автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Имитационная модель терморегуляции организма человека при проектировании индивидуальных систем жизнеобеспечения

КЗ од

2 моя <ор7

На правах рукописи УДК 629.7.048

МАТЮШЕВ Тимофей Викторович

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

Специальность: 05. 26. 02. - БЕЗОПАСНОСТЬ, ЗАЩИТА, СПАСЕНИЕ И ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ НАСЕЛЕНИЯ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

--ф"-

МОСКВА-1997

Работа выполнена в Государственном Научно - Исследовательскс Испытательном Институте Министерства Обороны Российской Федерат (Авиационной и Космической Медицины)

Научные руководители:

доктор технических наук Курмазенко Э.А., доктор биологических наук Бедненко B.C.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Адамович Б.А. доктор биологических наук Загородников С. Н.

Ведущая организация: В. ч. 22737 К (г. Щелково-10, МО)

Защита состоится "_"_1997 г. на заседании Диссерт

ционного совета ССД 053.04.13 при Московском Государственном Авиационнс Институте (Техническом Университете), Волоколамское шоссе д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Гос дарственного Авиационного Института (Технического Университета)

Автореферат разослан "_"_1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета ССД 053.04.13, доктор технических наук

Курмазенко Э.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Реакции системы терморегуляции как функциональной 1стемы организма находятся в зависимости от внешних условий и специфики тепломассообмена организма, определяемой взаимодействием и взаимовлиянием пловых и массовых потоков от технических систем жизнеобеспечения и физио->гических систем организма. Поэтому, при проектировании индивидуальных систем изнеобеспечения, предназначенных для обеспечения работоспособности экипажа экстремальных условиях необходим учет влияния комплекса факторов внешнего пло- и массообмена на компенсаторные реакции организма человека в широком 1апазоне изменения внешних условий. Сложность и высокие материальные затраты I проведение, ограниченная возможность получения количественной информации низкая информативность экспериментальных исследований с испытателем в экс-1емальных условиях предопределяют необходимость применения наряду с натур-лм экспериментом других методов для изучения системы терморегуляции живого манизма.

Преимущество метода имитационного моделирования заключается в том, что )жно решать задачи, недоступные методам экспериментальной физиологии, оделирование позволяет математически формализовать теоретические знания о жнципах функционирования системы терморегуляции организма и законы фавления температурными режимами для создания оптимальных условий пнедеятельности человека в экстремальных условиях.

Существующие математические модели системы терморегуляции позволяют личественно описывать в некоторых важных аспектах исследуемую систему. 1нако использование имеющихся моделей для решения задач определения плового состояния организма в экстремальных условиях практически невозмож-|, так как известные модели не учитывают неоднозначный и нелинейный характер йствия компенсаторных реакций организма. Альтернативой является концепция щели, основанной на применении теории нечетких множеств. Так как модель лжна применяться в большом диапазоне изменения внешних условий, необходимо

-3-

разработать математическое описание системы терморегуляции организма человек корректно учитывающее особенности физиологии организма и условий теплообм на и массообмена в окружающей среде и реализовать его в программном обеспечени

Цель исследования: формирование и программная реализация методиь определении теплового состояния организма человека па основе имитационно модели системы терморегуляции, учитывающей влияние изменения переменны факторов внешнего тепло- и массообмена на структуру и динамику кол пенсаторныхреакций организма человека и предназначенную для проектирована индивидуальных систем жизнеобеспечения.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие основш задачи:

1. Составлено формализованное описание закономерностей действия мех низмов физиологической терморегуляции и динамики процесса внутреннего тепл обмена организма с учетом количественных характеристик регулирующих контур организма, а так же механизмов внешнего теплообмена с учетом взаимосвязи меж; явлениями переноса теплоты и массы метаболической природы и физико-те: нических эффектов от бортовых систем.

2. Разработана и реализована в программном обеспечении имитационн; модель системы терморегуляции как функциональной системы организма с учете анатомических, физиологических и физических особенностей и реальных услов! тепло - и массообмена в окружающей внешней среде.

3. Осуществлена проверка разработанной математической модели на аде ватность на основе модельных вычислительных и натурных медицинских экспер ментов.

4. Выработаны практические рекомендации для анализа взаимодействия ф зиологпческих систем организма с индивидуальными системами жизнеобеспечени

Научная новизна работы определяется:

□ формализованным описанием активных механизмов компенсаторнь реакций системы терморегуляции на основе теории нечетких множеств, позвол

-4-

щей учесть неоднозначность и нелинейность характера действия защитных реак-ш человека на внешние возмущения;

□ предложенной структурой формализованного описания системы термо-:гуляции, учитывающей комплексный характер внешнего теплообмена на отдель->1Х участках поверхности тела и влияние массопереноса натеплообмен при испаре-«! влаги с поверхности кожи;

□ новыми экспериментальными данными, полученными в вычислительных и гдицинских экспериментах для условий теплового стресса.

Практическая ценность работы заключается в предложенной методике опре-¡ления теплового состояния организма, позволяющей проводить исследования в ироком диапазоне внешних возмущающих воздействий.

Достоверность полученных результатов обеспечивается строгой математиче-ой постановкой задачи исследования, применением известных и опробированных 1сленных методов при программной реализации модели, сопоставлением ре-льтатов вычислительных экспериментов с данными, полученными при проведении ггурных медицинских испытаний с оператором, а также с экспериментальными иными других авторов.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации док-дывались и обсуждались на:

□на 25 Международной конференции по системам сред обитания, Сан-Диего, шифорния, США, 1995 г.;

□на Научно-методическом совете I Управления ГНИИИ МО РФ (А и КМ), '96 г.;

□ на 6 Европейском Симпозиуме по космическим системам жизнеобес-чения, Нордвик, Нидерланды, 1997 г.;

□ на научно-техническом семинаре кафедры систем жизнеобеспечения псковского государственного авиационного института (Технического универ-тета), 1997 г.

Публикации. Основные результаты работы изложены в трех опубликовании) статьях п трех научно-технических отчетах.

Реализация полученных результатов. Результаты работы внедрены в ГНИИк МО РФ (А н КМ) при выполнении плановых НИР и при доработке дополнений к методическому руководству по физиолого-гигиенической оценке характерней» защитного снаряжения для экипажей летательных аппаратов и индивидуальных систем жизнеобеспечения, а также в учебном процессе в МАИ при подготовке инженеров по специальности 1311.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и содержит 170 стр., включая: 128 стр. текста, 14 таблиц, 67 рис., список литературы включает 93 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее цель и решаемые задачи научная новизна и практическая значимость результатов исследований.

В первой главе приведен аналитический обзор литературных источников касающихся закономерностей действия механизмов физиологической регуляции внутреннего и внешнего теплообмена организма человека. Приведены результать анализа методов прогнозирования теплового состояния, при этом особое внимание уделено методам имитационного моделирования физиологической терморегуляцш организма человека и принципам построения имитационных моделей.

На основе результатов проведенного анализа выработаны требования к ими тациониой модели системы терморегуляции, предназначенной для проектных ис следований индивидуальных систем жизнеобеспечения и сформулирована обща! постановка задачи исследования.

Во второй главе приведено формализованное описание разработанной ими тационной модели системы терморегуляции организма человека и ее програм мная реализация.

Структура математической модели включает формализованные описания ак-вной и пассивной частей системы физиологической терморегуляции и описания тивного и пассивного компонентов внешнего теплообмена.

При составлении формализованного описания на основе анализа опублико-нных результатов физиологических исследований приняты следующие основ-1е допущения:

1). Пронизанный крупными и мелкими сосудами организм человека пред-авлен как сложнейший теплообменник с сосудами - трубками, окруженными теп-проводящей тканью, содержащей источник теплоты.

2). Тело человека разделено на 17 сегментов (в соответствии с расчетной схе-

мой, приведенной на рис. 1). Каждый сегмент состоит из трех ком-партментов. Деление на компарт-менты выполнено с учетом основных функций выделяемого участка в процессах образования и переноса теплоты в организме и взаимодействия его с окружающей средой:

□ внутренние орган),I выделяют до 70% теплоты;

□ скелетные мышцы имеют низкую теплопродукцию, но играют определенную роль при сократительном термогенезе;

□кости представляют тепловую емкость;

□ кожно-жировая складка обладает большим термическим сопротивлением и с кожи осуществ-

-7-

Рис. 1. Схема деления тела человека на отдельные сегменты

ляется около 90% теплоотдачи.

3). Теплоотдача в виде длинноволнового инфракрасного излучения, испус каемого кожей при ((¡,т)— 1е(|,т)< 20°С описывается линейной зависимостью.

4). Теплопередача кондукцией между торцевыми поверхностями мала : следствии низкой теплопроводности тканей.

5). Профиль скорости подлине сосуда не изменяется, то есть течение крови I процесс теплообмена стационарны и стабилизированы, кровь не сжимаема, теп лофизические свойства крови постоянны.

6). Кровотоки в компартментах представлены системой параллельных ветвей исходящих из одной точки; температура крови, притекающая ко всем компарт ментам, одинакова и равна температуре крови в аорте температура кров! (венозной), отгекающей от компартмента, равна температуре ткани этого компарт менга; темп теплоты, переносимой кровью Чц(ь'п) определяется произведение», разности температур крови и ткани компартмента, удельной теплоемкости крови I массы крови в единицу времени.

Учитывая эти допущения, уравнение теплового баланса ¡-го обобщенной компартмента включает образование теплоты в результате метаболических реакцш Чм(¡,т), теплопередачу кондукцией между смежными компартментами при ходящим чкк(1- 1,т) и уходящим якк0+ 1,т) потоками, конвективный перено! теплоты кровыо (¡„(¡.т), теплообмен кожи со средой конвекцией яс(1,т), испа рением (¡,т), радиацией (¡,т). кондукцией як т). теплоту, накопленнук компартмеитом (¡,т) :

Чк О'т) = Чм 0>т) + Чкк 0 ~ Чкк 0 + ''т) —ЧвО>т) —ЧсО'т) —Че 0>т)— Чк('.т)-ПкО»т)- О

Перенос тегшоты кровотоком в легких и в сердце описывается дополнительны» уравнением теплового баланса - уравнением процесса смешения тепловых потоков:

п=51

Сь">аь(<1'ь(г)/1,г)= X Чв»0>Г)- Чв,(г)~ Чь(г) (2

счетная схема теплообмена для компартментов организма приведена пи рис. 2.

В формализованном описании имитационной модели пассивные механизмы плообмена (метаболи-

ская теплопродукция, плопроиодность тканей, нвективный тепловой ток с кровью, испари-льный, конвективный, диационный, кондук-вный тепловые потоки в ружающую среду с по-рхпости кожи и испари-гсьный тепловой поток с ешним дыханием) опи-[ваются обыкновенны-1 дифференциальными авнениями.

Модель должна обе-ечивать адекватность ре-ыюму объекту в широ-м диапазоне изменения ешних условий по режи-

4BJI.4

ЧВ„0*1.4

qBJM.ij

<,ВСМ ! 1 '/*

* ■ I I i WqK.Mli)

Рис. 2. Схема распределения тепловых потоков в компартмептах

iM конвективного движения воздуха (смешенная и вынужденная конвекция), при отсутствии силы тяжести, а главное по влагосодержанию. Для проведения коли-ственного анализа внешних тепловых потоков и для оценки того влияния, которое азывает на них динамическое изменение комплекса внешних факторов, рае-[отрен вклад каждого из них в общий процесс тепло- и маесообмена организма ловека с окружающей средой. Модель внешнего теплообмена является форма-зованным математическим описанием протекания теилофизических процессов и

-9-

среде. Суммарный тепловой поток, отводящий теплоту с поверхности кожи (^(г), определяется теплотой, перенесенной конвекцией Чс(г)> испарением Че(г)> кондукцией Чк(г) и радиацией Чн(г)

= ЧСМ + ЯЕОО + ЧкСО + ЧКОО-

где

ЧсО»х) = а0»т)(*(*'т) _ 4е("»-с))Ас(1,х) ; (4)

Че('»т) = 1-(''х)ХУрО'т)Ае(ь-С); (5)

Чк0,т) = 11и0,т)(ф,т)-^(ьт))Ак0,т); (б)

Ч к 0» т) = к 0, г)(1(1, т) -1,0, т))А к 0, т) , (7)

а приведенная неличина потока массы пара определяется по зависимости

\Ур0,т) - р0,х)(срп(1,т)-с|Н1е(|,х))7бО/Р,0,х). (8)

Теплоотдача е потоком воздуха, выдыхаемого из верхних дыхательных путей, содержит дне составляющие: конвективный тепловой поток чьс(т) и испарительный тепловой ноток <|1К(г)

ЧьМ = Ч1.сС0 + ЧьеМ> (9)

которые рассчитываются по фрмулам:

Ч .,<: М = (т)ре (хХ«(т)-»е (г)); (10)

Ч|.к(0= г(г)^(0л(г)(срп(г)"српь(г))- С")

Описание пассивной части внутреннего теплообмена включает процессы теплообразования, теплопередачи кровыо. Механизмы теплообмена системы терморегуляции непосредственно регулируют изменение внутренней энергии тела, которое записывается как

Ч8(|1г)=с(|)ш(|)сН(|,г)/11г (12)

Кондуктшшый перенос теплоты через боковую поверхность компартмента имеет чисто молекулярный характер

ЧккО^) = Ьк(!)(^,г)-^-1,г))А(|). (13)

Расчет темпа теплоты, образуемой в результате метаболических процессов, «изводится по потреблению кислорода компартментом в единицу времени )2(г) . При этом учитывается калорический эквивалент потребления кислорода |(г) , зависящий от вида окисляемого субстрата

Чм0.г)=Мг)й°2(г)- (14)

Количество теплоты, переносимое кропмо <1В (¡, г) определяется как Чв ('.*")= сьть ('. г-) - I в (г-)). (15)

Теплота, доставляемая венозной кровью, В!,1тека1ощей из каждого комитента <1у ('>г) > поступает в легкие, в которых происходит смешение тепловых гоков, в результате чего формируется температура смешенной веночной кро-*Ьу(г)- Уравнение теплового баланса для этого случая имеет вид

п=51

сьть('.*-)((Ив(г)/<1г)= Хчву('.г)-Чл('.*")-Чь(г). (16)

¡=1

Тепловые потоки, притекающий к легким и отводимый от легких к ¡-му ком-тгменту, определяются как

Чв0.г) = сьтЬу0.г)<0.0> 07)

Чл('.г)= сьтьа*ь('.^) (18)

Формализованное описание активных механизмов системы терморегу-ции отражает предполагаемые специфические регуляторные действия, иаправ-[шые на обеспечение температурного гомеостаза при внешних возмущающих ¡действиях. Применение теории нечетких множеств основано на том, что реакции стемы терморегуляции организма человека имеют иерархическую структуру и сят двух направленный характер. Изменение интенсивности тепловых потоков гспечивает цель низшего уровня — поддержание стационарного неравновесного тлового состояния, а физиологические ограничения, налагаемые на переменные зтояния (поддержание температурного гомеостаза) - цель высшего уровня. Цель

низшего уровня обеспечивается механизмами регулирования теплообмена, а цель высшего уровня - прежде всего механизмами рецепторного типа, функционирование которых не направленно на возвращение тепловых потоков к задающему уровню, а лишь препятствуют их дальнейшему изменению. Две цели вступают в противоречие, дос тижению равенства интенсивности теплоотдачи и теплопродукции препятствуют механизмы, направленные на ограничение отклонений во внутренней среде организма и регулирующие механизмы восстанавливают стационарное состояние в системе как результат действия многочисленных факторов (рис. 3).

Рис 3.. Схема иерархии целей системы терморегуляции организма человека

Е-сигнал регулирования, Р -возмущающее воздействие, и-управляющий сигнал, ((¡,Т)- регулируемый параметр (температура)

Обобщая данные физиологов, можно ограничиться тремя компенсаторными реакциями: дополнительного теплообразования; изменения объемной скорости кровотока; изменения площади испарения. Для этого выполнено нечеткое деление на три области действия реакций:

□ латентного периода К1 = К ПШ1 > (19)

□действия защитной реакции = к,(1г - I*) + к2(15 - 1*) ; (20)

□области насыщения Я3 = Яшах . (21)

Величины, входящие в правила, представляют собой нечеткие множества, эторые имеют функцию принадлежности для каждой переменной в текущей точке. Определяя значение функции принадлежности этой переменной, находим

гклонение регулируемой величины для момента времени: с, = Г - у,, Г,у,- заданная

текущая скорости реакции. Для каждого правила как для нечеткого множества зедена мера причинных отношений и виде вещественной) числа [0,1]. Предпо-ылки рассматриваются как вход, а заключения - как выход. В качестве функции ринадлежности предпосылок нечетких подмножеств использованы функции эктангенсов:

Ип (х!) = ~ аге^, * с,) + 0,5 л

/*К|(*|> = — — »гсвв(1«|*€81) + 0,5,1= 1,2,3, (22)

я

<е (I, = 18(0,45лг)/аи1 = 1,2,3.

Определяя значение функции принадлежности предпосылки нечеткой) выво-1, извлекаем для каждой точки значение этой функции для выполнения операции,

определяем приращение задающей величины Ди, = и,-иЬ1. Функция

ринадлежности заключения имеет вид прямых линий:

//и(Ди) = ;^-Ди + 0,5 2Ь,

/*к,(Ди) = --^-Ди + 0,5,1 = 1,2,3. (23) 2Ь,

Методом среднего определяем значение приращения задающей величины:

Ди* = тесНит {Ди,, Ди2,Ди3}. (24)

Если Ди*<-а.то К1 =К,ш„- (25)

Если -а<Ди*<а>то И2 = М'г - 1* ) + к2 - ^) (26)

Если ди* > а , то И3 = И тах (27)

Анализ имеющихся библиографических данных позволил определить качест-

-13-

псиные характеристики модели:

1. Сигналом запуска реакции дополнительного теплообразования является соблюдение условия:

4ятг - ^ ь«1«; если Ди* 5-а > ™ Чт (г) = о; если - а<Ди*(а , то изменение процессов теплообразования происходит в модели пропорционально изменению температуры крови и кожи Ч„, (Г) = ««т ({ь,у2 _ {ь(г)) + V» _ 4ДГ)) ;

если ди * > :1 , то ЧП1 (г) = Ч„, 1Ш1Х .

Дополнительный метаболизм в ¡-ом комнаргмеите записывается как

<|(1,п ('. 0 = кп. (0'1 "1 (г)

2. При выборе температуры мозга и температуры кожи в качестве стимула сосудистой реакции, отклонение от их начальною значения, соответствующего комфортным условиям, вызывает регуляторную реакцию системы.

При (,, (г) - ^ ) > 1]|'пу возникает реакция дополнительного увеличения объемной скорости кожного кровотока: если дц* < _а , то (г) = 0 ; если - а(Ди*(а , то увеличение скорости кожного кровотока происходит пропорционально изменению температуры кропи и кожи (г) = .ч(г) ~ + ■<!',у ~ ; если Дц';>а.™ =

При 4ь(г)- возникает реакция снижения объемной скорости крово-

тока: если ди* ^ _я , то \\,х(г) = 0 ; если _ я < ди* < а , то снижение объемной скорости кожного кровотока происходит пропорционально изменению температуры

крови и кожи = я^,,, ^¡^ — *ь(г)) _ 8рт (^«г ~ '»(Т)) ; если ди* > а , то = - - -

Изменения в компаргментах массы кропи распределяется по участкам пропорционально коэффициентам для данного участка <1ть(¡, г) = \У,(г)рька(|) .

3. Сигналом запуска реакции увеличения площади испарения является соблюдение условия:

'ь(г) - 'ьег; если Ди* < -а >то АЕ(т)= АЕ0;если _а<Ди* < а . то

зменение площади поверхности потоотделения определяется изменением ;мпературы крови и кожи А Е (г) = А Е0 + $ ,)е ^,, (г) - 1 Ьсг ) + $ 5С ^, (г) - 4 ) ; если 1Ц* ^ а > то Ае(г) = Ае„„ • Увеличение площади поверхности ¡-го кожного эмпартмента (1а е (¡, г) = ке (г)А е(г) .

4. Охлаждение организма вызывает увеличение метаболизма, уменьшение эъемной скорости кожного "кровотока" и легочной вентиляции. Суммарный мета-элизм определяется из суммы исходного Чмо('> г) = Мо то(') 11 доиолнитель-ого ^Чш0'г) ¡-го компартмента Чм г) = Чмо('< + 1'ч»>0'г) Суммарная асса кожного кровотока для ¡-го комнаргмента определяется как разность исходной ассы кровотока шьо(1, г) = шьп(г)кП1 и изменения кровотока за счет сосудо-кимающей реакции шь(1,г) = тЫ)(1,г)- ^„^(¡.г) .

5. При нагревании организма происходит увеличение массы крови, которое 1ределяется как ть(!,г) = ть0(1,г)+ с1ть(|,г) .

Формализованное описание имитационной модели представляет собой ютему обыкновенных дифференциальных уравнений 52—го порядка и алгебра-1еских уравнений, описывающих собственно физиологическую терморегуляцию, ля программной реализации модели выбран модифицированный метод Эйлера [Я "жестких" систем. Для получения обеспечения заданной точности численного :шения использован автоматический выбор шага.

Для проверки имитационной модели на адекватность были проведены выделительные эксперименты, результаты которых сопоставлялись с опубли->ванными экспериментальными данными:

□ по определению топографии тепловыделений отдельных сегментов в ста-юнарных условиях для разных значений температуры окружающей среды (рис. 4.).

□ по определению динамических характеристик сис темы терморе1упяции при нксированных внешних и внутренних факторах (рис. 5).

□ по оценке влияния условий тепло- и масеоотдачи (рис. б);

□в условиях действия динамической нагрузки (рис.7).

400 350 300 250 200 150 100 50 0

. т,

I ВПЯ I

I вая;

q9 q 12 q15 q18 д21 и24 q36 q39 q42 q Участии поверхности

□ экспериментальные данные В расчетные значения

Рис.4. Топография тепловыделений человека при температуре 50°С

(результаты вычислительного эксперимента сопоставлены с экспериментальными данными АЛ. Глуико, 1986)

Рис5. Типовые результаты по динамике среди евзвешен н ой темп е-ратуры кожи при энерготратах 116,3 Вт и относи шел ь н о й вл ажн о ст и 69% (результаты вычислительного эксперимента сопоставлены с экспериментальными данными ЦШПШШ, 1976)

о. 33

ч * --- >- — -

ги рестлэтэм эсгесилЕЯга

га 80 90 100 110 120 фем^мш

—— госеэугьштамраяетое

3 3.5 4 4.5 5 Скорость движения воздуха, и/с

—■— по (Ьоомуле Иигелке. - - по Формуле Викса —»-с учетом массообмена ——по формуле Рапа

Рис. б. Зависимость коэффициента конвективной теплоотдачи при вынужденной конвекции на поверхности сегмента пита человека от скорости движения воздуха при переменной влажности.

о 40 ---------------

О

§ 38----------------

§

| 36----—

С иг —,г ,, .. ,, " <•

& 34--А--_■____:-----::-___

¡Й | ^ " эабог >а

2 _, ябоп а__О" дых___ра 5от а__>тды<____

к "

30 ------к---------

0 20 40 60 80 100 120 140

Время, мин

| ♦ по результатам эксперимента — ■— по результатам расчетов

Рис.7. Динамика средневзвешенной температуры кожи для условий: переменная физическая нагрузка, оператор одет в бронежилет с вентиляционным жилетам (результаты вычислительного эксперимента сопоставлены с экспериментегльными данными МАИ, 1993)

Анализ результатов модельных вычислительных экспериментов в сопо-

гавленин экспериментальными данными подтверждает адекватность предложен-

ой имитационной модели и возможность ее применения для проектных иссле-

ований. Проведенные вычислительные эксперменты также показали, что алгоритм

исленной реализации модели позволяет воспроизводить теоретически неогра-

иченное число вариантов изменения внешних условий и данных оператора. Прак-

ически выбор ограничен требуемыми для модели количественными данными.

В третьей главе приведены результаты натурного медицинского экспери-

1ента (схема экспериментального стенда, методики проведения эксперимента и

ценки погрешности измерений эксперимента, данные испытаний).

Целью эксперимента являлось получение фактических данных по тепловому

остоянию человека-оператора без и при вентиляции подшлемного пространства в

словиях теплового стресса и проверка адекватности имитационной модели.

Разработан алгоритм определения погрешности при измерении средне-

звешенной температуры кожи. При анализе точности измерений использовались

-независимых друг от друга результатов наблюдений за величиной отношений

ектальной и средневзвешенной температуры кожи. По результатам полученных

* г -1 ^ 1 Г ^ I h- — | —1 h— '

t абоп а on дых pa Soma утды X эабо! >а

0 20 40 60 80 100 120 140

Время, мин

расчетов оценки точности измерений построены регрессионные кривые типа

у=а+Ьх+сх2-5+11х3+§е0Я, описывающие экспериментальные данные с вероятностью 0,95 при значениях коэффициентов: а) без вентиляции подшлемного пространства

а=37,703; Ь=0,01; с=-3,096е05; с1=1,076е"'5; g=-4,109eг•,; б) при вентиляции подшлемного пространства

а=36,326; Ь=0,036; с=-0,00014; с1=1,128с0!;; ё=-1,237е". Максимальная погрешность измерения температуры равняется ~5ч-7%. Результаты вычислительных экспериментов, проведенных для тех же условий, находятся в пределах доверительного интервала для данных натурных испытаний.

Проведенные исследования теплообмена показали, что использование охлаждающей панели в области наибольшей интенсивности теплообмена, площадь которой не превышает 7—9% общей площади поверхности тела человека, существенно расширяет возможности теплосъема. Анализ полученных результатов свидетельствует, что использование локального термостатирования головы позволяетуве-личить предельное время переносимости высоких температур в 1,6 раза и поддерживает практически на комфортном уровне теплоощущения головы на протяжении всего температурного воздействия. Повышение температуры вентиляционного воздуха способствует более эффективному испарению влаги. При этом сравнительная оценка позволяет отметить существенно более благоприятные тепловые ощущения испытателями области груди, спины, нижних конечностей, а также самочувствия, активности, настроения и уровня реактивно-ситуационной тревожности. Объективно регистрируемые показатели также свидетельствуют о снижении напряжения функциональных систем организма.

В четвертой главе приведены результаты вычислительных экспериментов, проведенных с целью получения детальной информации для создания локальной системы термостатирования головы в условиях теплового стресса. Достоверность результатов имитационного моделирования проверялась сопоставлением с экспериментальными данными, полученными в натурном медицинском эксперименте, -18-

1исанном в главе 3.

В вычислительных экспериментах при изменении условий внешнего теп-эобмена, изучались характеристики переходных процессов компенсаторных ¡акций, такие как топография, динамика темпов и уровней тепловых потоков на иличных участках поверхности тела и т.п., и оценивались возможности параметров ¡гулирующих контуров системы терморегуляции организма человека. Переменные оделирования динамики теплообменных реакций человека в условиях теплового ■ресса без и при вентиляции подшлемного пространства выбирались в соответствии условиями медицинских экспериментов. Результаты расчетов и показаны на рис. и 9.

о

V &

Рис.8. Стати- 5

--о.

пическая оценка | й

нечетных значены средневзвешенно телтерапгуры в •ловиях теплового пресса без вепти-щии подшле-много юстранства

эличественно про-

1ализированы результаты влияния изменения параметров активной теплозащиты I структуру и динамику тепловых потоков и определены допустимое время пре-лвания в экстремальных условиях и оптимальный режим работы локальной [стемы термостатирования головы. Результаты проведенного вычислительного :сперимента показывают, что использование локальной системы термо-:гулирования головы в 1,5 разаувеличивает возможности теплосъема и предельное :емя переносимости термической нагрузки с небольшим напряжением механизме системы терморегуляции, так например, прирост влаговыделений на поверх-

39.5

39,0

33.5

38,0

37.5

20

//у

/ /

40

60

Время, мил

экспериментальные значения температуры ■ расчетные значении температуры

Рис.9. Статистическая оценка расчетныхзпачепий средневзвешенной температуры кожи в условиях теплового стресса при вентиляции подшлем-ного пространства

ности кожи в 1,7 раза меньше. Темп тепловыделений с поверхности головы возрастает в 2 раза, за счет конвективного вентиляционного теплового потока, который не вносит существенных изменений е структуру внешних тепломасообменных процессов, но существенно влияет н; пороговые величины и чувствительность центра терморегуляции, что уменьшает нагрузку на активные механизмы системы терморегуляции. Темпы тепловыделени) ¡-ых участков поверхности кожи при вентиляции подшлемного пространствг уменьшаются §едра в 1,65 раза, верхнего, нижнего отделов туловища в 1,02 раза среднего отдела туловища в 1,03 раза, изменяются плеча в 0,94 раза, кисти в 0,97 раза, стопы в 0,95 раза, голени, шеи, предплечья в 0,94 раза, в области головы увеличивается в 1,28 раза.

Уровни тепловыделений организма увеличиваются: головы в 2,14 раза, плечг — 1,81 раза, предплечья 1,86 раза, среднего отдела туловища в 1,57 раза, бедра е 1,53 раза, стопы в 1,53 раза, шеи в 1,44 раза, верхнего, нижнего отделов туловища е 1,49 раза, кисти в 1,40 раза , голени в 1,30 раза.

Перенос тепла при вентиляции головы совершается с меньшей интенсивностью темпов объемного кожного кровотока, чем без вентиляции в 2,6 раз, темпера-

р 38,0

37.5

37,0

36.5

36,0.

35.5

25

50

X

А

ч/

75 100

Время, мин

л экспериментальные значения температуры . расчетные значения температуры

уры крови в 1,7 раза, температуры мозга в 2,5, темпов тепловыделений в 1,6 раза. 1нтенсивность темпов испарения влаги в 1,5 раза меньше, за счет того, что при ентиляции головы температура ядра растет медленнее.

При вентиляции температура поверхности тела понижается, вызывая увели-ение коэффициентов теплоотдачи, температурного градиента между поверхностью ела и окружающей средой и толщины теплового пограничного слоя. Поэтому, емпы конвективного, радиационного, кондуктивного теплового потока выше при ентиляции. Так как темп испарительного теплообмена определяется интен-ивностью потовыделения, зависящей от величины температуры ядра тела и по-ерхности кожи, темп испарительного теплового потока в условиях температурного тресса без вентиляции меньше. Указанные закономерности приводят к тому, что емп суммарных тепловыделений при вентиляции меньше, чем без вентиляции.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика оценки теплового состояния организма человека, снованная на имитационной модели функциональной системы терморегуляции, озволяющая, в отличие от существующих аналогов, оценить влияние изменения еременных факторов внешнего тепло - и массообмена на структуру и динамику омпенсаторных реакций организма человека в защитном снаряжении и в условиях осмического полета.

2. Предложено формализованное описание регуляторных механизмов функ-иональной системы терморегуляции на основе теории нечетких множеств, учиты-ающее неоднозначность и нелинейный характер действия компенсаторных реакций рганизма.

3. Предложена новая структура формализованного описания процессов внеш-его теплообмена моделируемого объекта, учитывающая комплексное действие акторов внешней среды и внутренних физиологических механизмов теплообмена а отдельных участках тела человека, включая влияние массопереноса на теплооб-ен;при этом показано, что учет влияния массообмена на конвективный теплообмен

-21-

значительно повышает точность расчетов по отношению к традиционно использу емым при моделировании зависимостям: в комфортных условиях на 50—70%, а i условиях повышенной влажности до 180%.

4. Разработана и реализована в программном обеспечении имитационная модель функциональной системы терморегуляции, учитывающая комплексное влияни! как переноса теплоты и массы метаболической природы, так и физико-технически? эффектов, создаваемых агрегатами систем жизнеобеспечения.

5. Подтверждена по опубликованным результатам медико-технических экспе риментов адекватность имитационной модели при изменении внешних ста ционарных условий, при изменении динамических характеристик модели npi фиксированных внешних и внутренних факторах при изменении условий тепло -1 массоотдачн на поверхности тела человека и в условиях динамической нагрузки н; испытателя. Показано, что погрешность моделирования не превышает 5-н7 % от результатов натурных испытаний.

6. Проведено исследование на основе натурных медицинских испытаний i вычислительных экспериментов действия, компенсаторных реакций системы тер морегуляции организма человека в условиях теплового стресса и показано, чт< применение локальной системы термостатирования головы позволяет увеличит! допустимое время пребывания человека в условиях теплового стресса в 1,6 раза з; счет перераспределения тепловых потоков в теле человека.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Е.А. Kurmazenko, I.V. Dokunin, A.A. Fomichev, N.V. Soloshenko, T.V. Matju shev. A Complex Simulation Mode! of Human.Organismus a Link of the Space Vehicle Ecological and Technical System. SAESer. Techn. Poper # 951931, p. 1-12.

2. Разработка метода динамического моииторирования для оценки адаптивных возможностей космонавтов к экстремальным факторам полета. НТО по теме "Монитор", итоговый, М.: ГНИ ИИ МО РФ (А и КМ), 1996 г., 244 е., инвЛ 6013.

3. НТО по спецтеме № 19731, шифр "Гепарин", промежуточный, М.: ГНИИИ Ю РФ (A u KM), J997, 134 с.

4. Е.А. Kurmazenko, I.V. Dokunin, T.V. Matjushev, N.V. Soloshenko. A Simula-on of Human Organism Thermoregulation System Reaction under Thermal Stress 'onditions. "Proceedings of 6th European Symposium on Space Environmental Control ystems", Noordwijk, The Netherlands, 1997, p. 134-142.

5. E.A. Kurmazenko, I.V. Dokunin, T.V. Matjushev, N.V. Soloshenko. A Detailed imulation Model of Thermoregulation System of Human Organism. "Proceedings of th European Symposium on Space Environmental Control Systems ", Noordwijk, The etherlands, 1997, p. 143-151.

6. НТО no спецтеме № 09421, шифр "Локальность", промежуточный, А/.: НИМИ МО РФ (А и КМ), 1997, 176 с.