Comfort termico e termoscanning
Rioba, proposta di strumento per la rilevazione del comfort termico e della
temperatura superficiale corporea
Luca Corsato, Data e Product manager,
[email protected]
Alfonso Crisci, Ricercatore IBE Istituto per la Bioeconomia del CNR,
[email protected]
Simone Cortesi, Project manager,
[email protected]
Matteo Scarpa, Backend Developer,
[email protected]
Davide Pugliese, Backend Developer,
[email protected]
Abstract
Rioba è un ecosistema hardware e software integrato per costruire una rete di dispositivi
connessi, a basso costo, di rilevazione del comfort termico prossimale tramite rilevamento
temperature superficiali. Rioba è un'azione di solidarietà per affrontare l’emergenza
COVID-19, che ha imposto una profonda revisione delle abitudini e delle informazioni di cui
necessitiamo ogni giorno. La confusione sui dati di contagio ha mostrato i limiti dei sistemi di
rilevazione attuali, poco integrati e frammentati. Le progressive riaperture dopo il lockdown,
necessitano di un sistema automatizzato di strumenti di rilevazione delle temperature
individuali e delle condizioni di comfort. Rioba propone un’architettura aperta e senza
brevetti, per la gestione automatica dei dati, per facilitare le rilevazioni, ridurre gli errori, i
tempi di raccolta e il lavoro manuale delle persone.
L. Corsato, A. Crisci, S. Cortesi, M. Scarpa, D. Pugliese, “Comfort e termoscanning. Rioba, proposta di strumento per la
rilevazione del comfort e della temperatura superficiale corporea”
DOI 10.5281/zenodo.3813156 // h
ttps://riobaproject.it/
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“«Scienza» a volte significa un metodo speciale di scoprire le cose; a volte significa l’insieme delle conoscenze
che si originano dalle cose scoperte, ma può anche significare tutte le cose nuove che si possono fare usando la
conoscenza acquisita, o il far effettivamente queste cose”
Richard Feynman, Il senso delle cose, 1999
Introduzione
Il progetto1 Rioba2 offre una soluzione alla necessità di dati e informazioni relative al comfort
termico negli ambienti indoor e outdoor e degli individui. L’emergenza COVID-19 ha
evidenziato che la carenza di dati comporta rischi e danni imponenti a livello sanitario,
sociale ed economico. Senza una rete di sistemi di rilevazione automatica che scambiano
dati con protocolli aperti e dispositivi a basso costo, ogni teoria e pratica rischiano di essere
affidati alla “fortuna”. Si propone un sistema di rilevazione del comfort termico e di
temperatura superficiale delle persone, per dare una soluzione alle tante realtà che si
devono registrare le temperature delle persone negli ambienti. Rioba applica le recenti
teorie/conoscenze sul comfort termico che hanno messo al centro l’osservazione
dell’individuo. Ogni individuo manifesta il suo stato attraverso il proprio corpo: la sua
temperatura superficiale in aree specifiche come la faccia, nonché le espressioni posturali e
comportamentali sono la reazione all’ambiente in cui è presente. La rilevazione di questi
indicatori è possibile attraverso strumenti a basso costo e algoritmi codificati, incardinati su
due principi:
1. facile replicabilità degli strumenti di rilevazione,
2. accesso pubblico ai metodi e codici di distribuzione e gestione dei dati rilevati.
1
2
Il sito del progetto è https://riobaproject.it/
Il nome Rioba è in onore della statua parlante di Venezia, in Campo dei Mori, a cui era uso appendere dei
foglietti con poemetti satirici, e alla tradizione che lo sfregare il naso di metallo portasse fortuna. G. Lorenzetti,
Venezia e il suo estuario, Trieste, 1975, pag. 408; https://it.wikipedia.org/wiki/Antonio_Rioba
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Fatti salvi questi principi, il working paper illustra gli elementi principali per ottenere una rete
di dispositivi che rilevi lo stato di comfort termico ambientale e di un individuo e, per
estensione, se il suo stato supera la soglia che può indicare un’allerta sintomatica (presunto
stato febbrile). Verranno illustrati:
●
benefici di Rioba;
●
analisi delle attività;
●
dispositivo e costi;
●
architettura di gestione dati;
●
elementi di comfort;
●
workflow operativo;
●
sviluppo.
Benefici di Rioba
Definiamo Rioba un ecosistema perché la sua diffusione forma un mosaico informativo di
dati di comfort termico e temperatura individuale che altrimenti sono affidati a rilevazioni
manuali e non condivise in forma anonimizzata. La scelta di distribuire il progetto Rioba con
licenza aperta è un atto di solidarietà verso le tutte le realtà che devono dotarsi di strumenti
di controllo, per i produttori di dispositivi a cui offriamo una soluzione a basso costo e di alto
livello scientifico, agli enti amministrativi, sanitari e di ricerca che altrimenti non avrebbero
accesso a tutti questi dati. L’hardware proposto è reperibile sul mercato di largo consumo, e
software di gestione a codice aperto, definito su algoritmi di calcolo aperto e verificati
scientificamente. Il sistema di distribuzione dati garantisce la massima privacy e consente
un’architettura di gestione leggera e modulare con bassi costi di esercizio e sviluppo. La
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duttilità dell’ecosistema consente sia l’uso per l’emergenza COVID-19 che per l’analisi di
comfort in ambienti indoor che outdoor nei periodi stagionali con picchi di temperature.
Inquadramento dei bisogni
L’ecosistema Rioba risponde al bisogno di un dispositivo scientificamente valido e a basso
costo, che comunichi dati di comfort sia ambientale che individuale. L’architettura di gestione
dati di Rioba consente di avere una serie di sensori che comunicano e distribuiscono dati in
maniera automatica e anonimizzata, rispondendo al bisogno di disporre di informazioni
certe, documentate e accessibili automaticamente. Le direttive in ambito di sicurezza nei
luoghi di lavoro3 e le recenti relative al contrasto dell’epidemia di COVID-19, garantiscono il
benessere sia ambientale che individuale. Il datore di lavoro che tutela i propri dipendenti
monitorando l’indice di comfort termico dei locali, e l’esercizio che rileva eventuali allerte
sintomatiche di avventori, sono alcuni dei bisogni a cui si rivolge l’ecosistema Rioba.
L’ecosistema Rioba descrive il contesto ergonomico per generare un sistema economico a
supporto e compendio delle le attività di rilevazione sanitaria svolto dal personale delle
Aziende Sanitarie Locali e dalla Protezione Civile.
Analisi delle attività
Le attività sono principalmente due: rilevazione e distribuzione. All’interno di queste c’è il
calcolo degli algoritmi, che poi restituiscono i risultati all’architettura di gestione dati. E' di
fondamentale importanza rimarcare che l’attività di “mappatura facciale” non comporta il
Art. 22 L. 81/2017 Misure per la tutela del lavoro autonomo non imprenditoriale e misure volte a favorire
l'articolazione flessibile nei tempi e nei luoghi del lavoro subordinato
https://www.gazzettaufficiale.it/eli/id/2017/06/13/17G00096/sg
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riconoscimento facciale, ma la mappatura dei pixel del volto su cui definire l’area di
misurazione della temperatura superficiale.
Rilevazione
1. registrazione della temperatura ambientale
2. registrazione dell’umidità ambientale
3. rilevazione dell'unità facciale singola
4. elaborazione e calcolo
a. scansione termica del volto
b. individuazione dell’area del volto su cui eseguire il controllo termico
c. rilevazione della temperatura superficiale del volto
d. calcolo con funzioni di biometeorologia
5. invio dati
Distribuzione
1. scrittura su database di:
a. data e ora
b. localizzazione in coordinate geografiche
c. temperatura ambientale
d. umidità ambientale
e. numero di rilevazioni superficiali individuali sopra i 37.5°
2. invio dati ad un accesso aperto.
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Finalità di Rioba
L’ecosistema di Rioba ha tre finalità: 1) aiutare le persone e le attività a rilevare i livelli di
comfort e di temperatura individuale con dispositivi affidabili e a basso costo; 2)
automatizzazione della gestione e della distribuzione dei dati; 3) accesso aperto ai flussi
informativi anonimizzati.
Sia la rilevazione che la distribuzione sono finalizzate non alla sorveglianza bensì al
monitoraggio di situazioni di allerta, come luoghi con indici di comfort troppo bassi che
possono creare disagio e rischi alle persone4. Le indicazioni usate sia per la rilevazione che
per il trattamento dati sono quelle indicate nel “Documento tecnico sulla possibile
rimodulazione delle misure di contenimento del contagio da SARS-CoV-2 nei luoghi di
lavoro e strategie di prevenzione” pubblicato da INAIL il 23 aprile 20205.
Relazione tra comfort ambientale e individuale
Dal momento che l’accesso ad ambienti è soggetto al distanziamento e all’uso di dispositivi
di protezione individuale, queste condizioni modificano la percezione di comfort. L’uso di
mascherine e di guanti comporterà, soprattutto nelle stagioni calde, una modifica dello stato
corporeo degli individui. Rioba associa la rilevazione ambientale con quella individuale per
monitorare il benessere delle persone negli ambienti e, per estensione della rilevazione, in
un contesto urbano.
4
5
Vedi nota 2
Documento tecnico sulla possibile rimodulazione delle misure di contenimento del contagio da SARS-CoV-2 nei
luoghi di lavoro e strategie di
prevenzionehttps://www.inail.it/cs/internet/comunicazione/pubblicazioni/catalogo-generale/pubbl-rimodulazione-c
ontenimento-covid19-sicurezza-lavoro.html
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Dispositivo e costi
Il dispositivo è costituito da:
1. Firmware di ricezione e trasmissione dati con modulo WiFi
2. Sensore di temperatura e umidità
3. termo globometro
4. termocamera
Il costo di materiale è circa 125€. Lo strumento necessita di un’alimentazione e di una
connessione.
Architettura di gestione dati
L’architettura di gestione è composta da: 1) gestione; 2) calcolo; 3) distribuzione.
Gestione
La gestione comprende la ricezione del flusso dati all’interno del database, il controllo dei
dati e pulizia di eventuali outlier (valori anomali o fuori scala). Riguardo alle immagini
termiche vengono tenute per l’elaborazione solo quelle su cui si è effettuata una mappatura
del volto.
Calcolo
Il database registra i dati verificati, sui quali viene svolto il calcolo da parte di algoritmi che
analizzano i valori e determinano un indice di comfort termico ambientale. Vengono estratte
le aree di misurazione termica dalle mappature dei volti presenti nel database, su cui si
misurano le temperatura superficiali. Tutte le temperature rilevate sotto 37.5° vengono
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scartate, mentre quelle superiori vengono registrate come semplice rilevazione sopra soglia
senza alcuna associazione con le mappature del volto.
Distribuzione
Il database dell’ecosistema Rioba non svolge alcun tipo di archiviazione o di identificazione,
quindi una volta ricevuti i risultati dei calcoli, compone un flusso dati contenente i dati
ambientali con riferimento orario e di localizzazione approssimata. I valori sopra soglia di
temperatura superficiale individuale vengono trasmessi come singolo valore dissociato da
qualsiasi altro dato.
Anonimizzazione dei flussi informativi
Il sistema è in grado di essere utilizzato con segnalazioni in tempo reale o quasi reali di
eventuali soggetti che presentino valori di temperatura facciale superiore a definite soglie e
di generare delle statistiche di controllo. In questo caso i dati ambientali rilevati contengono
le coordinate del luogo in cui è posto il dispositivo, e la scansione termica individuale
avviene solo su base consenziente (stazionamento davanti alla termocamera per consentire
la rilevazione della mappatura facciale), dal momento che il dispositivo non registra
indiscriminatamente qualsiasi oggetto venga inquadrato dalla termocamera. Le mappature
dei volti vengono usate solo per la rilevazione termica superficiale e non vengono archiviate.
Ogni 24 ore il database produce delle statistiche giornaliere che vengono distribuite e si
procede al reset del database, per impedire qualsiasi tipo di correlazione che possa
associare le temperature ai volti mappati. In ogni caso il flusso dati è tracciato e gestito in
osservanza delle normative di privacy e Regolamento (UE) 2016/679 (GDPR regolamento
generale sulla protezione dei dati).
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Elementi di comfort
L’ecosistema Rioba prende in considerazione la rilevazione e il calcolo dell'indice di comfort
termico, che è il risultato dell’evoluzione della ricerca scientifica negli ultimi 40 anni. Negli
ultimi anni la letteratura scientifica si è concentrata sull’opportunità offerta da dispositivi a
basso costo disponibili sui mercati finali della grande distribuzione privata, per correlare
comfort termico e temperatura individuale.
Comfort termico umano
L’uomo appartiene ai vertebrati ed è un omeotermo, cioè la sua temperatura interna tende
ad essere stabile. L’uomo possiede un apparato di termoricezione localizzato nella pelle e
riesce a percepire una varietà di stimoli termici (freddo e caldo) e risponde modificando la
sua irrorazione sanguigna in punti noti. Gli indumenti possono essere considerati dei
dispositivi atti a limitare la dispersione termica.
I sei fattori del comfort generale
Il comfort generale, come anche quello termico, è l’insieme di relazioni tra stato mentale e
percettivo di individui, clima, ambiente fisico in un contesto osservativo. Gli indici di comfort
termici, modellano un giudizio previsto (sensazione termica) pesando i 6 elementi base6 (fig.
1): ambientali (1. temperatura aria, 2. temperatura media radiante, 3. velocità aria, 4. umidità
relativa dell’aria); personali (1. livello di vestiario, 2. livello metabolico).
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The six basic factors https://www.hse.gov.uk/temperature/thermal/factors.html
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(fig. 1) I sei fattori che influenzano il comfort termico sono sia ambientali che personali. Questi fattori possono
essere indipendenti l'uno dall'altro, ma insieme contribuiscono al comfort termico di un dipendente
Gli indici termici di comfort
A partire dai primi lavori degli anni ‘40, la ricerca ha voluto associare, al mosaico informativo
dei sei fattori, un valore numerico unico, facilmente fruibile, delle condizioni in cui una
persona svolge le proprie attività. L’inquadramento del valore numerico avviene attraverso
un quadro metodico che individua gli indici termici per le diverse applicazioni negli studi
biometeorologici sull'uomo (fig. 2)7. Dal framework emergono per l’ambiente outdoor i 4
principali indici che sono:
1. Universal Thermal Climate Index (UTCI),
2. Perceived Temperature (PTJ),
3. Physiologically Equivalent Temperature (PET)
4. Rational Standard Effective Temperature (SET).
Staiger, H.; Laschewski, G.; Matzarakis, A. Selection of Appropriate Thermal Indices for Applications in Human
Biometeorological Studies. Atmosphere 2019, 10, 18 h
ttps://doi.org/10.3390/atmos10010018
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Sicurezza e riferimenti normativi
Nel campo della sicurezza del lavoro un indice empirico WBGT (Wet Bulb Globe
Temperature) è nella normativa UNI EN ISO 7243:20178. Per ambienti interni moderati un
indice di riferimento è il Predicted Mean Vote (PMV) che si riferisce all’Ergonomia degli
ambienti termici nella norma UNI EN ISO 7730:20069. Oggi lo sviluppo delle tecniche di
rilevamento non invasivo, basato su termografia, si è consolidato e modella il comfort
generale in base alla temperatura della pelle10.
Ergonomia degli ambienti termici - Valutazione dello stress da calore utilizzando l'indice WBGT (temperatura
globo del bulbo bagnato) http://store.uni.com/catalogo/uni-en-iso-7243-2017
9
Ergonomia degli ambienti termici - Determinazione analitica e interpretazione del benessere termico mediante il
calcolo degli indici PMV e PPD e dei criteri di benessere termico locale
http://store.uni.com/catalogo/uni-en-iso-7730-2006
10
Satoru Takada, Sho Matsumoto, Takayuki Matsushita, Prediction of whole-body thermal sensation in the
non-steady state based on skin temperature, Building and Environment, Volume 68, 2013, Pages 123-133, ISSN
0360-1323, https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2013.06.004
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(fig. 2) Quadro metodico per selezionare gli indici termici per le diverse applicazioni negli studi biometeorologici
sull'uomo
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Temperatura superficiale facciale
La temperatura superficiale facciale è lo stato dell’arte della ricerca dal momento che sul
mercato sono disponibili a basso costo delle telecamere termiche che effettuano una
immagine termica (thermal imaging). L’elaborazione fisiologica e affettiva basata
sull'immagine termica, attraverso il face mapping, consente di monitorare le funzioni
corporee e comprendere i bisogni senza contatto (fig. 3), classificando il TSV (Thermal
Sensation Vote), che viene poi confrontato con il TCV (Thermal Comfort Vote)11 (fig. 4)
(fig. 3) Classificazione TSV (thermal sensation vote) nella variazione di temperatura nel tempo
Zhou, Xiang & Ouyang, Qin & Zhu, Yingxin & Feng, Chuning & Zhang, Xu. (2015). Experimental Study of the
Influence of Anticipated Control on Human Thermal Sensation and Thermal Comfort.. DOI 10.1111/ina.12067
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(fig. 4) Corrispondenza tra TSV (Thermal Sensation Vote) eTCV (Thermal Comfort Vote)
Workflow operativo di Rioba
Il workflow assimilato nell’ecosistema Rioba per “comfort status detection” è quello descritto
da Da Li, Menassa e Kamat in “Non-intrusive interpretation of human thermal comfort
through analysis of facial infrared thermography”12 (fig. 5).
12
Da Li, Carol C. Menassa, Vineet R. Kamat, Non-intrusive interpretation of human thermal comfort through
analysis of facial infrared thermography, in Energy and Buildings, Volume 176, 2018, Pages 246-261, ISSN
0378-7788, h
ttps://doi.org/10.1016/j.enbuild.2018.07.025
L. Corsato, A. Crisci, S. Cortesi, M. Scarpa, D. Pugliese, “Comfort e termoscanning. Rioba, proposta di strumento per la
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(fig. 5) Fasi di rilevazione per il comfort status detection
Nello schema è importante sottolineare che la prima attività è una rilevazione facciale, il cui
unico scopo è quello di definire l’area di osservazione e non un riconoscimento dell’identità.
Nella fase successiva vengono estratte le aree del volto su cui rilevare la temperatura
superficiale, mentre nelle fasi 3 e 4 vengono attivati la pulizia dei dati e la loro rielaborazione
con i modelli di calcolo.
Sviluppo
La presentazione del presente working paper servirà a raccogliere degli eventuali interessi
da parte di produttori per realizzare dei prototipi da mettere successivamente in produzione.
Nel frattempo si procederà alla messa in pacchetto degli algoritmi e dell’architettura di
gestione, che saranno distribuiti con licenza aperta dal sito di progetto riobaproject.it
(https://riobaproject.it/).
Bibliografia scientifica
- Da Li, Carol C. Menassa, Vineet R. Kamat, Non-intrusive interpretation of human thermal
comfort through analysis of facial infrared thermography, in Energy and Buildings, Volume
176, 2018, Pages 246-261, ISSN 0378-7788, https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2018.07.025
- Zhou, Xiang & Ouyang, Qin & Zhu, Yingxin & Feng, Chuning & Zhang, Xu. (2015).
Experimental Study of the Influence of Anticipated Control on Human Thermal Sensation
and Thermal Comfort. DOI 10.1111/ina.12067
- Staiger, H.; Laschewski, G.; Matzarakis, A. Selection of Appropriate Thermal Indices for
Applications in Human Biometeorological Studies. Atmosphere 2019, 10, 18
https://doi.org/10.33
- Satoru Takada, Sho Matsumoto, Takayuki Matsushita, Prediction of whole-body thermal
sensation in the non-steady state based on skin temperature, Building and Environment,
L. Corsato, A. Crisci, S. Cortesi, M. Scarpa, D. Pugliese, “Comfort e termoscanning. Rioba, proposta di strumento per la
rilevazione del comfort e della temperatura superficiale corporea”
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Volume 68, 2013, Pages 123-133, ISSN 0360-1323,
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- Ali Ghahramani, Guillermo Castro, Burcin Becerik-Gerber, Xinran Yu,
Infrared thermography of human face for monitoring thermoregulation performance and
estimating personal thermal comfort, Building and Environment, Volume 109, 2016, Pages
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ttps://doi.org/10.1016/j.buildenv.2016.09.005
- Ali Ghahramani, Guillermo Castro, Simin Ahmadi Karvigh, Burcin Becerik-Gerber,
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Energy, Volume 211, 2018, Pages 41-49, ISSN 0306-2619,
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