基于高温人体热反应模型的生理参数预测

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1、ISSN106／20——00-0054清华大学学报(自然科学版)2014年第54卷第11期CN11—2223／NJTsinghuaUniv(Sci&Techno1)，2014，Vo1．54，No．111422—1427一一蓥耋_一～一～一吣一～～一～咖一基于高温人体热反应模型的生理参数预测杨杰，翁文国(清华大学工程物理系，公共安全研究院，北京100084)摘要：为有效评估人员在高温环境的安全性，建立人体热人体通过新陈代谢产热，并与外界环境通过对反应模型模拟高温环境人体皮肤温度、核心温度等生理参流、辐射、蒸发及传

2、导等方式进行热交换L1]。当人体数。计算人体一服装一环境之间的热交换，并考虑高温对人体暴露于热环境时，可通过生理调节和行为调节适应代谢产热、血流量、换热系数的影响，建立适用于高温环境的环境]。然而，当长时问处于高温环境时，人体产热人体热反应模型。通过人体实验测量值及Fiala模型模拟值和散热不平衡，会导致体温上升、出汗量增大，可能验证所建模型的有效性，验证结果表明高温人体热反应模型发生热应激，甚至死亡[3]。随着传热学、生理学及和实验结果吻合得很好。在48℃环境中所建立模型模拟平仿真建模的发展，高温环境中人体热

3、反应成为公共均皮肤温度值与实验测量值最大差值小于0．3℃，而Fiala安全领域研究的热点。建立人体热反应模型，综合模型与测量值最大差值接近1℃。所建立的模型可用于高温环境人体皮肤温度和核心温度等生理参数预测，为公共安考虑人体内部热交换、人体与环境之间热交换、服装全领域的应急救援、人员安全性评估、防护服研发等提供对人体与环境热交换的影响，对于应急救援、人员安参考。全评估、防护服的研制等意义重大。关键词：公共安全；高温；人体热反应模型；生理参数在人体热反应数学建模方面，主要思想是“分块、分层”，即将人体按生理结构划

4、分为多块，每一块中图分类号：X959文献标志码：A又划分为多层，如核心、肌肉、脂肪及皮肤层，或核文章编号：1000—0054(2014)11—1422—06心、动脉、静脉、皮肤层。Gagge[5将人体分为内、外两个同心圆柱体，内层核心层为人体器官、肌肉及组织，外层为皮肤层，在此基础上分别对内层和外层进行建模，用于计算人体内部及人体与环境之间的热交换、皮肤温度、核心温度等。Stolwijk_6将人体分为头、躯干、胳膊、手、腿及脚6块，每块分为皮肤、脂肪、肌肉及核心4层，利用控制论及反馈调节分别对人体的各块各层进行

5、建模，可得人体各部分的温度值和发汗量等生理参数。Yigit[7建立稳态人体热反应模型，并用热阻和湿阻计算服装对人体与环境的热交换的影响。Smith[8]利用3维有限元方法建立人体热反应模型。Zhang等[g在Stolwijk模型[6]的基础之上，对人体的血液流动、换热系数等进行改进，并考虑性别、身高、体重、肤色等个体差异性对人体热反应的影响。通常把35℃以上的生活环境以及32℃以上的收稿日期：2O14—04—28基金项目：国家自然科学基金项目(51076073)作者简介：杨杰(1987一)，男(汉)，山西，博士

6、研究生。通信作者：翁文国，研究员，E-mail：wgweng@tsinghua．edu．el_杨杰，等：基于高温人体热反应模型的生理参数预测生产环境称为高温环境。人体热反应模型被广泛应Q一Q+△Q．(6)用于人体生理反应的模拟、热舒适评估等，多数模型其中：Q为高温环境人体代谢产热量，△Q为因高不考虑高温对代谢产热、血流量、换热系数的影响。温而增加的代谢产热量。在人体热反应建模中，将本文在Tanabe等_1。。所建模型基础上，综合考虑高热中性状态时人体各块各层温度称为调定点温度，温对模型中代谢产热、血流量、换热系

7、数等的影响，△Q是各块各层温度与调定点温度差值的函数[1，建立了适用于高温环境的人体热反应模型，从而提△Q—Qb·E2“r__r0一1]．(7)其中：为各块各层的调定点温度；Q为基础代高模型在高温环境的适用性及精度。为验证模型的谢率，w／m。有效性，将所建模型模拟结果与人体实验测量值及血液在人体热反应调节中起重要作用，中央血其他模型模拟值进行比较。液层与人体各各块各层的热交换量_1。。为1高温人体热反应模型B—apBf(T—Tbl。。d)．(8)人体热反应模型需计算人体内部、人体皮肤与其中：n为逆流热交换比率，

8、取值为1；p为血液的环境的热交换、服装对人与环境换热量的影响。模容积比热，w·h／(L·℃)；Bf为血液流量，由基础型需要输入参数为：1)环境参数，包括温度、湿度血流量、做功及颤抖3部分组成，L／h。和风速；2)人体参数，包括身高和体重；3)服装参人体暴露于高温环境时，在神经中枢系统的调数，包括热阻。通过模型计算可得人体各区块皮肤控下血液流量增加促使散热量增加，血流量表达温度、核心温度