011.

Диссертация посвящена созданию нового компьютерного комплекса моделирования динамики физиологического состояния человека при работе в помещении, который учитывает неоднородность помещения, местоположение человека в нём, размеры и характеристики помещения, характеристики человека, ансамбли одежды человека, степень физической активности, реакции систем терморегуляции, сердечно-сосудистой, нервной и дыхательной систем, водно-солевого обмена при воздействии длинноволновой и коротковолновой радиации.

Для достижения поставленных целей и задач был проведён сравнительный анализ математических моделей, учитывающих влияние длинноволновой и коротковолновой солнечной радиации, на основе которого сформулированы основные требования и методика к построению и реализации разрабатываемого компьютерного комплекса моделирования динамики физиологического состояния человека при работе в помещении.

Методология исследования основана на математических моделях температурного комфорта человека и факторах влияния окружающей среды на человека. При разработке математического описания влияния длинноволновой и коротковолновой солнечной радиации на человека использованы методы мультикомпартментального моделирования и аппарат обыкновенных дифференциальных уравнений. Методы разработки программного обеспечения основаны на использовании объектно-ориентированного языка программирования - Borland C++ Builder 6.0. Для определения адекватности разработанных математических моделей использованы статистические методы, а также анализ чувствительности выходных параметров к изменениям входных параметров моделей, проведено сравнение расчетных и литературных данных, проведены термографические исследования.

Разработанный компьютерный комплекс позволяет прогнозировать функциональное состояние человека в выбранной одежде, условиях среды, а также разработать рекомендации по достижению термофизиологического состояния человека в определенных условиях.

Разработанный комплекс динамических моделей теплообмена человека, детально учитывающий температурную неоднородность и геометрические характеристики помещения, с учётом угловых факторов проекции любой из поверхностей помещения, а также местоположение человека, позволяет моделировать влияние длинноволновой радиации на человека при работе в помещении. Усовершенствованный класс мультикомпартментальных моделей терморегуляции и теплообмена человека, в части влияния длинноволновой и коротковолновой солнечной радиации, распространён на новый класс моделей прогноза термофизиологического состояния человека при работе в помещении.

На базе компьютерного комплекса разработан и реализован информационный модуль для оценивания температурного комфорта человека, учитывающий воздействие длинноволновой и коротковолновой солнечной радиации на человека в помещении, который может быть использован при проектировании зданий, кабин самолётов, салонов автомобилей, больниц, оздоровительных учреждений и других помещений для предупреждения действия повреждающих факторов среды, позволяющий на основе термофизиологических характеристик человека сделать вывод об уровне его температурного комфорта при работе в помещении.

Получила дальнейшее развитие компьютерная технология прогноза функционального состояния человека при работе в помещении, главное отличие которой в том, что она учитывает реакции нервной системы, системы водно-солевого обмена, дыхательной системы, сердечно-сосудистой системы и системы терморегуляции, что позволяет эффективно оценить термофизиологическое состояние человека при работе в помещении.

Анализ адекватности модели по результатам вычислительных экспериментов на основе сравнения с исследованиями на людях позволил исследовать методические аспекты и границы применения компьютерного комплекса.

Полученные результаты имеют практическое значение в области медицины и гигиены труда для опережающего прогноза результата воздействия факторов окружающей среды на человека при работе в помещении.