Multikriteriální nástroj pro analýzu a predikci tepelného stavu člověka
Loading...
Files
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Tato práce se zabývá vývojem multikriteriálního nástroje, který je schopen určit pro dané vstupní podmínky ten nejvhodnější model pro predikci tepelného stavu člověka v ochranném obleku na základě vytvořeného objektivního rozhodovacího schématu. Pro tvorbu tohoto nástroje byly na základě rešerše vybrány 4 indexy tepelného stresu či fyziologické modely: PHS (Predicted Heat Strain), IPHS (Individual Predicted Heat Strain), Gaggův 2 uzlový model a FMTK model. Algoritmy modelů PHS, IPHS a Gagge byly implementovány v programu Matlab. Následně byly všechny 4 modely validovány za pomoci výsledků experimentálních měření. Na základě výsledků validací byla ověřena využitelnost těchto modelů pro predikci tepelného stresu člověka a pro některé modely bylo možné rozšířit jejich podmínky aplikovatelnosti. Hlavním kritériem validace byla přesnost predikce rektální teploty. Dále byly na základě výsledků validačních studií zvoleny metriky pro sestavení objektivního rozhodovacího systému sloužícího k výběru nejvhodnějšího modelu pro dané okolní podmínky. Ve spolupráci se SÚJCHBO byla získána data pro validaci modelů: 140 experimentů pro 4 ochranné obleky (FOP, Tychem, Tiger, OPCH) a 4 okolní teploty (-10, 5, 25 a 35 °C) s 12 probandy, 6 probandů mužského pohlaví ve věku 29-53 let, s výškou 170-187 cm a s hmotností 69-92 kg; a 6 probandů ženského pohlaví ve věku 28-49 let, s výškou 158-176 cm a s váhou 56-71 kg. Pro okrajové podmínky těchto experimentů bylo provedeno celkově 1987 simulací pomocí vybraných modelů pro různé inicializační hodnoty počátečních podmínek rektální teploty a teploty pokožky a pro různé odhady metabolické aktivity. Na základě vyhodnocení výsledků simulací vůči experimentům v podobě hodnoty MAE (Mean Absolute Error) a diference mezi predikovanou a měřenou rektální teplotou na konci testu byla vytvořena vyhledávací tabulka, na jejímž základě je dle zadaných vstupů do multikriteriálního nástroje prostřednictvím rozhodovacího schématu nalezen nejvhodnější model pro dané podmínky. Výsledný multikriteriální nástroj byl nakonec spolu s grafickým rozhraním pro zadávání vstupních hodnot vytvořen v programu Excel.
The thesis is concerned with the development of a multi-criteria tool capable of determining, for given input conditions, the most appropriate model for predicting the thermal state of a person in a protective suit, based on developed objective decision scheme. Four heat stress indices or physiological models were selected for the development of this tool: PHS (Predicted Heat Strain), IPHS (Individual Predicted Heat Strain), Gagg's 2-node model and the FMTK model. The algorithms of PHS, IPHS and Gagge were implemented in Matlab. Subsequently, all 4 models were validated against the experimental results. Based on the results of the validations, the applicability of these models for predicting human heat stress was verified. For some models, the applicability conditions were possible to extend. The accuracy of rectal temperature prediction was the main criteria. Furthermore, based on the results of the validation studies, metrics were selected to build an objective decision system. This was used to select the most appropriate model for the given environmental conditions. In the cooperation with SÚJCHBO, the data for model validation were delivered: 140 tests were carried out for 4 protective suits (FOP, Tyhem, Tiger, OPCH) and 4 ambient temperatures (-10, 5, 25 and 35 °C). 12 test persons were involved, 6 male test persons aged 29-53 years, 170-187 cm tall and weighing 69-92 kg, and 6 female test persons aged 28-49 years, 158-176 cm tall and weighing 56-71 kg. In total, 1987 simulations have been carried out using selected models, for different initial values of rectum and skin temperature, and for different estimates of metabolic activity. A look-up table was created to find the most appropriate model for the given conditions according to the inputs to the multicriteria tool via a decision scheme, based on the evaluation of the results of the simulations against the experiments in terms of the MAE (Mean Absolute Error) and the difference between the predicted and measured rectal temperature at the end of the test. Finally, the resulting multicriteria tool was created in Excel, including a graphical interface for entering values.
The thesis is concerned with the development of a multi-criteria tool capable of determining, for given input conditions, the most appropriate model for predicting the thermal state of a person in a protective suit, based on developed objective decision scheme. Four heat stress indices or physiological models were selected for the development of this tool: PHS (Predicted Heat Strain), IPHS (Individual Predicted Heat Strain), Gagg's 2-node model and the FMTK model. The algorithms of PHS, IPHS and Gagge were implemented in Matlab. Subsequently, all 4 models were validated against the experimental results. Based on the results of the validations, the applicability of these models for predicting human heat stress was verified. For some models, the applicability conditions were possible to extend. The accuracy of rectal temperature prediction was the main criteria. Furthermore, based on the results of the validation studies, metrics were selected to build an objective decision system. This was used to select the most appropriate model for the given environmental conditions. In the cooperation with SÚJCHBO, the data for model validation were delivered: 140 tests were carried out for 4 protective suits (FOP, Tyhem, Tiger, OPCH) and 4 ambient temperatures (-10, 5, 25 and 35 °C). 12 test persons were involved, 6 male test persons aged 29-53 years, 170-187 cm tall and weighing 69-92 kg, and 6 female test persons aged 28-49 years, 158-176 cm tall and weighing 56-71 kg. In total, 1987 simulations have been carried out using selected models, for different initial values of rectum and skin temperature, and for different estimates of metabolic activity. A look-up table was created to find the most appropriate model for the given conditions according to the inputs to the multicriteria tool via a decision scheme, based on the evaluation of the results of the simulations against the experiments in terms of the MAE (Mean Absolute Error) and the difference between the predicted and measured rectal temperature at the end of the test. Finally, the resulting multicriteria tool was created in Excel, including a graphical interface for entering values.
Description
Citation
ŘEHÁK KOPEČKOVÁ, B. Multikriteriální nástroj pro analýzu a predikci tepelného stavu člověka [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. .
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
prof. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Radek Soukup, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jana Kolářová, Ph.D. (člen)
doc. Ing. František Lízal, Ph.D. (člen)
kpt. Ing. Jana Švecová, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Nasadil (člen)
prof. Ing. Luboš Hes, DrSc. (člen)
RNDr. Josef Břínek, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
Defence
Rozšíření aplikačního rozsahu vybraných modelů tepelného stresu. Realizace validačních simulací a následné vytvoření Multikriteriálního nástroje na základě objektivního rozhodovacího systému (MAE a DIFF).
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení