一种常压低氧预习服训练方法及系统与流程

本发明涉及高原环境预习服领域，特别涉及一种适用于从平原地区急速进入高原地区人群的预习服训练方法。

背景技术：

高原低氧环境会直接影响急进高原人群的生命健康，带来急性高原反应发病率居高不下、持续作业能力降低等一系列问题。据统计，在平原急进高原期间，约有35.6％以上的人会发生轻重程度不一的急性高原反应，表现为头痛、厌食、呕吐、疲乏、眩晕、失眠等症状，若处理不当，部分患者可能发展为高原肺水肿或高原脑水肿，进而危及生命。高原医学研究表明，缓慢阶梯间断性缺氧复合运动锻炼，可显著改善机体心肺功能，提高劳动能力，促进高原习服。

目前国内的低氧模拟设备，大多是低压模拟舱，其原理是通过真空泵等设备降低舱内气压，此种设备造价较高，其气压变化很有可能对人中耳产生损伤，且舱内人员状态不佳甚至发生危险时由于内外压差导致无法及时开门，不宜用于人员训练。常压低氧舱以小型动物实验设备居多，主要用于常压缺氧状态下的医学基础研究，无法用于人员低氧预习服训练。

当前人员训练用的常压低氧舱种类较少，且通常存在以下问题：

(1)未采用仿真手段进行预设计，一般为直接搭建实物，无法实现相对最优的结构设计，无法保证模拟效果。

(2)设计有空气压缩机、制氮机、面罩等部件，结构比较复杂，体积大，重量大，使用和维护成本较大，适用于人数较少的有针对性的飞行员训练，不适用于大批量人员训练，不能车载移动和机动使用。

(3)未进行人员生理状况与安全设备的联动设计，无法有效保证舱内训练人员的人身安全。

(4)未采用经验控制、pd控制和模糊控制的分段式控制方法，最多分为粗调和精调两段式控制，使得模拟低氧浓度环境的实现时间较长，一般在半小时以上，而本系统仅需20分钟。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种常压低氧预习服训练方法，采用分段控制方式，对常压低氧预习服训练环境中的氮气、氧气输入进行粗调与精调，通过经验控制使模拟海拔高度以最快的速度升高或降低至某一范围，然后在大时滞阶段使用pd控制，使当前高度以逐渐减小的变化率逼近目标高度，最后在系统平衡易受各种因素影响的精调阶段，采用模糊控制，从而快速准确的实现舱内氧气浓度的控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)设置需要模拟的海拔高度值x；

(2)采集当前训练环境中的氧气浓度，换算成对应的海拔高度y；

(3)根据x和y的差值r进行分段控制，当r∈(-∞，-200]时，通过经验控制使模拟海拔高度降低，停止向训练环境中提供氮气，打开全部氧气输送管路向训练环境提供氧气；当r∈[200，+∞)时，通过经验控制使模拟海拔高度升高，停止向训练环境中提供氧气，打开全部氮气输送管路向训练环境提供氮气；当r∈(-200，-50]∪[50，200)时，使用pd控制确定向训练环境中提供氧气和氮气的比例，使海拔高度y以逐渐减小的变化率逼近设置高度；当r∈(-50，50)时，采用模糊控制确定向训练环境中提供氧气和氮气的比例，模糊控制器采用双输入单输出形式，选取训练环境中氧气浓度的误差e与误差变化率ec为输入量，得到输出的模糊量经过反模糊化得到实际输出值，实现舱内氧气浓度的模拟；

(4)当连续n个周期内∣r∣＜30m时，保持当前提供的氧气和氮气比例；否则返回步骤(3)，n为设定采样周期数量。

本发明还实时检测训练环境中二氧化碳浓度、参训人员的心率以及参训人员的血氧饱和度，当测训练环境中的氧气浓度低于设定值时，向训练环境补充氧气作为安全应急措施，同时报警提示人员撤离；当测训练环境中的二氧化碳浓度达到第一开启点时，通过排风设备排出训练环境中的气体，以控制二氧化碳气体浓度；当二氧化碳浓度继续上升达到第二开启点时，报警提示人员撤离；当参训人员的心率高于设定安全值时，向训练环境补充氧气作为安全应急措施，同时报警提示人员撤离；当参训人员的血氧饱和度低于设定安全值时，向训练环境补充氧气作为安全应急措施，同时报警提示人员撤离。

本发明还提供一种实现上述方法的常压低氧预习服训练系统，包括舱体、供气系统、监测系统和控制系统。

所述的舱体内放置若干训练用单车；所述的供气系统向舱体内提供氮气和氧气；所述的监测系统对舱体内的氧气浓度、二氧化碳浓度和温湿度值进行监测，并通过控制系统反馈至供气系统进行氧气浓度调节；所述的监测系统对训练人员的心率和血氧饱和度进行监测，并反馈给控制系统。

所述的舱体为聚氨酯夹芯大板构成的长方体结构；舱顶沿中轴线均匀分布若干台循环风扇，舱顶轴线两侧分别均布若干进气孔连通供气系统；在舱体长侧壁的底部均布若干出气孔连通舱体外部；舱门开在舱体的短侧壁上，与舱门相对的短侧壁上部安装空调。

所述的舱体采用长宽高分别为5m、2.5m和2.2m的长方体结构，每侧四个出气口距离舱体底边的距离均为220mm；每侧四个出气口距离舱体前壁的距离分别为1000mm、2000mm、3000mm、4000mm；每侧两个进气口距离舱体侧壁的距离均为130mm；每侧两个进气口与舱体前壁的距离分别为1666mm、3333mm；循环风扇直径为410mm；中部循环风扇中心距离舱体前壁的距离为2500mm；左右两风扇中心距离中间风扇中心的距离均为1250mm；每个循环风扇中心距离舱体侧壁的距离均为1250mm。

所述的监控系统包括o2浓度传感器、co2浓度传感器、温湿度传感器、o2压力传感器、n2压力传感器、心率传感器和血氧饱和度传感器，其中，o2浓度传感器和co2浓度传感器安装于训练人员呼吸带位置，实时测试舱内相应气体浓度；温湿度传感器安装于舱前壁，实时测试舱内温湿度；o2压力传感器和n2压力传感器安装于供气系统，实时测试相应气体压力并提示操作人员打开新的气瓶；心率传感器和血氧饱和度传感器安装于训练单车把手侧，实时测试训练人员的生理状况。

所述的监控系统还包括报警系统，在舱内氧气浓度低于设定阈值，或二氧化碳浓度高于设定阈值，或人员心率高于设定阈值，或人员血氧饱和度低于设定阈值时，报警系统工作。

所述的监控系统还包括安装在舱内的急停键，控制供气系统连通进气口的电磁阀关闭。

所述的供气系统包括氮气供给端和氧气供给端，分别在电磁阀的控制下连通进气口，为舱体内提供氮气和氧气。

本发明的有益效果是：

(1)利用fluent软件对循环风扇、进气口和出气口的不同数量、位置组合进行仿真，确定了最优设计之后才进行实物搭建，确保了对氧气浓度的最终模拟效果。

(2)利用在舱底部均匀开出气孔的方式进行舱体内外气体的交换，以保持舱内的压力为常压状态，无需专门的抽气设备来调整内外压差；采用市售标准气瓶供气、压力传感器监测供气压力的方式，无需使用空气压缩机、制氮机，即可提供稀释舱内氧气浓度的气体，简化结构的同时，保证了系统功能的实现；采用在舱顶中轴线均匀安装三个循环风扇的方式以有效提升舱内气体分布均匀度和舱体内外气体交换效率，使得人员在舱内训练时无需佩戴呼吸面罩，避免了由于面罩内存在呼吸正压，导致模拟氧气浓度失真的问题，并简化了结构。上述设计保证了设备整体结构优化，降低了成本，提高了设备的可靠性，便于车载移动和多地使用。

(3)能够实时采集训练人员的心率和血氧饱和度，并传输至上位机，当心率高于安全值或血氧饱和度低于安全值时，可补充氧气作为安全应急措施，并通知人员撤离，从而实现生理监测和安全防护的联动功能，保障舱内训练人员安全。

(4)采用结合pd的模糊自适应控制，将控制过程根据当前氧浓度对应的海拔高度值与设定海拔值的差值r分为3个阶段：经验控制阶段，pd控制阶段，模糊控制阶段，分别对应r∈(-∞，-200]∪[200,+∞)、r∈(-200，-50]∪[50，200)以及r∈(-50，50)，采用不同的阶段分段控制方式，对氮气、氧气的输入进行粗调与精调，通过经验控制使模拟海拔高度以最快的速度升高/降低至某一范围，然后在大时滞阶段使用pd控制，使当前高度以逐渐减小的变化率逼近目标高度，最后在系统平衡易受各种因素影响的精调阶段，采用模糊控制，从而快速准确的实现舱内氧气浓度的控制。

附图说明

图1是本发明的系统总体示意图；

图2是本发明的舱体结构示意图；

图3是本发明的监控系统组成示意图；

图4是本发明的输气系统工作原理图；

图5是本发明的报警流程示意图；

图6是本发明的供气系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

如图1所示，本发明提供的常压低氧预习服系统由舱体、供气系统、监测系统和控制系统组成，尺寸为5米(长)×2.5米(宽)×2.2米(高)，利用供气系统提供浓度为99.999％的氮/氧气通入舱内，通过氧气、二氧化碳、温湿度传感器对舱内气体浓度和温湿度值进行监测，并实时反馈给控制系统进行氧气浓度调节，从而在20分钟内迅速实现2500米～5000米海拔高度的氧含量模拟。舱内放置10辆训练单车，训练过程中通过心率和血氧饱和度传感器对人员生理状况进行监测，并反馈给控制系统，从而实现10名人员进行低氧环境的预习服训练，并保证其安全。

如图2所示，所述的舱体为直角包角方舱，主要由六块聚氨酯夹芯大板、角件、门、窗户等组成，密封性、保温性、整体刚度良好。方舱舱体的每块大板都由内外蒙皮、加强梁、聚氨酯发泡材料等组成，舱体大板和门体的厚度均为50mm。舱体外表面喷涂北方林地变形迷彩，内壁涂覆白色油漆。

整个舱体由框架、舱板、窗户、门、循环风扇、空调、照明灯、摄像头等部件组成。舱门尺寸(高×宽)：1.8m×0.9m。中间大窗户尺寸(高×宽)：0.95m×2m，两侧窗户尺寸(高×宽)：0.95m×1.2m，大尺寸的观察窗便于随时观察舱内状况。舱顶沿中轴线均匀分布3台循环风扇，用于氮气快速搅拌均匀。与舱门相对的短侧壁上部安装空调1部，用于提升人员舒适性。在两个长侧壁的底部均匀布置8个出气孔，用于进气后排出舱内混合气体，实现舱内氧浓度的降低，并使得舱内保持常压状态。

本发明针对循环风扇、进气口和出气口的不同数量、位置组合共形成了七种设计方案，分别是：一个循环风扇，进气口和出气口都布置在舱体下方；三个循环风扇，进气口和出气口都布置在舱体下方；三个循环风扇，进气口布置在舱体下方，出气口布置在舱体上方；三个循环风扇，进气口布置在舱体下方，出气口布置在舱体中部；三个循环风扇，进气口和出气口都布置在舱体上方；三个循环风扇，进气口布置在舱体上方，出气口布置在舱体中部；三个循环风扇，进气口布置在舱体上方，出气口布置在舱体下方。本发明分别对上述七种涉及方案进行5000m海拔高度(氧气浓度10.5％)下的仿真效果评价，确定了ⅶ号设计氧气浓度最接近目标浓度，且分布均匀性最好，效果最佳，具体内容见表1。

表1七种设计的仿真评价结果

ⅶ号设计的出气口直径为25mm；每侧四个出气口距离舱体底边的距离均为220mm；每侧四个出气口距离舱体前壁的距离分别为1000mm、2000mm、3000mm、4000mm。

ⅶ号设计的进气口沿舱顶布置，每侧两个进气口距离舱体侧壁的距离均为130mm；每侧两个进气口与舱体前壁的距离分别为1666mm、3333mm。

ⅶ号设计的循环风扇直径为410mm；中部循环风扇中心距离舱体前壁的距离为2500mm；左右两风扇中心距离中间风扇中心的距离均为1250mm；每个循环风扇中心距离舱体侧壁的距离均为1250mm。

如图3所示，监测系统包括pc端(上位机)、控制器(下位机)及舱内设备。pc端用于显示控制器传来的数据，并向控制器发送开始训练、训练高度及终止训练等命令；控制器在接到pc端传来的命令后，通过已设置好的程序去调动舱内设备，并同时将各传感器采集的数据以固有格式发送至pc端。舱内设备按照其功能不同分为4个部分：输气系统、数据采集系统、报警系统及急停。

其中，输气系统的工作原理如图4所示：

系统的控制根据设置海拔高度值与当前氧浓度对应的海拔高度值的差值分为3个阶段：经验控制阶段，pd控制阶段，模糊控制阶段。

试验开始时，首先设置需要模拟的海拔高度值x，然后系统不断的根据设置海拔高度x与舱内当前海拔高度y的差值r，进行如下相应控制：

当r∈(-∞，-200]∪[200，+∞)时，通过经验控制使模拟海拔高度以最快的速度升高或降低，其中：r＞0时，氧气电磁阀全关、氮气电磁阀全开；r＜0时，氧气电磁阀全开、氮气电磁阀全关。

当r∈(-200，-50]∪[50，200)时，使用pd控制，使当前高度以逐渐减小的变化率逼近设置高度。

当r∈(-50，50)时，采用模糊控制，模糊控制器采用双输入单输出形式，选取误差e与误差变化率ec为输入量，经过模糊化后转化成模糊语言，通过查询模糊控制规则表，得到输出的模糊量，再经过反模糊化得到实际输出值，实现了舱内氧气浓度的模拟。

在平衡阶段，当系统∣r∣＜30m时，保持当前的气体流量即可，当∣r∣＞30m时，返回到前期流程，判断r值所处阶段，并按相应控制方式运行，从而实现舱内氧气浓度的控制。

所述的数据采集系统由4个o2浓度传感器、1个co2浓度传感器、1个温湿度传感器、1个o2压力传感器、1个n2压力传感器、10个心率传感器、10个血氧饱和度传感器及相应信号传输线组成，用于采集舱内环境参数和人员生理参数，其中：o2浓度传感器和co2浓度传感器安装于人员呼吸带位置，可实时测试舱内相应气体浓度并传输至上位机进行反馈调节；温湿度传感器安装于舱前壁，可实时测试舱内温湿度并传输至上位机显示；o2压力传感器和n2压力传感器安装于输气管道，可实时测试输气管道内相应气体压力并提示操作人员打开新的气瓶；心率传感器和血氧饱和度传感器安装于训练单车把手侧，可实时测试训练人员的生理状况并传输至上位机进行安全监测。

在舱内氧气浓度过低/二氧化碳浓度过高，或人员心率过高/血氧饱和度过低时，会触发舱内报警系统工作。报警流程如图5所示。

在舱内存在紧急情况而舱外恰好无人关闭系统时，按下舱内急停键，则舱内氮气和氧气电磁阀同时关闭。

如图6所示，供气系统由氮气供给端和氧气供给端组成，其中氮气供给端由8个氮气瓶、减压阀、气瓶支架、汇流排、输氮管道和4个输氮终端(含电磁阀)组成，氧气供给端由1个氧气瓶、减压阀、气瓶支架、输氧管道和4个输氧终端(含电磁阀)组成。系统工作时，为控制系统提供所需的气体。

本发明的工作过程如下：

(1)无人降氧阶段

在人员进舱前，控制系统将设定的目标海拔高度对应的氧气浓度值与氧气传感器反馈的舱内实时浓度进行对比，从而按控制策略由输气终端通入氮气，同时打开固定安装于舱顶中轴线的三个循环风扇以促进舱内气体循环，混合气体从出气孔快速排出，实现20分钟以内达到目标海拔高度的氧气浓度值。

(2)无人保持阶段

此时舱内氧浓度已经降为指定海拔的氧气浓度，但是人员还未进舱，氮气瓶以小流量工作，并通过输气终端输入舱内，以抵消氧气通过开孔进舱对舱内氧气浓度的影响。

(3)人员进舱训练阶段

人员进入舱体后，因为人员对氧气的消耗及开关门等影响，舱体的氧气浓度会发生一定的波动，舱内的氧气浓度总体会呈一定的下降趋势，此时氧气传感器将氧气浓度反馈给控制器，控制器监控氧浓度变化及其变化率，从而预判氧气浓度变化趋势。之后控制器通过控制氮气及氧气电磁阀以调节通入舱内的气体量，使舱内气体仍保持设定的目标高度氧气浓度值。

(4)维持舱体氧气浓度稳定阶段

人员进入舱体训练一段时间后，舱内气体消耗趋于平稳。控制器时刻采集氧气浓度传感器数据，若20个采样周期内氧气浓度传感器数据趋于平稳，则视为这20个采样周期内控制器对气体电磁阀的操作已使得气体输入与消耗相平衡，所以控制器继续重复这20个采样周期内对气体电磁阀的操控，以维持舱内气体浓度的稳定。

(5)氧气浓度过低状态

氧气浓度传感器检测值低于设定值时，补充氧气作为安全应急措施，同时声光报警器报警，提示人员撤离。

(6)二氧化碳浓度过高状态

当舱内二氧化碳浓度达到设定的第一开启点时，打开排风扇，使其按一定时间间隔运行，以有效控制舱内二氧化碳气体浓度，保证人员安全。

当舱内二氧化碳浓度继续上升，达到设定的第二开启点时，排风扇持续运行，并自动报警，提示人员撤离。

(7)心率过高状态

当心率高于安全值时，补充氧气，声光报警器报警，提示人员撤离。

(8)血氧饱和度过低状态

当血氧饱和度低于安全值时，补充氧气，声光报警器报警，提示人员撤离。

本发明针对目前常压低氧舱存在的问题，进行了逐一改进，取得了一定效果，具体情况如下：

(1)针对目前常压低氧舱未采用仿真手段进行预设计，一般为直接搭建实物，无法实现相对最优的结构设计，无法保证模拟效果的问题。本发明利用fluent软件对循环风扇、进气口和出气口的不同数量、位置组合进行仿真，确定了最优设计之后才进行实物搭建，确保了对氧气浓度的最终模拟效果。

(2)针对目前常压低氧舱设计有空气压缩机、制氮机、面罩等部件，结构比较复杂，体积大、重量大、使用和维护成本较大，适用于人数较少的有针对性的飞行员训练，不适用于大批量人员训练，不能车载移动和机动使用的问题。本发明利用在舱底部均匀开出气孔的方式进行舱体内外气体的交换，以保持舱内的压力为常压状态，无需专门的抽气设备来调整内外压差；采用市售标准气瓶供气、压力传感器监测供气压力的方式，无需使用空气压缩机、制氮机，即可提供稀释舱内氧气浓度的气体，简化结构的同时，保证了系统功能的实现；采用在舱顶中轴线均匀安装三个循环风扇的方式以有效提升舱内气体分布均匀度和舱体内外气体交换效率，使得人员在舱内训练时无需佩戴呼吸面罩，避免了由于面罩内存在呼吸正压，导致模拟氧气浓度失真的问题，并简化了结构。上述设计保证了设备整体结构合理和简化，降低了成本，提高了设备的可靠性，便于车载移动和机动使用。

(3)针对目前常压低氧舱未进行人员生理状况与安全设备的联动设计，无法有效保证舱内训练人员的人身安全的问题。本发明利用心率传感器和血氧饱和度传感器，实时采集训练人员的心率和血氧饱和度，并传输至上位机，当心率高于安全值或血氧饱和度低于安全值时，补充氧气作为安全应急措施，并通知人员撤离，从而实现生理监测和安全防护的联动功能，有效保障舱内训练人员的人身安全。

(4)针对目前常压低氧舱未采用经验控制、pd控制和模糊控制的分段式控制方法，最多分为粗调和精调两段式控制，使得模拟低氧浓度环境的实现时间较长，一般在半小时以上的问题。本发明采用结合pd的模糊自适应控制，将控制过程根据当前氧浓度对应的海拔高度值与设定海拔值的差值r分为3个阶段：经验控制阶段，pd控制阶段，模糊控制阶段，分别对应r∈(-∞，-200]∪[200,+∞)、r∈(-200，-50]∪[50，200)以及r∈(-50，50)，采用不同的阶段分段控制方式，对氮气、氧气的输入进行粗调与精调，通过经验控制使模拟海拔高度以最快的速度升高/降低至某一范围，然后在大时滞阶段使用pd控制，使当前高度以逐渐减小的变化率逼近目标高度，最后在系统平衡易受各种因素影响的精调阶段，采用模糊控制，从而快速准确的实现舱内氧气浓度的控制，时间仅需20分钟不到，较大的提升了系统性能。