MORPHEUS : Modelica-based implementation of a numerical human model involving individual human aspects

Wölki, Daniel; van Treeck, Christoph Alban; Hensen, Jan

doi:HT019318937

MORPHEUS : Modelica-based implementation of a numerical human model involving individual human aspects

Wölki, Daniel^RWTH*

2017

Verantwortlichkeitsangabesubmitted by Daniel Wölki

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (XV, 292 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
van Treeck, Christoph Alban (Thesis advisor)^RWTH* ; Hensen, Jan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-04-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-04128
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/688943/files/688943.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen (312410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
human thermoregulation (frei) ; human-centered closed-loop control (frei) ; individualization (frei) ; numerical model (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit beschreibt ein vollständig skalierbares, numerisches Multi-Element Modellzur Vorhersage der menschlichen Thermoregulationsantwort von Individuen unter statischen, dynamischen,homogenen und inhomogenen physikalischen Umgebungsbedingungen. Der sogenannte„Morphable Human Energy Simulator (MORPHEUS)“ basiert auf der mathematischen Strukturdes bekannten Fiala-Modells (Fiala et al., 1999, 2001) und wurde mit Modellierungsansätzen vonTanabe et al. (2002) fusioniert. Das Modell selbst ist in der akausalen, gleichungsbasierten ModellierungssprachenModelica implementiert und wurde in der kommerziell erhältlichen, grafischen Entwicklungsumgebung Dymola entwickelt.Die Arbeit beginnt mit einer umfangreichen Literaturrecherche, welche eine detaillierte übersichtüber aktuell existierende Modellierungs-/Modifikationsansätze, deren Anwendungsgebiete, sowieSchlüsselparameter, welche die menschliche Thermoregulationsantwort beeinflussen, gibt.Das implementierte numerische Menschmodell, MORPHEUS, verfolgt einen komponentenbasiertenModellierungsansatz, welcher Vorteile hinsichtlich der Wiederverwendbarkeit des Programmiercodesbietet und gleichzeitig eine einfache Modellmodifikation/-erweiterung ermöglicht, ohne dabeiumfangreiche Anpassungen an der mathematischen Gleichungsstruktur des Gesamtmodells vornehmenzu müssen. Das Modell berücksichtigt Wärmeaustauschprozesse zwischen der menschlichenKörperoberfläche und der physikalischen Umgebung (gemischte Konvektion, langwellige Strahlung,Verdunstung und Diffusion von Schweiß für individuelle Körpersegmente) sowie Wärmetransportvorgängeim lebenden Gewebe (Durchblutung, metabolische Wärmeerzeugung, Wärmeleitung und-speicherung). Weiterhin werden Inhomogenitäten hinsichtlich der Verteilung des thermischen- sowiedes Verdunstungswiderstands von Bekleidung in Bezug zur menschlichen Körperoberfläche berücksichtigt.Der Einfluss der Körperhaltung auf den Strahlungswärmeaustausch zwischen Menschund Umgebung ist ebenso Bestandteil des Modells.Die menschliche Anatomie wird mit Hilfe zylindrischer und sphärischer Elemente numerisch approximiert,welche als Kombination aus sieben unterschiedlichen Gewebearten aufgebaut sind und ineiner passiven Modellkomponente (Passive System) zusammengeführt werden. Letztere berücksichtigtweiterhin trockene und feuchte Wärmeverluste des Atemtrakts. Die aktiven Thermoregulationsmechanismendes Menschen, die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Körperkerntemperaturvon annährend 37 C notwendig sind, werden in einer aktiven Modellkomponente (Active System)modelliert. Diese basiert auf afferenten Fehlersignalen der Körperperipherie, welche die menschlichenThermoregulationsmechanismen Schwitzen, Zittern sowie Gefäßverengung und -erweiterungauslösen. Das numerische Gesamtsystem in seiner Grundkonfiguration (Fiala et al., 1999, 2001)wurde mit Literaturdaten verifiziert und zeigt eine hohe übereinstimmung mit den entsprechendenPublikationsergebnissen.Umfangreiche Körperzusammensetzungsdaten von männlichen und weiblichen Personen im Altervon 18 bis 35 Jahren werden vorgestellt und statistisch bewertet. Sie dienen als Grundlage für diedaraus abgeleiteten Modelle eines typisch weiblichen (TFS) und eines typisch männlichen (TMS)Probanden, welche zur Demonstration der Modellskalierbarkeit sowie zur theoretischen Betrachtunggeschlechtsspezifischer Unterschiede hinsichtlich der menschlichen Thermoregulationsantwortals Folge der Körperzusammensetzung definiert wurden. Zugehörige in-vivo Messdaten wurden inmehreren experimentellen Untersuchungen erfasst und beinhalten detaillierte anatomische Informationender Extremitäten und des Rumpfs von insgesamt 289 Personen (168 Männer, 121 Frauen).Eine übersicht über aktuelle in-vivo Messtechniken zur Bestimmung der menschlichen Köperzusammensetzungwird gegeben. Sie zeigt, dass neuere Multi-Frequenz Bio-Impedanz Analyse (BIA)Geräte aufgrund ihrer Genauigkeit, Kosteneffizienz, Bedienbarkeit und Flexibilität in Bezug aufihren Einsatzort die Geräte der Wahl darstellen.Methoden zur Anpassung des passiven Modellteils von MORPHEUS an anatomische Eigenschaftenvon Individuen werden vorgestellt. Letztere umfassen die Modifikation individueller Gewebecharakteristika(z.B. metabolische Grundrate, Dichte, etc.) sowie die Skalierung geometrischer Eigenschaftenwie Radien und Längen einzelner, virtueller Körpersegmente. Erstere Methode ist für einerealistische Abbildung der menschlichen Anatomie ungeeignet, da sie reale Zusammenhänge nurunzureichend abbildet. Eine systematisierte Anpassungsprozedur wird vorgestellt, welche eine automatisierteModifikation der passiven Modellkomponente ermöglicht.Die Echtzeitfähigkeit von MORPHEUS wird anhand des sogenannten human-centered closed-loopcontrol (HCCLC) Konzepts demonstriert. In diesem Zusammenhang wird das Modell als virtuellerZweipunkt-Regler für einen thermoelektrischen Thermostaten eines Heizkörpers eigesetzt. Ziel istdabei die Regelung der Operativtemperatur eines Büroraums über eine Periode von vier aufeinanderfolgendenArbeitstagen. Das vorgestellte Experiment wurde während der Heizperiode im Dezember2016 in Aachen, Deutschland, durchgeführt. Als Sollwert für den entsprechenden Thermostatenfungiert die vorhergesagte, mittlere Hautoberflächentemperatur von MORPHEUS (Schwellwert fürthermische Neutralität 34 C). Das virtuelle Menschmodell wird hierzu sowohl in seiner StandardKonfiguration (Fiala et al., 1999) als auch mit den anatomischen Messdaten des typisch weiblichenProbanden (TFS) konfiguriert und deren Thermoregulationsantworten auf das vorherrschende Innenraumklimaparallel simuliert. Eine Unter- oder überschreitung des festgelegten Schwellwerts dersimulierten mittleren Hautoberflächentemperatur, zieht dabei eine Aktivierung bzw. Deaktivierungdes Heizkörpers nach sich. Im Vorfeld wurde dabei festgelegt, dass TFS keinen Einfluss auf denZustand des eingesetzten Thermostaten hat. Hier wurde ausschließlich der präferierte Heizkörperzustandaufgezeichnet. Das Experiment zeigt dabei die realistische Interaktion zwischen den entsprechendkonfigurierten Menschmodellen, dem Büroraum und den dazugehörigen außenklimatischenBedingungen am Gebäudestandort. Weiterhin bestehen Anzeichen für geschlechtsspezifische Unterschiedehinsichtlich der Anforderungen an ein thermisch komfortables Innenraumklima. Letztereveranschaulichen dabei die Notwenidigkeit für personalisierbare Klimatisierungssystem, die lokalam menschlichen Körper agieren und folglich eine energieeffiziente Klimatisierung von Individuenermöglichen. Ein erster Vergleich mit Literaturdaten bestätigt die hier gezeigten Ergebnisse. DieValidierung der entsprechenden Resultate mit Versuchspersonen muss deshalb das Ziel zukünftigerForschungsaktivitäten in diesem Bereich sein.

This work introduces a fully scalable numerical multi-element model for the prediction of the humanthermoregulatory responses of individuals to static, dynamic, homogeneous and inhomogeneousphysical ambient conditions. The described Morphable Human Energy Simulator (MORPHEUS)is based on the mathematical structure of the well-known Fiala model (Fiala et al., 1999, 2001)and was combined with modeling ideas of Tanabe et al. (2002). It is implemented in the acausal,equation-based modeling language Modelica and used in connection with the commercial codeinterpreterDymola. The latter facilitates the export of the model as a functional mock-up unit(FMU) for co-simulation, thus enabling its use within real-time applications.An extensive literature research is shown. It gives an overview of currently existing numericalhuman models, their fields of application, individualization approaches and key parameters thatinfluence the human thermoregulatory response.The implemented numerical human model, MORPHEUS, follows a component-based modeling approach,which offers the advantages of code-reusability and component substitutability/-extensibilitywithout having to modify the entire system of equations. It models the heat transfer phenomenaat the surface of the human body (mixed convection, longwave radiation, skin-moisture evaporationand diffusion for individual body segments) as well as heat transfer mechanisms that occurinside living tissue (blood circulation, heat production, -conduction and -storage). Furthermore,it considers the non-uniform thermal and evaporative resistance of clothing as well as influencesof the body posture on the radiative heat exchange between the human body and its surroundingstructures.The anatomical part of a human being is approximated with cylindrical and spherical elements andmodeled within the Passive System (PS) component. It includes a total of seven different tissuematerials and models the dry and wet heat exchange of the human being with the environmentrelated to the respiratory tract. The active control mechanisms that aim to keep the body coretemperature on a nearly constant level (37 C) are modeled within an Active System (AS) component.The latter follows a temperature error signal approach that involves skin and hypothalamustemperatures as the afferent signals that trigger the dynamic thermoregulatory responses shivering,sweating, vasoconstriction and vasodilatation. The entire system in its standard configuration(Fiala et al., 1999, 2001) was verified with literature data and shows good agreement with thecorresponding publication results.Extensive body composition data of female and male persons aged between 18 to 35 years arepresented. They were statistically evaluated and served as the base for the attached numerical representationsof a typical female subject (TFS) and a typical male subject (TMS). The latter wereused to demonstrate the scalability of the model as well as to theoretically investigate the genderspecificdifferences in the thermoregulatory response related to differences in body composition.The corresponding data were collected during diverse experiments and comprise detailed in-vivomeasurements of 289 subjects (168 males, 121 females) for the extremities and the trunk section. Inthis regard, a technology review of different body composition measurement technologies is introduced.It revealed multi-frequency bioelectrical impedance analysis (BIA) as the method of choicebecause of its accuracy, cost-effectiveness, flexibility with respect to location and manageability.Two different ways of adapting the passive model part of MORPHEUS to the anatomical characteristicsof individuals are shown. The latter comprise the modification of individual tissuecharacteristics (e.g. basal metabolic rate, density, etc.) as well as the geometrical adaptation oftissue layer thicknesses in combination with the scaling of segmental lengths. The former, however,does not reflect reality and cannot be used in connection with the realistic modeling of the humananatomy. In this regard, a systematized adaptation procedure is presented, which can be used forthe automatized adaptation of the PS-component.The real-time applicability of MORPHEUS is demonstrated on the base of the introduced humancenteredclosed-loop control (HCCLC) concept. In this regard, the model serves as a virtual humantwo-point controller of a thermoelectric thermostat that was used to control the indoor operativetemperature of an office room over a period of four consecutive office days in December 2016 inAachen, Germany. As a control signal for the thermostat the predicted mean skin temperature ofMORPHEUS configured with the parameters originally suggested by Fiala et al. (1999) was used(threshold value for thermal neutrality 34 C). Here, values bigger than the predefined thresholdcaused a deactivation of the radiator and vice versa. In addition, the thermoregulatory responsesof MORPHEUS configured with the anatomical characteristics of the TFS were simulated in parallel.Its corresponding reactions were chosen to have no influence on the thermostat. However, thepredicted radiator states were recorded, too. The results of the experiment demonstrate a realisticinteraction between the humanoids, the building and the outdoor climate. Furthermore, they indicategender-specific differences in heat requirements and show the need for customizable Heating,Ventilation and Air Conditioning (HVAC) systems that act locally on the human body, in orderto save energy and to be able to provide comfortable thermal environments for individuals. A firstcomparison with published literature data confirms these findings. A validation of the outcomeswith subject experiments, however, must be part of future work.

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