一种低温环境下交通出行的人体损耗计算方法

摘要

本发明公开了一种低温环境下交通出行的人体损耗计算方法。采用人体平均皮肤温度下降量作为人体损耗程度的评价指标，计算方法涉及人体基本能量新陈代谢产热量计算、低温环境下增加的人体新陈代谢产热量计算，基于人因工程学的方法构建了相应的人体损耗计算方法。本发明提出的一种低温环境下交通出行的人体损耗计算方法，以春运摩托车返乡潮现象的返乡服务站点布设间距为案例探讨了该计算方法的适用性，特别是可为人们在低温环境下的交通出行提供一种出行成本分析的人体损耗成本计算依据，指导出行者正确地进行交通工具选择决策，对发展公共交通、促进绿色出行具有理论参考意义。

权利要求

1.一种低温环境下交通出行的人体损耗计算方法包括如下步骤：

1)获得人体基本新陈代谢的产热量；

2)通过环境温度、风速和出行者服装阻热对人体热量损失的影响效应分析，得到风冷指数；

3)获得低温环境下交通出行时人体的新陈代谢的产热量；

4)通过低温环境下交通出行时人体新陈代谢产热量的分析，得出人体损耗计算公式；

5)获得低温环境下交通出行的人体损耗计算方法，通过该计算方法得到低温环境下交通出行的人体损耗等级：皮肤温度变化2℃，人体热感觉至少变化1个分度，也就是人的皮肤平均温度每下降2℃，人的热舒适感就会下降1个级别，以人体皮肤温度变化2℃为界来划分人体的损耗等级，见表1，表1 人体损耗等级和PMV值的对应关系表利用步骤1)-步骤4)，即可计算人体平均皮肤温度下降量，再根据表1，即可确定低温环境下交通出行的人体损耗等级，其特征在于，通过下式获得人体服装热阻值的风冷指数：式中，KC为环境风冷指数，单位是kcal/m2/h；V为风速，单位是m/s；ta为气温，单位是℃；

Iclo为整体服装热阻值，单位是clo；

风冷指数的计算方式：

式中，KC为环境风冷指数，单位是kcal/m2/h；V为风速，单位是m/s；ta为气温，单位是℃；

Iclo为整体服装热阻值，单位是clo；

得到风冷指数；

步骤3中人体在寒冷的环境下增加的新陈代谢率M冷和低温环境下人体新陈代谢产热量H冷计算公式：M冷＝Kc×4.18-(M-W)

式中，W为人体对外做的功，KC为环境风冷指数，M为新陈代谢率，得到人体在低温环境下的人体代谢产热量H冷；

步骤4中的低温环境下出行者新陈代谢产热量H冷与皮肤下降的温度ΔT之间的关系式：ΔT＝0.0275H冷t

式中，ΔT为人体皮肤温度平均下降量,单位是℃；t为骑车或坐车时间，单位是h，该公式为低温环境下交通出行的最终人体损耗计算公式。

说明书

一种低温环境下交通出行的人体损耗计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及交通工具选择决策所依据的交通出行成本计算方法，特别是一种低温环境下交通出行的人体损耗计算方法。

背景技术

[0002] 低温环境即温度低于人体舒适程度的环境。一般取21±3℃为人体舒适的温度范围，因此18℃以下的温度即可视作低温。但对人的工作效率有不利影响的低温，通常是在10℃以下。目前国内外未发现有研究直接指向交通出行的人体损耗计算方法问题。但有关于工作环境与人体健康关系方面的研究，而研究成果集中在环境因素与职业病之间因果关系和在特殊环境下作业的一些防御措施。

[0003] 一些发达国家较重视劳工的职业健康与安全，这方面的研究成果较丰富：

[0004] 日本石原结实的研究发现，一定范围内，体温的升降与机体免疫力呈正相关，体温每下降1℃，机体免疫力就下降30％以上，体温每上升1℃，机体免疫力就增长5-6倍。

[0005] 英国安全与健康执行局(HSE)的研究认为，工作环境温度影响人体的健康及设备操作，13℃到30℃之间是一个可接受的工作环境温度，超出这个温度范围，人体健康和工作效率将受到影响。

[0006] 美国劳工部对热工作环境对人体健康的危险进行了分级。

[0007] 我国的社会保障部门在90年代开展了对环境因素与职业病关系的系统性研究：

[0008] 中国劳动卫生与职业病研究所在对我国的低温作业分级标准进行实验研究时，发现低温对人体的免疫力有明显影响；在对我国南北方50多个冷(冰)库900多低温作业工人及常温库工人的调查研究时，发现我国低温作业工人的冷职业危害严重，直接损害工人健康。

[0009] 2001年11月12日，国家质量监督检验检疫总局正式颁布了《职业健康安全管理体系规范》(GB/T28001-2001)，该标准与OHSAS18001内容基本一致，最新的版本是2011版。

[0010] 除了官方的研究，民间学者在这方面也有研究，基本的研究方法是实验研究法或调查研究法。如周青等人采用实验方法研究了高温高湿环境下运动前后人体相关生化指标的变化，陈辉等人研究了中暑气象条件的等级划分，崔文广调查研究了深井热害对矿工生理和生化指标的影响，谈建国等研究了热浪对人体健康的影响，等等。

[0011] 虽然现在有很多关于工作环境与人体健康关系方面的研究，但相当一部分的研究都只是证明环境因素与职业病之间因果关系和在特殊环境下作业的一些防御措施而已。目前对低温环境下人体损耗的计算没有比较实用的方法，而且现有的方法过程繁琐，数据不够准确，对交通出行的人体损耗计算参考意义不足，既没有具体的提出一些关于低温环境下的交通出行与人体损耗之间的关系式，更没有直接针低温环境下对交通出行造成的人体损耗的计算方法，没有一种低温环境下交通出行对人体健康伤害程度的评价指标。一种低温环境下交通出行的人体损耗计算方法，在一些特殊的环境，这些数据将是非常重要的参考，特别是一种低温环境下交通出行的人体损耗计算方法，提供一种交通出行成本构成要素中的人体损耗成本计算依据，指导出行者进行正确的交通工具选择决策，对发展公共交通、促进绿色出行具有重要的现实意义。

发明内容

[0012] 发明目的：

[0013] 从系统损耗的角度看，交通出行成本的构成要素包括人、车、路、环境和管理五方面的成本，但目前的交通出行成本计算方法在人体损耗计算方面存在空白，本发明提供一种低温环境下交通出行的人体损耗计算方法，该方法计算公式简单，数据准确。而一种低温环境下交通出行的人体损耗计算方法，提供一种交通出行成本构成要素中的人体损耗成本计算依据，可指导出行者进行正确的交通工具选择决策，对发展公共交通、促进绿色出行具有重要的现实意义。同时，基于该方法还能为春运返乡摩托车服务站点的布设间距的合理确定提供一种计算依据。

[0014] 为实现本发明采用的技术方案是：

[0015] 一种低温环境下交通出行的人体损耗计算方法，包括如下步骤：

[0016] 1)人体基本新陈代谢产热量的计算；

[0017] 2)环境温度、风速和出行者服装阻热对人体热量损失的影响效应分析；

[0018] 3)低温环境下交通出行时人体的新陈代谢产热量的计算；

[0019] 4)通过低温环境下交通出行时人体新陈代谢产热量的分析，推导出最终的人体损耗计算公式；

[0020] 5)低温环境人体损耗的评价方法。

[0021] 步骤1中：根据人因工程学的人体基本新陈代谢产热率的计算公式：

[0022] M＝(RMR+1.2)×B  (1)

[0023] 1W＝3.6KJ/h  (2)

[0024] 可得到人体基本新陈代谢产热量H的计算公式：

[0025]

[0026] 公式(1)、(2)、(3)中，

[0027] M为人体能量代谢率；

[0028] RMR为人的相对代谢率，1.2为人在安静情况下的相对代谢率；

[0029] B为基础代谢率平均值，单位是KJ/(m2·h)；

[0030] H为人体基本新陈代谢产热量，单位是W/(m2·h)。

[0031] 步骤2中：人在低温环境下作业，不仅工作会消耗能量，而且，人体为了保温也会消耗大量的能量；同时，环境温度、风速和服装阻热也对人体热量的损失产生影响。

[0032] 环境风冷指数KC可以评价人体在低温环境下环境温度和风速对人体热量损失的影响：

[0033]

[0034] 该公式可以表示环境温度和风速对人体散热量的影响，它代表的是平均皮肤温度33℃的人在裸露体表面的情况下每平方米的皮肤表面积、每小时所散失的热量率。

[0035] 公式(4)中，

[0036] KC为环境风冷指数，单位是kcal/m2/h；

[0037] V为风速，单位是m/s(风速计算V＝V车±V风，

[0038] 当交通出行人顺风行驶为“-”，逆风行驶为“+”)；

[0039] ta为气温，单位是℃；

[0040] 人的服装阻热效应可用整体服装热阻计算公式表示，如下：

[0041] Iclo＝0.82∑Icloi  (5)

[0042] 人的服装保暖性能一般用服装阻热值来表示，阻热值的单位为1clo，clo是表示服装材料保暖值的单位，即一个保暖单位。

[0043] 式(5)中，Iclo为整体服装热阻值，单位是clo；Icloi为单件服装的热阻值，单位是clo.

[0044] 在ASHRAE55-2004中，认为人体服装热阻值每增加0.1clo，相当于低温环境温度增加0.6℃，再根据公式(5)推导得到增加了人体服装热阻值的风冷指数计算公式：

[0045]

[0046] 注：ta+(0.6·Iclo/0.1)<33，当ta+(0.6·Iclo/0.1)≥33时，取33。

[0047] 根据出行者的特点，大部分的人有50％的体表是处于有风吹和低温的环境下，25％的体表处于低温的环境下，25％的体表处于严实保暖的环境下，这部分体表可以不考虑由于寒冷的散热，所以出行者的风冷指数的计算方法为：

[0048]

[0049] 由公式(7)可以得到考虑了环境温度、风速和服装阻热对人体热量损失影响的低温环境下交通出行者的最终风冷指数。

[0050] 步骤3中：

[0051] 由于人体体内营养物质代谢释放出来的化学能，其中50％以上以热能的形式用于维持体温，其余不足50％的化学能则载荷于ATP，经过能量转化与利用，大部分变成热能，少部分用于对外做功，并与维持体温的热量一起，由循环血液传导到机体表层并散发于体外。因此，机体在体温调节机制的调控下，使产热过程和散热过程处于平衡，即体热平衡，维持正常的体温。根据寒冷天气情况下人体散失的热量，以及卡路里和焦耳的转换1kcal＝
4.18KJ，由公式(1)和(7)得到：

[0052] M冷＝KC×4.18-(M-W)  (8)

[0053] 可以得到增加的新陈代谢率M冷，表示人体因寒冷而增加的新陈代谢率。

[0054] 式(8)中，

[0055] M冷为寒冷天气下增加的新陈代谢率；

[0056] W为对外做的功，交通出行人体释放出的能量用于对外做功是比较少的，所以一般的交通出行方式W取0，自行车除外。

[0057] 根据公式(3)和公式(8)推导得到：

[0058]

[0059] 由式(9)得到人体在低温环境下的人体代谢产热量H冷。

[0060] 步骤4中：由皮肤温度与人体新陈代谢产生热量的关系式tsk＝35.7-0.0275H推导出：

[0061] △T＝0.0275H冷t  (10)

[0062] 得到出行者新陈代谢产热量与皮肤温度下降量之间的关系式，该公式为低温环境下交通出行的最终人体损耗计算公式。

[0063] 公式(10)中，△T—人体皮肤温度平均下降量,单位是℃；t—骑车或坐车时间，单位是h。

[0064] 步骤5中：人的冷热感觉一般用PMV值表示，PMV英文全称为Predicted Mean Vote，即预测平均投票数。PMV值是丹麦的范格尔(P.O.Fanger)教授提出的表征人体冷热感的评价指标，代表了同一环境中大多数人的冷热感觉的平均值。该指标分为七个感觉等级，即冷(-3)、凉(-2)、稍凉(-1)、中性(0)、稍暖(1)、暖(2)、热(3)。

[0065] 据研究发现，皮肤温度变化2℃，人体热感觉至少变化1个分度，也就是人的皮肤平均温度每下降2℃，人的热舒适感就会下降1个级别，以人体皮肤温度变化2℃为界来划分人体的损耗等级(见表1)。

[0066] 表1 人体损耗等级和PMV值的对应关系表

[0067]

[0068] 利用公式(10)及前面的有关公式，把出行选择的交通工具类型、出行距离、环境温度和风速、穿衣情况、出行时间等参数代入，即可计算人体平均皮肤温度下降量△T，再根据表1，即可确定低温环境下交通出行的人体损耗等级。

[0069] 上述低温环境人体损耗程度评价方法结合人体平均皮肤温度下降量的计算方法对交通出行的人体损耗形成了一个完整的评价体系，对指导低温环境下的交通出行具有重要的参考意义。

[0070] 有益效果

[0071] 本发明提出的一种低温环境下交通出行的人体损耗计算方法，创造性地应用人体皮肤温度下降量作为人体损耗程度的评价指标，弥补了目前没有直接指向交通出行的人体损耗问题的研究空缺。通过进一步研究，可以建立皮肤温度下降量(人体损耗等级)与由此导致的各种低体温疾病发病率及相应的治疗恢复成本之间建立数量关系，即可计算低温环境下交通出行的人体损耗成本计算方法，从而完全填补交通出行成本构成要素中人体损耗成本的计算方法空白。

[0072] 本发明提出的一种低温环境下交通出行的人体损耗计算方法，提供一种交通出行成本构成要素中的人体损耗成本计算依据，指导出行者进行正确的交通工具选择决策，对发展公共交通、促进绿色出行具有理论参考意义。

[0073] 本发明提出的一种低温环境下的人体损耗计算方法，基于该方法提出了一种春运返乡摩托车服务站点的布设间距计算方法。

具体实施方式

[0074] 下面结合实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

[0075] 实施例1：

[0076] 一种低温环境下交通出行的人体损耗计算方法，包括如下步骤：

[0077] 1)人体基本新陈代谢产热量的计算；

[0078] 2)环境温度、风速和出行者服装阻热对人体热量损失的影响效应分析；

[0079] 3)低温环境下交通出行时人体的新陈代谢产热量的计算；

[0080] 4)通过低温环境下交通出行时人体新陈代谢产热量的分析，推导出最终的人体损耗计算公式；

[0081] 5)低温环境人体损耗的评价方法。

[0082] 步骤1中：)根据人因工程学的人体基本新陈代谢产热率的计算公式：

[0083] M＝(RMR+1.2)×B  (1)

[0084] 1W＝3.6KJ/h  (2)

[0085] 可得到人体基本新陈代谢产热量H的计算公式：

[0086]

[0087] 公式(1)、(2)、(3)中，

[0088] M为人体能量代谢率；

[0089] RMR为人的相对代谢率，1.2为人在安静情况下的相对代谢率；

[0090] B为基础代谢率平均值，单位是KJ/(m2·h)；

[0091] H为人体基本新陈代谢产热量，单位是W/(m2·h)。

[0092] 步骤2)中：人在低温环境下作业，不仅工作会消耗能量，而且，人体为了保温也会消耗大量的能量；同时，环境温度、风速和服装阻热也对人体热量的损失产生影响。

[0093] 环境风冷指数KC可以评价人体在低温环境下环境温度和风速对人体热量损失的影响：

[0094]

[0095] 该公式可以表示环境温度和风速对人体散热量的影响，它代表的是平均皮肤温度33℃的人在裸露体表面的情况下每平方米的皮肤表面积、每小时所散失的热量率。

[0096] 公式(4)中，

[0097] KC为环境风冷指数，单位是kcal/m2/h；

[0098] V为风速，单位是m/s，风速计算：V＝V车±V风

[0099] 当交通出行人顺风行驶为“-”，逆风行驶为“+”；

[0100] ta为气温，单位是℃。

[0101] 人的服装阻热效应可用整体服装热阻计算公式表示，如下：

[0102] Iclo＝0.82∑Icloi  (5)

[0103] 人的服装保暖性能一般用服装阻热值来表示，阻热值的单位为1clo，clo是表示服装材料保暖值的单位，即一个保暖单位。

[0104] 公式(5)中，Iclo为整体服装热阻值，单位是clo；Icloi为单件服装的热阻值，单位是clo。

[0105] 在ASHRAE55-2004中，认为人体服装热阻值每增加0.1clo，相当于低温环境温度增加0.6℃，再根据公式(5)推导得到增加了人体服装热阻值的风冷指数计算公式：

[0106]

[0107] 公式中，Kf为人体服装热阻值的风冷指数，

[0108] 注：ta+(0.6·Iclo/0.1)<33，当ta+(0.6·Iclo/0.1)≥33时，取33。

[0109] 根据出行者的特点，大部分的人有50％的体表是处于有风吹和低温的环境下，25％的体表处于低温的环境下，25％的体表处于严实保暖的环境下，这部分体表可以不考虑由于寒冷的散热，所以出行者的风冷指数的计算方法为：

[0110]

[0111] 公式中：Ko为出行者的风冷指数，

[0112] 由公式(7)可以得到考虑了环境温度、风速和服装阻热对人体热量损失影响的低温环境下交通出行者的最终风冷指数。

[0113] 步骤3)中：由于人体体内营养物质代谢释放出来的化学能，其中50％以上以热能的形式用于维持体温，其余不足50％的化学能则载荷于ATP，经过能量转化与利用，大部分变成热能，少部分用于对外做功，并与维持体温的热量一起，由循环血液传导到机体表层并散发于体外。因此，机体在体温调节机制的调控下，使产热过程和散热过程处于平衡，即体热平衡，维持正常的体温。根据寒冷天气情况下人体散失的热量，以及卡路里和焦耳的转换1kcal＝4.18KJ，由公式(1)和(7)得到寒冷天气下增加的新陈代谢率：

[0114] M冷＝Ko×4.18-(M-W)  (8)

[0115] 公式(8)中，

[0116] M冷为寒冷天气下增加的新陈代谢率；

[0117] W为对外做的功，交通出行人体释放出的能量用于对外做功是比较少的，所以一般的交通出行方式W取0。

[0118] 根据公式(3)和公式(8)推导得到人体在低温环境下的人体代谢产热量H冷：

[0119]

[0120] 步骤4)中：由皮肤温度与人体新陈代谢产生热量的关系式tsk＝35.7-0.0275H推导出：

[0121] △T＝0.0275H冷t  (10)

[0122] 得到出行者新陈代谢产热量与皮肤温度下降量之间的关系式，该公式为低温环境下交通出行的最终人体损耗计算公式。

[0123] 公式(10)中，△T为人体皮肤温度平均下降量,单位是℃；t为骑车或坐车时间，单位是h。

[0124] 步骤5)中：人的冷热感觉一般用PMV值表示，PMV(Predicted Mean Vote，即预测平均投票数)，PMV值是丹麦的范格尔(P.O.Fanger)教授提出的表征人体热反应的评价指标，代表了同一环境中大多数人的冷热感觉的平均值，该指标分为七个感觉等级，即冷(-3)、凉(-2)、稍凉(-1)、中性(0)、稍暖(1)、暖(2)、热(3)，据研究发现，皮肤温度变化2℃，人体热感觉至少变化1个分度，也就是人的皮肤平均温度每下降2℃，人的热舒适感就会下降1个级别，以人体皮肤温度变化2℃为界来划分人体的损耗等级(见表1)。

[0125] 表1 人体损耗等级和PMV值的对应关系表

[0126]

[0127] 利用公式(10)及前面的有关公式，把出行选择的交通工具类型、出行距离、环境温度和风速、穿衣情况、出行时间等参数代入，即可计算人体平均皮肤温度下降量△T，再根据表1，即可确定低温环境下交通出行的人体损耗等级。

[0128] 上述低温环境人体损耗程度评价方法结合人体平均皮肤温度下降量的计算方法对交通出行的人体损耗形成了一个完整的评价体系，对指导低温环境下的交通出行具有重要的参考意义。

[0129] 实施例2：

[0130] 交警部门需要设置春运返乡摩托车服务站点，但缺乏科学的依据进行站点设置和规划，交警部门基本都以加油站为基础设立站点，现以本发明的人体损耗计算方法为基础，提出了设置春运返乡摩托车服务站点的合理间距。

[0131] 无冰冻地区以现场采集的速度平均值60km/h作为假设速度；

[0132] 以现场调查的穿衣指数平均值3.12clo作为假设穿衣指数(参数见表2)；

[0133] 以无冰冻地区春节期间平均温度9℃作为假设温度；

[0134] 以35岁男子作为假设骑车人；

[0135] 以皮肤温度下降4℃(3级损耗)和6℃(4级损耗)作为界限。

[0136] 表2 交通出行者的穿着所对应的阻热值

[0137]

[0138] 计算过程如下：

[0139] 骑车人的人体能量基本代谢率的计算(B值取值见表3，对于骑摩托车方式，骑车的工作负荷取RMR＝1)：

[0140] 表3 我国正常人的基础代谢平均值KJ/(m2·h)

[0141]

[0142] 利用公式(1)计算人体的基本代谢率

[0143] M＝(RMR+1.2)×B＝349KJ/h·m2

[0144] 利用公式(7)计算骑车人风冷指数的：

[0145]

[0146] 再用公式(8)计算寒冷天气下增加的新陈代谢率：

[0147] M冷＝KO×4.18-(M-W)＝90KJ/h·m2

[0148] 用公式(9)计算人体在低温环境下的人体代谢产热量：

[0149]

[0150] 皮肤温度下降4℃需要的时间：

[0151]

[0152] 皮肤温度下降6℃需要的时间

[0153]

[0154] 合理间距

[0155] S1＝Vt1＝70km

[0156] 极限间距

[0157] S2＝Vt2＝107km

[0158] 综上计算，可以得到无冰冻地区春运返乡摩托车服务站点的合理布设间距为70km、极限布设间距为107km。正常情况下，骑车人在低温环境下骑行约一个小时已经感觉寒冷或者疲惫，骑行约两个小时已经达到极限，急需休息；基于本发明的人体损耗计算方法而得到的春运返乡摩托车服务站点的布设间距具有很强的合理性和科学性。