УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ТРЕНАЖЕР, МОДЕЛИРУЮЩИЙ РАБОТУ ЧЕЛОВЕКА В ИЗОЛИРУЮЩИХ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ
UNIVERSAL TRAINER, SIMULATING OPERATION OF PERSON IN SELF-CONTAINED BREATHING APPARATUS

Изобретение относится к техническим средствам, предназначенным для обучения правилам использования изолирующих дыхательных аппаратов и овладению навыками дыхания в них.
Известен тренажер дыхательного аппарата (заявка WO №2008/089407 А1, МПК A62B 9/00, публ. 2008 г.), предназначенный для ознакомления шахтеров и других работников шахт с ощущениями, испытываемыми при использовании самоспасателя SCSR со сжатым кислородом. Тренажер дыхательного аппарата состоит из используемых в самоспасателе SCSR лицевой части в виде загубника и носового зажима, к которому прикреплены два съемных картриджа, заполненных реакционным материалом, с фильтрами для сбора вредной пыли, клапанами и соединенных отверстиями с атмосферой. При дыхании пользователя в тренажере дыхательного аппарата выделение тепла имитируется за счет химической реакции материала, содержащегося в картриджах, и продуктов выдоха пользователя, сопротивление дыханию определяется природой химического материала. Таким образом, обучаемый пользователь знакомится с условиями дыхания в реальном самоспасателе SCSR со сжатым кислородом. Для заполнения картриджа может использоваться безопасный материал, например цеолит с номинальным размером пор 4А, а также другие материалы, например гидроксиды кальция, лития, натрия, которые служат для создания различных условий дыхания из-за отличий в величинах сопротивления дыханию и тепла, выделяемого используемыми материалами в ходе химической реакции. Недостатком тренажера дыхательного аппарата является его отличие от самоспасателя SCSR, в частности отсутствие дыхательного мешка, что не позволяет изучить конструкцию и отработать процедуру включения в самоспасатель SCSR. В случае использования для заполнения картриджей добавок опасных материалов, например гидроксидов лития или натрия, этот материал должен быть утилизирован соответствующим образом.
Существующие тренажеры дыхательных аппаратов не позволяют воспроизвести визуализацию окружающего пространства и чрезвычайной ситуации. Человек не ощущает на себе воздействие ряда физических и психологических факторов, характерных для аварийной ситуации, как, например, в случае интерактивной автоматизированной системы обучения (патент РФ на изобретение RU 2271040 С1, публ. 2004 г.), которая может быть использована для комплексного группового и/или индивидуального обучения и подготовки персонала для эксплуатации и обслуживания различных сложных технических систем, предусматривающих включение в контур управления этими системами человека. Проблемно ориентированный программно-технический комплекс на базе интеллектуального интерфейса, поддерживающего в режиме диалога автоматизированные циклы обучения и контроля знаний обучающихся, выполнен в виде модуля вычислительной системы управления процессом обучения, снабженного программным обеспечением системы. Недостатком интерактивной автоматизированной системы является отсутствие в ее составе тренажера дыхательного аппарата и, как следствие, невозможность проведения тренировок, отработок навыков включения и адаптации к условиям дыхания в дыхательном аппарате.
Прототипом предлагаемого изобретения является рабочий тренажер шахтного самоспасателя РТ-ШС (далее тренажер РТ-ШС) (см. Технические средства безопасности, применяемые в угольных шахтах Российской Федерации: Каталог справочник / под общей редакцией В.М. Щадова; сост. Ю.И. Донсков, А.А. Умрихин. - Кемерово: ГПКО «Кемеровский полиграф комбинат», 2007. с.316-317), который предназначен для обучения персонала шахт правилам и навыкам использования самоспасателей ШСС-Т с химически связанным кислородом в учебных классах и в условиях, приближенных к реальной обстановке. Тренажер РТ-ШС является переснаряжаемым вариантом самоспасателя ШСС-Т, но с меньшим временем действия, что обеспечивает при условии замены картриджа (регенеративного патрона) возможность многоразового его использования, а также позволяет отработать до автоматизма процедуру приведения самоспасателя ШСС-Т в действие. В тренажере РТ-ШС (см. сайт http://www.roshimzaschita.ru/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=21 оп. 2007 г.) за счет химической реакции взаимодействия продуктов выдоха пользователя, а именно диоксида углерода и воды, которые поступают в картридж через лицевую часть в виде загубника и носового зажима, и материала, содержащегося в картридже, создаются повышенные температура дыхательной смеси и объемная доля диоксида углерода, характерные для изолирующих дыхательных аппаратов с химически связанным кислородом, сопротивление дыханию создается за счет прохождения дыхательной смеси через слой материала, содержащегося в картридже. Это позволяет формировать у персонала представление об условиях дыхания в самоспасателе ШСС-Т, в частности получать сведения, что указанные условия (нагрев дыхательной смеси, сопротивление дыханию) означают нормальную работу самоспасателя ШСС-Т.
Недостатками данного тренажера РТ-ШС являются необходимость замены картриджа после каждой тренировки, обязательность соблюдения строгих правил хранения тренажеров РТ-ШС и сменных картриджей, меньшее время работы тренажера РТ-ШС по сравнению с временем работы реального самоспасателя ШСС-Т, необходимость утилизации использованных, признанных негодными или с истекшим гарантийным сроком картриджей, содержащих опасное вещество - надпероксид калия, а также не обеспечивает визуальное 3D представление пространства, оценку состояния обучаемого.
Задачей изобретения является создание универсального тренажера, максимально точно моделирующего условия дыхания человека, физическую нагрузку и окружающее пространство при работе в изолирующих дыхательных аппаратах как с химически связанным, так и со сжатым кислородом. Изобретение направлено на повышение уровня и качества обучения, сокращение времени освоения изолирующим дыхательным аппаратом, повышение эффективности самого обучения и эффективности применения его результатов на практике, обеспечивающих повышение безопасности эксплуатации изолирующих дыхательных аппаратов. За счет того, что в универсальном тренажере не используются расходные химические материалы, нет необходимости замены картриджа после каждой тренировки и соблюдения строгих правил по их хранению и утилизации.
Задача изобретения достигается тем, что универсальный тренажер, моделирующий работу человека в изолирующем дыхательном аппарате, состоит из лицевой части, картриджа, дыхательного мешка. Для моделирования условий дыхания используется нагревательный элемент, размещенный в гофрированной трубке и управляющие элементы, регулирующие сопротивление дыханию и распределение газовых потоков из атмосферы и дыхательного мешка, а также система управления, регулирующая поддержание параметров дыхания согласно установленным зависимостям. Дополнительно он содержит подсистему оценки состояния обучаемого и формируемых им пневмотахограмм для регистрации и физиологического состояния пользователя, датчики артериального давления, частоты пульса, температуры, закрепляемые на обучаемом, и параметров дыхания, датчик регистрации пневмотахограмм, газоанализатор, обеспечивающий анализ состава дыхательной смеси, процессор, обрабатывающий полученные данные. В состав универсального тренажера дополнительно входит подсистема расчета физических нагрузок и визуального представления пространства, состоящая из процессора, обеспечивающего вычисление сцен пространства, панорамного экрана или очков виртуальной реальности для реалистичного отображения рассчитанных сцен, аудиосистемы, устройства взаимодействия с пользователем (мышь, джойстик, беговая дорожка), предназначенная для визуальной демонстрации производственного пространства с возможностью моделирования аварийных ситуаций, взрывов и пожаров, представления основных процессов, протекающих в изолирующих дыхательных аппаратах при их эксплуатации, и оценки действий обучаемого.
Такое конструктивное решение позволяет:
1. Представлять информацию в наглядной, адаптированной форме, обеспечивающей усваиваемость ее для людей разных профессий, в том числе, для которых эксплуатация дыхательных аппаратов не является требуемым профессиональным навыком.
2. Моделировать широкий спектр режимов работы дыхательного аппарата и нагрузок, характерных для различных аварийных ситуаций, обеспечивать повторение упражнения неограниченное количество раз.
3. Изучать маршруты и отрабатывать навыки эвакуации из места возникновения аварийной ситуации.
4. Проводить исследования аварийных ситуации и поведения в них человека.
Изобретение поясняется чертежами, где:
Фиг.1 - Принципиальная схема тренажера.
Фиг.2 - Принципиальная схема имитатора дыхательного аппарата (лицевая часть не показана).
Фиг.3 - Устройство моделирования состава дыхательной смеси.
Имитатор дыхательного аппарата (фиг.1) внешне повторяет конструкцию реального изолирующего дыхательного аппарата, для которого проводится курс обучения, и включает в себя лицевую часть (в виде загубника с носовым зажимом, маска или капюшон), гофрированную трубку (при наличии), картридж, дыхательный мешок. Дополнительно имитатор дыхательного аппарата оснащен устройством нагрева дыхательной смеси, устройством моделирования сопротивления дыханию, устройством моделирования состава дыхательной смеси для обеспечения условий дыхания (температура дыхательной смеси, сопротивление дыханию, объемная доля диоксида углерода в дыхательной смеси), аналогичные условиям дыхания в реальном изолирующем дыхательном аппарате выбранного типа. Эти устройства позволяют воспроизводить различные режимы эксплуатации в течение времени работы, установленного в технической документации на изолирующий дыхательный аппарат.
В гофрированной трубке 1 (фиг.2), соединяющей лицевую часть с картриджем 2, расположено устройства нагрева дыхательной смеси, представляющее собой нагревательный элемент 3, обеспечивающий изменение температуры дыхательной смеси в зависимости от нагрева проволоки, определяемого силой протекающего по ней тока, которая регулируется исполнительным устройством подсистемы расчета и моделирования параметров дыхательной смеси. Нагревательный элемент 3 выполнен из нихромовой проволоки диаметром 1 мм и длиной 500 мм, свернутой в виде спирали, обеспечивает изменение температуры дыхательной смеси от 30 до 60°С, что соответствует условиям дыхания в изолирующих дыхательных аппаратах.
В картридже 2 расположено устройство моделирования сопротивления дыханию 4 и устройство моделирования состава дыхательной смеси 5, в котором газовоздушные тракты разделяются. Тракт выдоха соединен с дыхательным мешком 6. До разделения трактов между гофрированной трубкой 1 и устройством моделирования сопротивления дыханию 4 смонтирован датчик для регистрации пневмотахограмм.
Устройство моделирования сопротивления дыханию 4 представляет собой задвижку, управляемую шаговым или линейным двигателем, управляемым подсистемой расчета и моделирования параметров дыхательной смеси.
Устройство моделирования состава дыхательной смеси (фиг.3) состоит из цилиндрической обечайки 7 с двумя отверстиями 8, к которым подсоединяются тракты вдоха и выдоха. Через полость обечайки проходит вал 9 шагового двигателя 10, на котором крепится клапан 11. С помощью клапана 11, который управляется подсистемой расчета и моделирования параметров дыхательной смеси, изменяются проходные сечения отверстий 8, соединенных с трактами вдоха и выдоха, что регулирует соотношение газовых объемов, поступающих из атмосферы с объемной долей диоксида углерода около 0,03% и из дыхательного мешка с объемной долей диоксида углерода около 4%. Это позволяет обеспечивать заданную объемную долю диоксида углерода в дыхательной смеси при вдохе в интервале от 0,03 до 4%.
В имитаторе дыхательного аппарата также находятся датчики, обеспечивающие регистрацию параметров дыхательной смеси, и исполнительные механизмы, управляющие ее параметрами, соединенные с подсистемами расчета и моделирования параметров дыхательной смеси, оценки состояния обучаемого и формируемых им пневмотахограмм.
Подсистема расчета и моделирования параметров дыхательной смеси состоит из процессора, обеспечивающего расчет необходимых значений управляющих воздействий, устройства нагрева дыхательной смеси, устройства моделирования сопротивления дыханию и устройства моделирования составом дыхательной смеси. В подсистему расчета и моделирования параметров дыхательной смеси введены программы управления, соответствующие изменениям параметров дыхательной смеси при использовании персоналом изолирующих дыхательных аппаратов, зависящие от типа и конструкции дыхательного аппарата, физической нагрузки и физиологических характеристик обучаемого. Это позволяет имитировать условия эксплуатации реальных изолирующих дыхательных аппаратов с химически связанным и со сжатым кислородом. Например, если человек при обучении правилам включения в самоспасатель неправильно выполнил необходимые действия, то клапан 11 по команде перекрывает проходное сечение, что делает дыхание крайне затруднительным или невозможным. Результаты моделирования визуализируются в виде графических зависимостей и 3D-модели дыхательного аппарата с указанием на ней основных целевых процессов, протекающих в изолирующем дыхательном аппарате.
Подсистема оценки физического состояния обучаемого и формируемых им пневмотахограмм состоит из датчиков, регистрирующих физическое состояние обучаемого, датчиков артериального давления, частоты пульса, температуры, закрепляемых на обучаемом, датчик регистрации пневмотахограмм смонтированных в имитаторе дыхательного аппарата для регистрации, газоанализатора, обеспечивающего анализ состава дыхательной смеси, процессора, обеспечивающего анализ полученных данных.
Подсистема расчета физических нагрузок и визуального представления пространства состоит из процессора, обеспечивающего вычисление сцен пространства, панорамного экрана или очков виртуальной реальности для его реалистичного отображения, аудиосистемы, устройства взаимодействия с пользователем (мышь, джойстик, беговая дорожка). Подсистема обеспечивает демонстрацию динамически изменяющегося ландшафта, моделирует перемещение и поведение пользователя. Ландшафт может изменяться автоматически, согласно определенному заранее сконфигурированному сценарию или интерактивно в зависимости от действий обучаемого пользователя. Например, подсистема может показывать скорость передвижения обучаемого пользователя по виртуальному пространству, время его передвижения с установившейся скоростью, На основе этих данных определяется физическая нагрузка обучаемого, которая передается подсистеме расчета и моделирования параметров дыхательной смеси для воспроизведения условий дыхания, создаваемых изолирующим дыхательным аппаратом.
Каждая подсистема универсального тренажера представляет собой отдельную программно-аппаратную систему, оснащенную контроллером управления целевыми характеристиками блока. Аппаратно подсистемы связаны между собой в вычислительную сеть кольцевой топологии, функционирующую под управлением стека протоколов TCP/IP.
Универсальный тренажер функционирует следующим образом. Подсистема расчета физических нагрузок и визуального представления пространства согласно заданию демонстрирует динамически изменяющийся ландшафт. Обучаемый начинает движение в виртуальном пространстве, надев, включившись в имитатор дыхательного аппарата.
Выдыхаемая пользователем газовая смесь поступает через лицевую часть и гофрированную трубку 1 в картридж 2, проходя через устройство моделирования сопротивлению дыханию 4, и устройство моделирования состава дыхательной смеси 5 и поступает в дыхательный мешок 6. Из него через клапан избыточного давления 12 частично удаляется в атмосферу. На стадии выдоха дыхательная смесь отбирается на газовый анализ через патрубок 13. Моделирование работы дыхательного мешка 6 дополнительно осуществляется за счет удаления соответствующего количества дыхательной смеси в атмосферу через патрубок 13.
При вдохе газовая смесь поступает из атмосферы и из дыхательного мешка в устройство моделирования состава газовой дыхательной смеси 5. Подсистема расчета и моделирования параметров дыхательной смеси управляет устройством моделирования состава дыхательной смеси 5, которое посредством клапана 11 изменяет проходные сечения отверстий 8, соединенных с трактами вдоха и выдоха и регулирует соотношение газовых объемов, обеспечивая заданную объемную долю диоксида углерода. Далее дыхательная смесь поступает в устройство моделирования сопротивления дыханию 4, управляемое подсистемами расчета физических нагрузок и визуального представления пространства и расчета и моделирования параметров дыхательной смеси. Затем дыхательная смесь, проходя через гофрированную трубку 1, нагревается до температуры, соответствующей температуре дыхательной смеси при заданных нагрузках, вычисляемой подсистемой расчеты физических нагрузок и визуального представления пространства и подсистемой расчета и моделирования параметров дыхательной смеси. Готовая дыхательная смесь поступает через лицевую часть пользователю на вдох.
Операции по расчету управляющих воздействий для моделирования параметров дыхательной смеси, физической нагрузки, соответствующей передвижению в виртуальном пространстве, анализу физического состояния обучаемого, визуализации результатов расчетов, выполняются параллельно с основными. Распараллеливание вычислений осуществляется из соображений оптимизации баланса вычислительной нагрузки, приходящейся на временные интервалы стадий вдоха и выдоха.