具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种作业人员热伤害就地实时预警装置及方法，以解决现有的作业人员热生理反应预测模型计算量大，计算时间长的问题。

请一并参阅图1-2，为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种作业人员热伤害就地实时预警装置，包括：可携带设备、5G边缘网关、边缘计算平台和云计算平台。

可携带设备，用于采集环境参数和作业人员的生理参数；所述环境参数包括环境温度、环境湿度、风速和GPS坐标；所述生理参数包括皮肤温度、身高和体重；5G边缘网关与所述可携带设备连接，用于传输所述环境参数和所述生理参数；边缘计算平台与所述5G边缘网关连接，用于接受并对所述环境参数和所述生理参数进行初步处理得到初步处理后的生理参数；云计算平台与所述边缘计算平台连接，用于根据所述初步处理后的生理参数得到作业人员的预警信息。

作为本发明另一种具体的实施方式，可携带设备包括：键盘模块6、温度湿度测量模块3、风速测量模块1、GPS模块2、皮肤温度测量模块4、PLC控制模块、显示模块5、发声模块7。所述可携带设备采集的数据有环境温度、环境湿度、风速、GPS坐标，皮肤温度、身高、体重，其中身高和体重通过键盘手动输入。

键盘模块6，用于输入作业人员的所述身高和所述体重；温度湿度测量模块3，用于采集所述环境温度和所述环境湿度；风速测量模块，用于采集所述风速；GPS模块2，用于采集所述GPS坐标；皮肤温度测量模块4，用于采集所述皮肤温度；PLC控制模块，分别与所述键盘模块6、所述温度湿度测量模块、所述风速测量模块1、所述GPS模块2、所述皮肤温度测量模块4和所述5G边缘网关连接，用于将所述环境参数和所述生理参数传输到所述5G边缘网关。所述显示模块5和所述发声模块7均与所述PLC控制模块连接。

本发明还提供了一种作业人员热伤害就地实时预警方法，包括：

获取环境参数和作业人员的生理参数；

对所述环境参数和所述生理参数进行初步处理得到初步处理后的生理参数；所述初步处理后的生理参数包括人体皮肤表面积、人体热容、95％的人安全时的最大失水量、水蒸汽分压、皮肤温度对应的饱和蒸汽分压和人体新陈代谢量。

下面结合具体的实施例对本发明进行进一步的说明：

步骤一，使用所述可携带设备实时采集环境参数和作业人员的生理参数；

某高温作业人员到达工作现场，打开可携带设备，通过键盘输入身高1.78米，体重71.2千克，将皮肤温度测量模块紧贴到皮肤上，按下确认键，设备自动测量环境温度39.0℃、环境湿度30％、风速2m/s、GPS坐标为104.076291,30.658913、皮肤温度34.2℃。

步骤二，使用所述5G边缘网关可以把可携带设备采集的数据快速传送到边缘计算平台，而5G网络可以低延时的快速响应并及时上报和返回平台处理数据和指令。

步骤三，边缘计算平台对可携带设备采集的数据进行初步计算处理，然后把处理后的数据传送到云计算平台；

在边缘计算平台对数据初步处理的过程包括以下：

计算基础参数A_sk，c_sp，D_max95，p_a，p_sk，M。计算公式如下：

A_sk＝0.202×W^0.425×H^0.725

c_sp＝57.83×W^0.425×H^0.725

D_max95＝3％×W×1000

其中A_sk为人体皮肤表面积，单位m²，c_sp为人体热容，单位W/m²·K，D_max95为95％的人安全时的最大失水量，单位g，p_a为水蒸汽分压，单位kPa，p_sk为皮肤温度对应的饱和蒸汽分压，单位kPa，M为人体新陈代谢量，单位W/m²，W为人体体重，单位kg，H为人体身高，单位m，t_a为环境温度，单位℃，t_sk为皮肤温度，单位℃，R_Q为呼吸熵，根据高温作业人员实际劳动强度取值为1，V_O2为标准状况下的耗氧量，根据高温作业人员实际劳动强度取值为70L/h。

通过上述计算公式，带入数据计算得到：A_sk＝1.88m²；c_sp＝538.28W/m²·K；D_max95＝2136g；p_sk＝5378.48kPa；p_a＝2097.40kPa；M＝219W/m²。

边缘计算平台靠近设备终端，所以简单计算一些基础数据可以提高整体的预测计算速度，进而提高预警速度。

步骤四，云计算平台对数据进一步计算处理，得出作业人员的预警信息传送到边缘计算平台。

在云计算平台对数据进一步计算处理的过程包括以下：

(1)根据人体热平衡方程M-W＝C_res+E_res+K+C+R+E+S。计算E_res。其中M为人体新陈代谢量，W/m2，W为人体所完成的机械功，W/m2，C_res为通过人体呼吸引起的对流散热量，W/m2，E_res为通过人体呼吸引起的蒸发散热量，W/m2，K为人体皮肤与外界环境之间以热传导形式进行的热交换量，W/m2，C为人体皮肤与外界环境之间以热对流形式进行的热交换量，W/m2，R为人体皮肤与外界环境之间以热辐射形式进行的热交换量，W/m2，E为人体皮肤表面水分蒸发、出汗向外界环境的散热量，W/m2，S为人体的热储量，W/m2。

根据所述初步处理后的生理参数得到最大出汗率和最大蒸发热流量；具体的：

采用公式：

得到最大出汗率；其中，Sw_max表示最大出汗率，M表示人体新陈代谢量,A_sk表示人体皮肤表面积；

采用公式：

得到最大蒸发热流量；其中，E_max表示最大蒸发热流量，p_sk表示皮肤温度对应的饱和蒸汽分压，p_a表示水蒸汽分压，R_cl表示服装湿阻。

根据环境参数得到环境热积累率系数；其中，所述热积累率系数为：

其中，Q表示环境湿度，F表示风速，ΔO表示皮肤温度与环境温度的差值的绝对值；

采用公式：

dS_eq＝Sw_max(t_cr,eqi-t_cr,eqi-1)×B

得到热积累率；其中，t_cr,eqi表示时间步长i时与新陈代谢水平对应的核心温度；

采用公式：

E_req＝M-dS_eq-W-C_res-E_res-C-R

得到蒸发散热量；其中，E_req表示蒸发散热量，M表示人体新陈代谢量，W表示人体所完成的机械功，C_res表示对流散热量，E_res表示呼出气体蒸发热流率，C表示人体皮肤与外界环境之间以热对流形式进行的热交换量，R表示人体皮肤与外界环境之间以热辐射形式进行的热交换量；

根据所述最大出汗率得到预期出汗率；具体的：

采用公式：

得到汗蒸发效率；其中，r_req表示出汗蒸发效率w_req表示皮肤湿润率，

采用公式：

得到出汗率；

采用公式：

得到预期出汗率。

根据所述热积累率、预期出汗率得到核心温度和总出汗量，具体的：

采用公式：

a_i-1＝0.3-0.09(t_cr,i-36.8)

t_cr,eqm＝0.0036×(M-55)+36.8

得到核心温度；其中t_cr,i为i时刻时的核心温度，a_i表示i时刻时的皮肤温度系数，t_sk,i表示时间步长i时的皮肤温度，dS_i表示时间步长i对应的热累积率，dS_i＝E_res-E_p-dS_eq，E_p＝w_p·E_max，(w_p为常数与工作人员的热适应程度有关，一般取1)，C_sp表示人体热容，t_cr,eq,m表示人体达到稳态时的核心温度。

采用公式：

Sw_tot,i＝Sw_tot,i-1+Sw_p,i+E_res

得到总出汗量；其中Sw_totg,i表示时刻i时的总出汗量,A_sk表示人体皮肤表面积,Sw_tot,i表示时刻i时的总出汗失水量。

根据所述核心温度和所述总出汗量向工作人员发送预警信息。

在实际应用中，首先根据环境参数和作业人员的生理参数最终计算得到工作人员的核心温度和总出汗量随时间变化预测结果。

根据预测结果计算判断工作人员的剩余可安全工作时间。

由于工作时间没有饮水，累积出汗量不得大于体重的3.0％；人体核心温度的安全上限为38.9℃；

计算核心温度t_cr,i达到38.9℃的时间time1；

如图3，计算得到time1＝53min；

计算总出汗量Sw_totg,i达到95％的人安全时的最大失水量D_max95的时间time2；

如图4，计算得到time2＝134min；

取计算得到两个时间的最小值；

最终计算的剩余可安全工作时间time_safe＝min{time1,time2}＝53min。

计算结束后云计算平台将当前时刻的核心温度、出汗量和剩余可安全工作时间这些数据传递给边缘计算平台以供向工作人员预警。

步骤五，边缘计算平台把预警数据和预警指标对比判断得到预警信息传送给可携带设备，进行预警。具体的预警过程如下：

当高温作业人员工作25分钟的时候，核心温度到达38℃，则通过可携带设备的显示屏和扬声器预警提醒需要休息，当出汗量达到体重的2％，则通过可携带设备的显示屏和扬声器预警提醒需要饮水，当高温作业人员的实时剩余可工作时间只剩5分钟，则通过可携带设备的显示屏和扬声器预警提醒马上停止工作，当高温作业人员继续工作直到实时剩余可工作时间为0，则可携带设备的扬声器持续发出报警声提示周围人员，并将高温作业人员当前的GPS坐标和身体参数立刻上传发送到救援中心，请求救援。

本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种作业人员热伤害就地实时预警装置及方法，本发明提供的一种作业人员热伤害就地实时预警方法包括：获取环境参数和作业人员的生理参数；根据环境参数和生理参数得到热积累率和预期出汗率，并利用热积累率和预期出汗率得到核心温度和总出汗量，根据核心温度和总出汗量向工作人员发送预警信息。本发明通过利用作业人员的生理参数和环境参数来得到热积累率和预期出汗率，可以精准的得到作业人员在所处环境的核心温度和总出汗量，可以实现快速及时的作业人员热伤害就地实时预警，保障人员在作业过程中的身体安全。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。