基於生理參數的熱環境個體勞動安全監測裝置與評價方法與流程

2023-09-25 18:32:20 2

本發明涉及一種對熱環境下個體勞動者勞動安全的監測裝置及評價方法，主要用於全程監示安全勞動的持續時間、及時給出停止勞動的警示(熱損傷預警)。該發明可作為勞動安全保護用品，保護熱環境下勞動者健康，預防熱損傷發生。

背景技術：

熱環境下勞動，勞動者的生理負荷增加，發生熱損傷的危險性增高；尤其在重等及以上勞動強度時，隨著勞動時間延長，勞動者體內熱量不斷蓄積，發生熱損傷的危險性大大增加。為此，對勞動者的生理狀態、勞動強度、勞動時間等進行實時監測和評價，及時給出停止工作警示，預防熱損傷發生，對於保護熱環境下勞動者的健康至關重要。

現有技術中的個體生理狀態監測裝置，一般是對單一或多個生理參數的監測，如心率、體溫、血壓等，多用於運動生理學、臨床醫學等領域，如運動員運動中心率監測，病人床旁心電、體溫、血壓、血氧飽和度和呼吸頻率的監護等；現有的監測設備沒有對監測數據的分析評價功能，更無對勞動時間的全程實時測量分析和提示，不能用於對熱環境下勞動安全的監測和評價。

可穿戴技術是一種新穎的設計理念，是一種具有信號檢測和處理、信號特徵提取及數據傳輸等功能的用於人體狀態非介入式監測的新技術。利用可穿戴技術可建立一個穿戴式的生理監測系統，實現人心電、呼吸、血壓、體溫等生理參數的連續、長時間監測，具有十分重要的現實意義和應用價值。目前，智能手環是最廣泛使用的智能可穿戴設備，它的基本功能是測量步數，並可依據年齡、身高、體重等個人信息，計算能量消耗。目前，更先進的智能手環具備了測量脈搏、體溫和周圍溫度的功能。但這些設備是消費級別，不能精準測量生理指標。並且，不能對勞動者的生理狀態、勞動強度、勞動時間等進行實時監測和評價，也不能預警熱損傷。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的不足，本發明提供一種基於生理參數的熱環境個體勞動安全監測裝置，利用生理信號測量可穿戴技術，由作業個體隨身佩帶，用於在線實時記錄監測並預警熱環境下作業者身體熱負荷狀況，可實時提供勞動強度、熱負荷強度、安全勞動持續時間及停止作業預警等信息，並能存儲所有信息。

為了解決上述技術問題，本發明提出的一種基於生理參數的熱環境個體勞動安全監測裝置，包括檢測儀和預警儀，所述檢測儀包括三個心電電極貼、心電傳感器、熱敏電阻傳感器和信號處理及發射單元，所述信號處理及發射單元包括供電電路、a/d轉換處理電路、sd存儲卡和藍牙發射模塊；所述三個心電電極設置在勞動者的左側胸部位置處，佩戴者的心電信號通過三個心電電極貼採集，經所述心電傳感器放大處理，再經a/d轉換處理電路轉變為心率數位訊號；佩戴者的口溫信號由所述熱敏電阻傳感器採集，再經所述a/d轉換處理電路處理轉變為口溫數位訊號；所述心率數位訊號和口溫數位訊號存儲於所述sd存儲卡上，同時通過所述藍牙發射模塊無線傳輸給預警儀；所述預警儀是運行安卓系統的智能手錶，所述預警儀中植入有以下三個標準：標準號為gbz/t229.3-2010的《工業場所職業病危害作業分級-第三部分高溫》標準，標準號為gjb1104-91的《溼熱環境中軍人勞動耐受時限》標準；標準號為gjb1336-92的《軍事體力勞動強度分級》標準；所述預警儀通過自身的藍牙模塊接收所述檢測儀中藍牙發射模塊無線傳輸的心率數位訊號和口溫數位訊號，並通過屏幕輸入由三球溫度儀測得的環境的三球溫度；依據上述三球溫度，參照所述預警儀中植入的上述三個標準，對勞動環境熱強度、勞動者勞動強度、熱負荷強度、安全勞動時間、停止勞動時間進行分析評價，並將分析評價結果顯示在所述預警儀的屏幕上。

本發明提出的一種基於生理參數的熱環境個體勞動安全評價方法，是採用上述基於生理參數的熱環境個體勞動安全監測裝置，勞動者心率和口溫分別通過設置在其胸部的三個心電電極貼和熱敏電阻傳感器採集後轉變成心電信號和口溫電信號；其中，心電信號在所述檢測儀中通過心電傳感器1000倍放大處理後，與口溫電信號一起經a/d轉換處理電路，將心電信號轉變為心率數位訊號，將口溫電信號轉變為口溫數位訊號；所述心率數位訊號和口溫數位訊號實時存儲於所述sd存儲卡中，同時通過藍牙發射模塊無線傳輸給所述預警儀；所述預警儀將三球溫度與所接收到的勞動者的心率數位訊號和口溫數位訊號，根據標準號為gbz/t229.3-2010的《工業場所職業病危害作業分級-第三部分高溫》標準、標準號為gjb1104-91的《溼熱環境中軍人勞動耐受時限》標準和標準號為gjb1336-92的《軍事體力勞動強度分級》標準進行分析判別評價，並實時在預警儀的屏幕上顯示環境熱強度、勞動者勞動強度、勞動者熱負荷強度、勞動者安全勞動時間和停止勞動警示信息；當停止勞動警示開啟時，屏幕閃動並伴有聲音警示。

本發明基於生理參數的熱環境個體勞動安全評價方法，其中，所述分析判別評價包括環境熱強度評價、勞動強度評價、熱負荷強度評價和安全勞動時間評價，具體步驟如下：

環境熱強度評價：依據標準號為gbz/t229.3-2010的《工業場所職業病危害作業分級-第三部分高溫》標準，當所述預警儀接收到的三球溫度＜29℃時，環境熱強度評價結果為常溫；當三球溫度≥29℃時，環境熱強度評價結果為高溫；

勞動強度評價：所述預警儀接收到的心率信號所對應的心率為hr，依據標準號為gjb1336-92的《軍事體力勞動強度分級》標準，勞動強度的評價結果為以下情形之一：

當hr≤89b/min時，勞動強度的評價結果為輕度；

當hr為90～116b/min時，勞動強度的評價結果為中度；

當hr為117～142b/min時，勞動強度的評價結果為重度；

當hr為143～173b/min時，勞動強度的評價結果為很重；

當hr＞173b/min時，勞動強度的評價結果為停止勞動，並伴有聲音報警；

熱負荷強度評價：所述預警儀接收到的心率信號所對應的心率為hr，所述預警儀接收到的口溫信號所對應的口溫為t，依據標準號為gjb1104-91的《溼熱環境中軍人勞動耐受時限》標準，按照熱負荷強度hli＝5(hr-71)/(174-71)+5(t-36.7)/(38.3-36.7)，其中，hr的單位為b/min，t的單位為℃，熱負荷強度的評價結果為以下情形之一：

當hli＜5.7時，熱負荷強度的評價結果為適度；

當hli為5.7～7.8時，熱負荷強度的評價結果為重度；

當hli為7.9～9.9時，熱負荷強度的評價結果為極度；

當hli≥10時，熱負荷強度的評價結果為極限；

當hr≥174，或t≥38.3℃時，熱負荷強度的評價結果為停止勞動，並伴有聲音報警；

安全勞動時間評價：勞動開始時刻為計時的起點，根據所述預警儀接收到的三球溫度數值並依據標準號為gjb1104-91的《溼熱環境中軍人勞動耐受時限》標準，安全勞動時間的評價結果為以下情形之一

當三球溫度小於29℃時，評價結果為8小時；

當三球溫度等於29℃，同時：若勞動強度的評價結果為輕度或中度或重度時，則安全勞動時間的評價結果為8小時；若勞動強度的評價結果為很重時，則安全勞動時間的評價結果為4小時；

當三球溫度等於30℃，同時：若勞動強度的評價結果為輕度或中度時，則安全勞動時間的評價結果為8小時；若勞動強度的評價結果為重度時，則安全勞動時間的評價結果為4小時；若勞動強度的評價結果為很重時，則安全勞動時間的評價結果為1.5小時；

當三球溫度等於31℃時，同時：若勞動強度的評價結果為中度時，則安全勞動時間的評價結果為4小時；若勞動強度的評價結果為重度時，則安全勞動時間的評價結果為3小時；若勞動強度的評價結果為很重時，則安全勞動時間的評價結果為1小時；

當三球溫度等於32℃時，同時：若勞動強度的評價結果為中度時，則安全勞動時間的評價結果為3小時；若勞動強度的評價結果為重度時，則安全勞動時間的評價結果為2小時；若勞動強度的評價結果為很重時，則安全勞動時間的評價結果為停止勞動，並伴有聲音報警；

當三球溫度等於33℃時，同時：若勞動強度的評價結果為中度時，則安全勞動時間的評價結果為2.9小時；若勞動強度的評價結果為重度時，則安全勞動時間的評價結果為1小時；若勞動強度的評價結果為很重時，則安全勞動時間的評價結果為停止勞動，並伴有聲音報警。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

(1)本發明兼具生理參數檢測技術和熱損傷評價預警技術。其中的檢測部分利用可穿戴技術、生物信號傳感器技術和電子電路技術，可準確實時檢測反映熱環境勞動者熱負荷狀態的經典指標：心率和體溫；預警部分將衛生學評價標準編程集成嵌入智能手錶中，可實時評價勞動者的安全勞動狀態，及時給出熱損傷預警。現有技術只有檢測技術，沒有評價預警技術。

(2)本發明將衛生學評價標準與熱損傷預警技術有機結合。現有技術尚沒有將相關衛生學標準用於熱損傷的預警技術，本發明將熱區勞動衛生學標準嵌入預警軟體，用於熱負荷狀態和熱損傷預警的評價判別。評價預警技術基於衛生學標準的勞動強度分級、人體生理安全上限和耐受極限的標準參數，通過分析熱環境下勞動者的心率和體溫，計算熱負荷狀態，評估勞動者安全勞動狀態，給出安全勞動的時限，並及時給出防止熱損傷的停止勞動安全預警。

(3)本發明具有體積小、輕便便攜、生理信號採集電極與人體緊密貼敷、佩戴者無附加生理負荷、監測預警實時科學準確的優點。

附圖說明

圖1是本發明基於生理參數的熱環境個體勞動安全監測裝置的構成框圖；

圖2是本發明中檢測儀的構成示意圖；

圖3是本發明中預警儀組成結構示意圖；

圖4是本發明基於生理參數的熱環境個體勞動安全評價方法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明技術方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本發明進行解釋說明，並不用以限制本發明。

本發明提出的一種基於生理參數的熱環境個體勞動安全監測裝置由勞動個體隨身佩帶，通過全程測量心率(hr)和口溫(t)，並輸入勞動環境三球溫度(即自然溼球、黑球和幹球的三球溫度)，可實時提示熱環境的熱強度、勞動者的熱負荷強度、勞動強度、安全勞動時間及停止勞動警示，起到預防熱損傷、保護勞動者健康的作用。

如圖1所示，本發明的一種基於生理參數的熱環境個體勞動安全監測裝置，包括檢測儀和預警儀兩部分。

如圖2所示，所述檢測儀包括三個心電電極貼、心電傳感器、熱敏電阻傳感器和信號處理及發射單元，所述信號處理及發射單元包括供電電路、a/d轉換處理電路、sd存儲卡和藍牙發射模塊；所述供電電路指為心電傳感器、熱敏電阻傳感器和a/d轉換處理電路供電的電路。其中，所述心電傳感器採用點點科技公司的keyes傳感器，所述熱敏電阻傳感器採用南京華巨電子有限公司的mf54-503f3950傳感器，所述供電電路採用興旺數碼電源公司的aili038n電路，所述a/d轉換處理電路採用risym公司的risymad7705電路，所述sd存儲卡採用七星蟲ds3231存儲卡，所述藍牙發射模塊採用深圳市創新微科技有限公司的ms47sf2藍牙發射模塊。所述檢測儀的結構如圖2所示。

所述三個心電電極設置在勞動者的左側胸部位置處，佩戴者的心電信號通過三個心電電極貼採集，經所述心電傳感器放大處理，再經a/d轉換處理電路轉變為心率數位訊號；佩戴者的口溫信號由所述熱敏電阻傳感器採集，再經所述a/d轉換處理電路處理轉變為口溫數位訊號；所述心率數位訊號和口溫數位訊號存儲於所述sd存儲卡上，同時通過所述藍牙發射模塊無線傳輸給預警儀。

如圖3所示，所述預警儀是運行安卓系統的智能手錶，該智能手錶包括有液晶顯示屏、聲音報警器，所述預警儀中安裝有數據分析判別評價程序，並植入有以下三個標準：

標準號為gbz/t229.3-2010的《工業場所職業病危害作業分級-第三部分高溫》標準，

標準號為gjb1104-91的《溼熱環境中軍人勞動耐受時限》標準；

標準號為gjb1336-92的《軍事體力勞動強度分級》標準；

所述預警儀通過自身的藍牙模塊接收所述檢測儀信號，即由藍牙發射模塊無線傳輸的心率數位訊號和口溫數位訊號，並通過屏幕輸入由三球溫度儀測得的環境的三球溫度(wbgt)；數據分析判別評價程序依據上述wbgt，參照所述預警儀中植入的上述三個標準，對勞動環境熱強度、勞動者勞動強度、熱負荷強度、安全勞動時間、停止勞動時間進行分析評價，並將分析評價結果顯示在所述預警儀的屏幕上。在熱損傷危險度達到或即將達到臨界限值時，會通過聲音報警和屏幕顯示「停止勞動」的方式，警示勞動者停止工作。

利用本發明中提出的上述基於生理參數的熱環境個體勞動安全監測裝置進行熱環境個體勞動安全評價的方法是，勞動者心率和口溫分別通過設置在其胸部的三個心電電極貼和熱敏電阻傳感器採集後轉變成心電信號和口溫電信號；其中，心電信號在所述檢測儀中通過心電傳感器1000倍放大處理後，與口溫電信號一起經a/d轉換處理電路，將心電信號轉變為心率數位訊號，將口溫電信號轉變為口溫數位訊號；所述心率數位訊號和口溫數位訊號實時存儲於所述sd存儲卡中，同時通過藍牙發射模塊無線傳輸給所述預警儀；所述預警儀將wbgt與所接收到的勞動者的心率數位訊號和口溫數位訊號，利用安裝在預警儀(即一款運行安卓系統的智能手錶)中的數據分析判別評價程序，根據標準號為gbz/t229.3-2010的《工業場所職業病危害作業分級-第三部分高溫》標準、標準號為gjb1104-91的《溼熱環境中軍人勞動耐受時限》標準和標準號為gjb1336-92的《軍事體力勞動強度分級》標準進行分析判別評價，並實時在預警儀的屏幕上顯示環境熱強度、勞動者勞動強度、勞動者熱負荷強度、勞動者安全勞動時間和停止勞動警示信息；當停止勞動警示開啟時，屏幕閃動並伴有聲音警示。

所述分析判別評價包括環境熱強度評價、勞動強度評價、熱負荷強度評價和安全勞動時間評價，實現數據分析判別評價的流程如圖4所示，具體過程包括：

一、環境熱強度評價：依據標準號為gbz/t229.3-2010的《工業場所職業病危害作業分級-第三部分高溫》標準，當所述預警儀接收到的wbgt＜29℃時，環境熱強度評價結果為常溫，此時，預警儀屏幕中的環境熱強度顯示為常溫；當wbgt≥29℃時，環境熱強度評價結果為高溫，此時，預警儀屏幕中的環境熱強度顯示為高溫。

二、勞動強度評價：所述預警儀接收到的心率信號所對應的心率為hr，依據標準號為gjb1336-92的《軍事體力勞動強度分級》標準，當hr≤89b/min時，勞動強度的評價結果為輕度，此時，預警儀屏幕中的勞動強度顯示為輕度；當hr為90～116b/min時，勞動強度的評價結果為中度，此時，預警儀屏幕中的勞動強度顯示為中度；當hr為117～142b/min時，勞動強度的評價結果為重度；此時，預警儀屏幕中的勞動強度顯示為重度；當hr為143～173b/min時，勞動強度的評價結果為很重；此時，預警儀屏幕中的勞動強度顯示為很重；當hr＞173b/min時，勞動強度的評價結果為停止勞動，此時，預警儀屏幕顯示停止勞動，並伴有聲音報警。

三、熱負荷強度評價：所述預警儀接收到的心率信號所對應的心率為hr，所述預警儀接收到的口溫信號所對應的口溫為t，本發明中依據標準號為gjb1104-91的《溼熱環境中軍人勞動耐受時限》中的生理安全上限和耐受極限標準、標準號為gjb2561-96的《軍人耐熱鍛鍊衛生規程》中的耐受上限標準以及軍人正常心率和口溫數據，並參考文獻(morands,shitzera,pandolfkb.aphysiologicalstrainindextoevaluateheatstress[j].americanjournalofphysiology,1998,275(1pt2):r129-34)，推導得出軍人熱負荷強度(heatloadintensity,hli)推算公式：hli＝5(hr-71)/(174-71)+5(t-36.7)/(38.3-36.7)；依據心率和口溫，推算hli，用於評價熱負荷強度。當hli＜5.7時，熱負荷強度的評價結果為適度，低於生理安全上限，預警儀屏幕中的熱負荷強度顯示為適度；當hli為5.7～7.8時，熱負荷強度的評價結果為重度，高於生理安全上限，低於耐受上限，預警儀屏幕中的熱負荷強度顯示為重度；當hli為7.9～9.9時，熱負荷強度的評價結果為極度，高於耐受上限，低於耐受極限，預警儀屏幕中的熱負荷強度顯示為極度；當hli≥10時，熱負荷強度的評價結果為極限，高於耐受極限，預警儀屏幕中的熱負荷強度顯示為極限。當hr≥174，或t≥38.3℃時，熱負荷強度的評價結果停止勞動，此時，預警儀屏幕上顯示停止勞動，並伴有聲音報警。

安全勞動時間評價：首先特別強調，勞動開始時刻為計時的起點，即安全勞動時間是以開始勞動為起點計時的時間，此後每5分鐘更新一次，即在勞動強度不變情況下，原時間遞減5分鐘，依次類推。因此，以下顯示的安全勞動時間是剛剛開始計時的時間。如果在工作一段時間後才開始佩戴此裝置，安全勞動時間則是，用以上方式判別的時間減去已工作時間的時間。

根據所述預警儀接收到的wbgt數值並依據標準號為gjb1104-91的《溼熱環境中軍人勞動耐受時限》標準，當wbgt小於29℃時，評價結果為8小時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為8小時。

當wbgt等於29℃，同時：若勞動強度的評價結果為輕度或中度或重度時，則安全勞動時間的評價結果為8小時，此時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為8小時；若勞動強度的評價結果為很重時，則安全勞動時間的評價結果為4小時，此時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為4小時。

當wbgt等於30℃，同時：若勞動強度的評價結果為輕度或中度時，則安全勞動時間的評價結果為8小時；此時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為8小時；若勞動強度的評價結果為重度時，則安全勞動時間的評價結果為4小時，此時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為4小時；若勞動強度的評價結果為很重時，則安全勞動時間的評價結果為1.5小時，此時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為1.5小時。

當wbgt等於31℃時，同時：若勞動強度的評價結果為中度時，則安全勞動時間的評價結果為4小時，此時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為4小時；若勞動強度的評價結果為重度時，則安全勞動時間的評價結果為3小時，此時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為3小時；若勞動強度的評價結果為很重時，則安全勞動時間的評價結果為1小時，此時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為1小時。

當wbgt等於32℃時，同時：若勞動強度的評價結果為中度時，則安全勞動時間的評價結果為3小時，此時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為3小時；若勞動強度的評價結果為重度時，則安全勞動時間的評價結果為2小時，此時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為2小時；若勞動強度的評價結果為很重時，則安全勞動時間的評價結果為停止勞動，此時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為0小時，並提示停止勞動，並伴有聲音報警。

當wbgt等於33℃時，同時：若勞動強度的評價結果為中度時，則安全勞動時間的評價結果為2.9小時，此時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為2.9小時；若勞動強度的評價結果為重度時，則安全勞動時間的評價結果為1小時，此時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為1小時；若勞動強度的評價結果為很重時，則安全勞動時間的評價結果為停止勞動，此時，預警儀屏幕中的安全勞動時間顯示為0小時，並提示停止勞動，並伴有聲音報警。

綜上，本發明中實現停止勞動的評價過程是穿插在上述的環境熱強度評價、勞動強度評價、熱負荷強度評價和安全勞動時間評價過程中，即只要出現有以下幾種情形之一，預警儀屏幕上則顯示出停止勞動，並伴有聲音報警。

(1)在勞動強度評價過程中，當所述預警儀接收到的心率信號所對應的心率hr＞173b/min時；

(2)在熱負荷強度評價過程中，當所述預警儀接收到的口溫信號所對應的口溫t≥38.3℃時；

(3)在熱負荷強度評價過程中，當hli≥10時；

(4)在安全勞動時間評價過程中，當wbgt大於等於32℃時，且勞動強度評價結果為很重時；

在上述情形下，安全勞動時間的評價結果均為0小時，即停止勞動。

儘管上面結合附圖對本發明進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬於本發明的保護之內。