Жизнь человека зависит от факторов окружающей среды. Бедствия, экологические проблемы или даже более мелкие чрезвычайные ситуации могут привести к снижению производительности, а также к серьезным проблемам со здоровьем. Существует множество исследований, посвященных экологическим факторам и их влиянию на человека. Однако современные экосистемы в городах становятся все более неестественными: регулирование климата, рекультивация воздуха/воды, использование природных источников и т.д.
Поэтому важно изучать антропогенные экосистемы, поскольку они позволяют более детально исследовать факторы окружающей среды и их влияние на человека. Исследования антропогенных экосистем обычно сосредоточены на подводных лодках или аэрокосмических системах, поскольку в силу своей изолированности они моделируют природную среду на более высоком уровне.
Однако интерес к пилотируемым дальним полетам и развитие технологий, используемых для этих полетов, увеличивают число экологических проблем.
Это повышает важность проведения дополнительных экспериментов и исследований, направленных на решение инженерных задач и повышение общей безопасности и охраны труда. Для достижения этих целей эксперименты должны быть продлены, они должны включать человеческий фактор, а также обеспечивать определенный уровень изоляции. Эксперименты, рассмотренные в данной статье, основаны на реальном моделировании.
Модели ЛСС в режиме реального времени сочетаются с дополнительными экологическими моделями, такими как модель человека и модель системного обслуживания. Модели основаны на практике эксплуатации аэрокосмической ЛСС, экологических исследованиях и модели "эталонного человека". Этот подход использовался во время экспериментов по изоляции земли и в ходе серии дополнительных экспериментов в университете.
Методология
Антропогенная экосистема существенно отличается от природной экосистемы. Человек является одним из элементов принятия решений, и его безопасность является ключевым вопросом, но в то же время важно контролировать его действия в случае возникновения чрезвычайной ситуации.
Воздействие стресса может повлиять на контроль человека. Кроме того, для повышения безопасности должно быть дублирование элементов (например, элементов системы производства кислорода или дублирование системы электроснабжения). Такой же подход используется, например, в авиации.
Человеческая экосистема создается и организуется из антропогенных элементов, и количество элементов должно быть ограничено. Все они должны быть связаны энергообменами и трансформацией массового расхода.
Более того, следует подчеркнуть, что процессы в антропогенной экосистеме протекают более интенсивно, чем трансформация природных процессов. Обмен сигналами в антропогенной экосистеме и ее взаимодействие с человеком основывается на теории Анохина, объясняющей взаимосвязь сигналов и следующих реакций.
Подход к моделированию
В качестве подхода к разработке системы было выбрано имитационное моделирование, так как оно кажется наилучшим решением для проектирования сложных систем. Моделирование требует подхода в режиме реального времени, чтобы можно было выполнять работы по техническому обслуживанию, осуществлять надзор за системами, устранять неисправности и понимать их влияние на безопасность и устойчивость системы.
Модели ЛСС описывались со следующими состояниями: входные, выходные, внутренние и управляющие параметры и внутренние и внешние помехи, в которых параметры соответствуют модельным системам. Внешние нарушения изменяются со временем и зависят от параметров окружающей среды, человека (в результате метаболизма и трансформации продуктов его жизнедеятельности) и других систем.
Внутренние помехи, с другой стороны, контролируются контрольными параметрами системы моделирования. Преобразование входных параметров в выходные формирует внутренние параметры
Для формирования формального математического описания каждой системы было принято во внимание базовое предположение. Большинство из них являются стандартными для атмосферы, где "воздух" определяется как смесь идеальных газов и чистых химических соединений. Общее давление смеси не зависит от следовых загрязнителей, состоящих из основных элементов, таких как спирты, альдегиды, кетоны, углеводороды, ацетоны, соединения азота, кислоты и неорганические соединения.
Массовые потоки атмосферы и следовых загрязнителей рассчитываются на каждом этапе интеграции. Для создания человеческой модели был использован международный "эталонный человек", в котором интенсивность массового расхода и теплопередачи пропорциональна расходам энергии.
Корректировка коэффициента пропорциональности была произведена на основе имитационных экспериментов по детальной модели массово-энергетического обмена, где с реальными данными моделировались обменные процессы. Программное обеспечение LabVIEW было использовано при проектировании, так как оно имеет необходимые инструменты моделирования, обеспечивая пользователей визуализацией и позволяя интегрироваться с аппаратным оборудованием, датчиками и мониторами.
В состав разработанной системы входят: силовая подсистема, связанная со всеми другими системами, так как каждая система требует определенного количества энергии; подсистема терморегуляции, имеющая опцию поддержки принятия решений; модели ЛСС; модель окружающей среды; модель человека; логическая модель уставок отказа, связанная с элементом CONTROL.
Проверка моделей проводилась на основе алгоритмических тестов на противоречивость, анализа корреляции результатов и эргономических оценок.
Эксперименты
Поскольку модели ЛСС основаны на реальных решениях, было заранее известно, что некоторые части оборудования имеют ограниченные ресурсы. Например, фильтры, регенерационные картриджи, водоснабжение (резервуары) или различные газовые баллоны. Ресурсы ограничены объемом емкостей/баллонов или временем использования (в качестве фильтров или картриджей для сбора отходов). Программное обеспечение LabView позволяет подключаться к аппаратным устройствам и параллельно работать в двух моделях: полном симуляторе и той же модели с подключенной аппаратной частью.
Исходя из этой методологии, эксперимент имел две цели:
1) сравнить данные, полученные в результате имитационного эксперимента и аппаратных средств;
2) проанализировать, как долго аппарат будет работать до появления сбоя, и сравнить эти результаты с данными, полученными из существующей литературы.
Результаты
Сравнение результатов исследований в существующей литературе с сертификатами фильтров/картриджей, а также с аппаратным моделированием показало, что производитель обычно снижает ресурсную базу (до 15%), что обеспечивает дополнительную безопасность оборудования в худшем случае (например, в случае с загрязненной водой и фильтрами воды).
В ситуации с газовыми баллонами симуляция показала, что по сравнению с аппаратурой ресурс больше, так как может произойти утечка и потратить весь газ в баллоне не представляется возможным. На основе этих результатов были скорректированы имитационные модели, чтобы можно было анализировать поведение человека в точных симуляторах.
Кроме того, эти эксперименты позволили проверить ресурсы и характеристики нового оборудования (как это было сделано в исследованиях, посвященных анализу регенерационных картриджей), а также собрать экспериментальные данные и обеспечить безопасность человека.