Opracowanie modelu szacowania izolacyjności cieplnej z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych do projektowania odzieży ciepłochronnej

Jednym ze sposobów zapobiegania nadmiernym stratom ciepła z organizmu człowieka jest stosowanie odzieży ciepłochronnej. Właściwy dobór odzieży ciepłochronnej jest niezmiernie istotny w aspekcie zapewnienia odpowiedniego poziomu ochrony w środowisku zimnym. Ważne jest bowiem, aby zapewnić optymalną, a nie maksymalną, izolacyjność cieplną odzieży ciepłochronnej, dostosowaną do przewidywanych warunków użytkowania. Wielowarstwowa odzież  o wysokiej izolacyjności cieplnej może stanowić barierę dla odparowania potu do otoczenia  i w konsekwencji progresywnie zmniejszać jej izolacyjność.

W związku z powyższym, celem projektu była poprawa komfortu pracy w odzieży ciepłochronnej przez opracowanie komputerowego programu umożliwiającego projektowanie i kastomizacjęnowych konstrukcji odzieży ciepłochronnej, tj. ich dostosowanie do indywidualnych potrzeb użytkowników (np. grup zawodowych wykonujących pracę w środowisku zimnym), a także określanie zasad bezpiecznego stosowania zaprojektowanej odzieży w przewidywanych warunkach jej użytkowania. W tym celu przeprowadzone prace badawcze były ukierunkowane na opracowanie,  a następnie zintegrowanie trzech następujących modułów: modułu do symulacji lokalnej izolacyjności cieplnej odzieży ciepłochronnej opracowanego z wykorzystaniem techniki sztucznych sieci neuronowych (SSN), modułu do wyznaczania całkowitej izolacyjności cieplnej odzieży oraz modułu do określania zasad bezpiecznego stosowania zaprojektowanej odzieży w przewidywanych warunkach jej użytkowania.

Podstawą do opracowania programu komputerowego do projektowania odzieży ciepłochronnej przeznaczonej do stosowania w określonym środowisku cieplnym, o akronimie ColdClo, były przeprowadzone liczne badania laboratoryjne izolacyjności cieplnej odzieży ciepłochronnej – z wykorzystaniem manekina oraz badania oporu cieplnego układów materiałów tworzących daną odzież – z wykorzystaniem stanowiska badawczego pn. „model skóry”. Zgromadzone wyniki badań zostały poddane analizie, na podstawie której zidentyfikowano parametry charakteryzujące odzież, mające istotny wpływ na jej izolacyjność cieplną, w celu uwzględnienia ich w programie komputerowym ColdClo. Wyniki te stanowiły również zbiór danych niezbędnych do opracowania 12 sztucznych sieci neuronowych (SSN) umożliwiających symulację lokalnej izolacyjności cieplnej odzieży ciepłochronnej (moduł 1) dla poszczególnych segmentów manekina termicznego DIANA (tj. za wyjątkiem segmentów: lewa i prawa stopa oraz lewa i prawa dłoń, dla których zastosowane zostały wartości stałe). Ponadto, sformułowano również funkcje, które na podstawie wyników symulacji SSN wyznaczają całkowitą, efektywną oraz wynikową efektywną izolacyjność cieplną odzieży (moduł 2).

W końcowym etapie projektu prace badawcze były ukierunkowane na ostateczne opracowanie poszczególnych modułów programu. W tym zakresie, przeprowadzono optymalizację SSN oraz sformułowano szczegółowe założenia do modułu 3, umożliwiającego określenie zasad bezpiecznego stosowania zaprojektowanej odzieży ciepłochronnej. Następnie, przystąpiono do szczegółowego zdefiniowania funkcji programu ColdClo oraz integracji poszczególnych modułów. W związku z powyższym opracowano projekt graficzny i algorytmy umożliwiające realizację zdefiniowanych funkcji programu. Do tego celu wykorzystano język programowania Java. Opracowany program poddano sprawdzeniu, w wyniku którego stwierdzono, iż zastosowane w programie algorytmy poprawnie realizują założone funkcje, a osiągnięty błąd symulacji kształtuje się na poziomie poniżej 10%, co stanowi wynik zadowalający. Następnie, program ColdClo poddano ocenie pod kątem użytkowym przez 8 osób z 4 różnych przedsiębiorstw zajmujących się projektowaniem i produkcją odzieży ochronnej. Przeprowadzone badania ankietowe wykazały, iż program ColdClo został oceniony bardzo pozytywnie i 100% ankietowanych osób wyraziło zainteresowanie wykorzystaniem programu w działalności swojego przedsiębiorstwa, a wniesiona uwaga dotycząca funkcjonalności programu została uwzględniona w ramach jego weryfikacji. W ramach projektu przeprowadzono również symulacje wpływu poszczególnych parametrów charakteryzujących odzież ciepłochronną na jej izolacyjność cieplną, które potwierdziły dominujący wpływ liczby elementów odzieży i oporu cieplnego zastosowanego układu materiałów na jej właściwości cieplne. Widok główny opracowanego programu do projektowania odzieży ciepłochronnej przeznaczonej do stosowania w określonym środowisku cieplnym wraz z przykładem przeprowadzonych symulacji przedstawiono na rysunku.

Projekt III.P.09. Program komputerowy do projektowania odzieży ciepłochronnej przeznaczonej do stosowania  w określonym środowisku cieplnym: a) widok główny, b) przykład symulacji wpływu rozwiązań konstrukcyjnych zastosowanych w odzieży na jej izolacyjność cieplną

W wyniku realizacji projektu opracowano: program komputerowy do projektowania odzieży ciepłochronnej przeznaczonej do stosowania w określonym środowisku cieplnym o akronimie ColdClo (wraz z instrukcją obsługi), 2 publikacje naukowe, 2 publikacje popularnonaukowe i rozdział w monografii. Ponadto, wygłoszono 2 referaty na konferencjach międzynarodowych i 2 referaty na seminariach branżowych dla producentów, jak również zorganizowano seminarium dla producentów wraz z warsztatami z obsługi opracowanego programu komputerowego ColdClo.

Opracowany program komputerowy do projektowania odzieży ciepłochronnej przeznaczonej do stosowania w określonym środowisku cieplnym dla producentów odzieży ochronnej będzie udostępniany producentom na zasadzie licencji. Ponadto, przewiduje się dalsze upowszechnianie informacji na temat programu ColdClo, w szczególności podczas seminariów branżowych przeznaczonych dla producentów odzieży ochronnej. Opracowany program komputerowy ColdClo będzie również wykorzystywany przez pracowników CIOP-PIB w ramach konsultacji prowadzonych dla producentów odzieży ciepłochronnej, w zakresie wpływu parametrów charakteryzujących odzież ciepłochronną na jej izolacyjność cieplną oraz dostosowania jej konstrukcji do przewidywanych warunków użytkowania.

PROGRAM DO PROJEKTOWANIA ODZIEZY CIEPŁOCHRONNEJ PRZEZNACZONEJ DO STOSOWANIA W OKRESLONYM SRODOWISKU CIEPLNYM (Infografika) Autor: dr inż. Anna Dąbrowska 2016 r.