極端事故背景下森林消防員自救逃生裝置設(shè)計(jì)

摘要：森林火災(zāi)是世界性的難題，消防員在森林火災(zāi)撲救過(guò)程中時(shí)刻存在高度危險(xiǎn)，目前針對(duì)森林消防員在極端火災(zāi)背景下的應(yīng)急逃生裝備還存在較多問(wèn)題。文章通過(guò)文獻(xiàn)資料分析、同類(lèi)裝置分析等方法，從造型、結(jié)構(gòu)、功能設(shè)置、人機(jī)交互、使用方式等方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一款能在緊急情況下使用的森林消防員逃生裝置，從而提高消防員在極端狀況下的自救能力，以期為消防員面臨極端火災(zāi)威脅生命時(shí)提供使用方便的自救逃生裝置。關(guān)鍵詞：森林火災(zāi);消防員自救;逃生裝置設(shè)計(jì)隨著人類(lèi)活動(dòng)逐步延伸到森林中，導(dǎo)致森林火災(zāi)出現(xiàn)的概率越來(lái)越高，一旦發(fā)生森林火災(zāi)將造成財(cái)產(chǎn)損失，甚至重大人員傷亡，給滅火救援工作帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)，也給森林消防員的人身安全帶來(lái)巨大的威脅[1]。森林火災(zāi)給全球各個(gè)國(guó)家造成了極大的損失，森林消防員在森林火災(zāi)救援過(guò)程中犧牲的事件時(shí)有發(fā)生，如2019年四川涼山州森林火災(zāi)，一次性造成30位撲火人員犧牲。因此，設(shè)計(jì)森林消防員自救逃生裝置非常必要。一、森林消防員救援裝置需求與痛點(diǎn)分析近年來(lái)，全世界科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)以及學(xué)術(shù)界對(duì)森林消防員自救逃生裝置做了許多探索，極大地促進(jìn)了森林消防員自救逃生裝置的發(fā)展與應(yīng)用，這期間出現(xiàn)了一些實(shí)用性強(qiáng)，被森林消防員廣泛采用的自救逃生裝置。美國(guó)在1977年率先研制出了火場(chǎng)自救逃生裝備——FireShelter避火罩（如圖1所示）。當(dāng)撲火人員被林火或濃煙圍困時(shí)，撲火隊(duì)員快速打開(kāi)避火罩并進(jìn)入其中，可以避免燒傷或吸入煙氣造成的嚴(yán)重傷害。迄今為止，F(xiàn)ireShelter已經(jīng)挽救了上百名撲火人員的生命，避免了無(wú)數(shù)人被燒傷或吸入熱氣體所受到的傷害，是一種非常有效的森林防火自救逃生裝備。在林業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，例如加拿大、澳大利亞、俄羅斯等國(guó)早在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始不間斷地研究、開(kāi)發(fā)森林火場(chǎng)自救逃生裝備[2]。后來(lái)又研發(fā)出單人避火帳篷（如圖2所示），該裝置可預(yù)防爆發(fā)火、回旋火這類(lèi)極端火對(duì)森林消防員的傷害，政府為每個(gè)森林消防員都配備了單人避火帳篷，當(dāng)森林消防員被困火場(chǎng)，無(wú)法脫身時(shí)，可就地迅速挖出一個(gè)淺坑，依靠避火帳篷藏入坑中逃生，但人只能在該裝備內(nèi)部呆15分鐘。中國(guó)從2000年開(kāi)始研究森林火場(chǎng)自救逃生裝備，研發(fā)了森林消防避火罩。但是受資金、技術(shù)等限制，研發(fā)的森林消防避火罩是由金屬鋁箔和玻璃纖維合成的鋁箔復(fù)合材料，制成的三角形封閉罩體，在實(shí)際使用中外形穩(wěn)固性較差，容易塌陷，鋁箔復(fù)合材料外層容易破損、脫離，應(yīng)急救生的時(shí)間短，保護(hù)撲火人員作用有限[2]。專(zhuān)利文獻(xiàn)CN110101988A[3]公布了一種用于森林滅火的消防員逃生裝置（如圖3所示），包括主支撐板架、伸縮支撐骨架和防護(hù)布罩，主支撐板架的左側(cè)表面設(shè)置有伸縮支撐骨架，伸縮支撐骨架外部包裹有防護(hù)布罩，逃生人員可鉆入防護(hù)布罩內(nèi)部，防止被火焰燒傷;通過(guò)手把進(jìn)行牽引，由主支撐板架下端兩個(gè)滾輪與路面進(jìn)行滾動(dòng)，方便進(jìn)行攜帶移動(dòng)，將肩扣用于卡扣在攜帶人員的雙肩上進(jìn)行背負(fù)，腰帶綁接在攜帶人員的腰部，避免森林山路對(duì)本發(fā)明不方便攜帶的情況產(chǎn)生[2]。專(zhuān)利文獻(xiàn)CN210409316U[4]公布了一種用于森林消防爬山虎式的火場(chǎng)生命救援車(chē)（如圖4所示），可以直接開(kāi)進(jìn)火場(chǎng)內(nèi)部，在消防員身后，為消防員提供生命通道。突遇山火爆燃時(shí)，可進(jìn)入快裝防火倉(cāng)，開(kāi)車(chē)逃離火場(chǎng)。在道路不通或是陷入低洼，可通過(guò)速動(dòng)分離器將快裝防火倉(cāng)與履帶式集材拖拉機(jī)底盤(pán)分離，等待救援直升機(jī)通過(guò)快裝防火倉(cāng)頂部的吊裝鉤將快裝防火倉(cāng)帶走，實(shí)現(xiàn)將消防員帶離火場(chǎng)，保障了消防員的生命安全。通過(guò)比較以上產(chǎn)品，主要發(fā)現(xiàn)存在以下一些問(wèn)題：現(xiàn)有的裝備通過(guò)就地隔離，裝置需要隨身攜帶極為不便，對(duì)森林消防員是極大的負(fù)擔(dān);現(xiàn)有的裝備為避火罩，若遇大火，難以保護(hù)森林消防員的性命;現(xiàn)有的裝備多為避火帳篷，在其內(nèi)部避火時(shí)間最長(zhǎng)為15分鐘，避火時(shí)間過(guò)短;現(xiàn)有的部分裝備為火場(chǎng)生命救援車(chē)，遇到森林山路，救援車(chē)根本無(wú)法駛?cè)搿＿@些裝置在一定程度上能夠解決避火或逃離火場(chǎng)的問(wèn)題，但由于避火裝置的短時(shí)效性和救援工具的地形限制因素，在極端森林火災(zāi)環(huán)境下的森林消防員進(jìn)行自救逃生方面仍存在一定的缺陷，無(wú)法同時(shí)解決避火和逃生的問(wèn)題。綜上，現(xiàn)有的裝備在極端森林火災(zāi)背景下森林消防員進(jìn)行自救逃生方面還存在一定的缺陷，文章將通過(guò)文獻(xiàn)資料分析、同類(lèi)裝置分析、消防員訪(fǎng)談等方法，從造型、結(jié)構(gòu)、功能設(shè)置、人機(jī)交互等方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以期為消防員在極端火災(zāi)面臨生命威脅時(shí)提供可靠性高的自救逃生裝置。二、森林消防員自救逃生裝置設(shè)計(jì)（一）設(shè)計(jì)定位1.用戶(hù)定位在森林火災(zāi)環(huán)境下?lián)浠鸬纳窒绬T。2.功能定位極端事故環(huán)境下的消防員自救逃生裝置應(yīng)具備快速移動(dòng)和攀登、跨越障礙物功能，全方位應(yīng)對(duì)不同地形自由移動(dòng)以到達(dá)消防員位置，同時(shí)能自動(dòng)調(diào)整角度將滅火終端對(duì)準(zhǔn)火源方向。應(yīng)具有探測(cè)功能，快速分析地形，根據(jù)地形作出相對(duì)應(yīng)的輔助建議及不同方式的行動(dòng)路線(xiàn)。應(yīng)具有救助功能，將圍困在火場(chǎng)中心的被困人員通過(guò)安全方式進(jìn)行緊急救助并送出至安全場(chǎng)地。應(yīng)具有遠(yuǎn)程遙控功能，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信讓使用者遠(yuǎn)程監(jiān)控或者直接控制消防設(shè)備狀態(tài)及滅火救援行動(dòng)的施展。應(yīng)具有快速建立隔離帶功能，將火焰擴(kuò)散范圍以最大效率控制住。（二）外觀(guān)設(shè)計(jì)在造型上，由四個(gè)單體無(wú)人機(jī)組成。色彩上，針對(duì)緊急情況的事故背景，根據(jù)我國(guó)消防設(shè)備通常以紅色為主，輔以黃色與白色的配色方案，該設(shè)計(jì)方案也采用經(jīng)典的紅黃配色，使該設(shè)備具有極佳的辨識(shí)度，從而引起高度的警覺(jué)和注意力。產(chǎn)品外觀(guān)圖如圖5所示。（三）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)旋翼：市面上的四翼無(wú)人機(jī)大多采用每個(gè)旋翼為兩個(gè)槳，其運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，不適用于中型尺寸無(wú)人機(jī)。多旋翼無(wú)人機(jī)槳葉尺寸越大，越難迅速地改變其速度，同時(shí)在較大載重的情況下，槳的柔性十分重要，因此為了減少剛性槳葉的疲勞，使救援無(wú)人機(jī)能在氣候條件不穩(wěn)定的情況下也能最小受到風(fēng)力的影響，采用直升機(jī)常見(jiàn)的無(wú)鉸式旋翼。EB260324-D1BF-4738-99F8-B5D127221CFB無(wú)人機(jī)的組合與分離：該設(shè)計(jì)方案采用四個(gè)無(wú)人機(jī)組成一個(gè)整體，在救援時(shí)展開(kāi)為四個(gè)相分離的無(wú)人機(jī)，在空中構(gòu)筑一個(gè)基于XY水平面的“救助網(wǎng)”，使得救援艙可到達(dá)任意位置?？郏嚎垩b置采用三個(gè)步驟進(jìn)行連接部位的固定。與救援無(wú)人機(jī)繩索連接的為子扣，與消防員胸口固定的為母扣，材料使用中合金鋼，在高溫中仍有較高、穩(wěn)定的強(qiáng)度。當(dāng)繩索下降到消防員胸前時(shí)，消防員將子扣的圓盤(pán)插空放入胸前裝置中，再將四個(gè)子扣旋轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的母扣中間，選好后摁下子扣與母扣中間的圓盤(pán)，母扣最右邊的卡槽升起隔板，防止子扣滑出，進(jìn)一步進(jìn)行固定。綁帶蓄冷劑：綁帶交叉由后背綁于消防員胸前，胸前部分為連接裝置對(duì)應(yīng)的等邊六邊形狀，綁帶使用尼龍材質(zhì)。在綁帶的胸前部分、肩膀部分與背后部分放入隔冷板和化學(xué)蓄冷劑，當(dāng)外界溫度過(guò)高時(shí)，觸發(fā)蓄冷劑發(fā)揮作用，尤其位于胸口部位的蓄冷劑能快速降低人體心肺處的熱量，達(dá)到降溫的最佳效果。（四）材料選擇該救援裝置采用防火鍍鋅鋼板作為外殼，有質(zhì)量輕、剛度大、抗沖擊性良好等優(yōu)點(diǎn)，能夠廣泛地應(yīng)用于飛行器材的結(jié)構(gòu)配置，更加注重防火耐高溫、有較強(qiáng)的電磁干擾能力、強(qiáng)度高。起落架、機(jī)翼材料及固定裝置均由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)成，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、耐熱性好的特點(diǎn)，可減少惡劣的森林火場(chǎng)環(huán)境的影響，同時(shí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料擁有出色的抗熱沖擊性，能使它在熊熊烈火中保持穩(wěn)定的狀態(tài)，精確定位投擲繩索?；A(chǔ)材料表面噴涂耐高溫涂料，加強(qiáng)其耐熱性能。救援繩索根據(jù)中華人民共和國(guó)公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)消防用防墜落裝備，使用的材質(zhì)為芳綸，其阻燃耐高溫的特性有利于消防員安全逃脫。（五）使用流程設(shè)計(jì)為了使消防員能夠以最快的速度逃出火場(chǎng)，在兼顧消防員所在地火勢(shì)情況的同時(shí)，要減少撤離時(shí)的操作步驟。第一，在森林滅火的過(guò)程中，該設(shè)計(jì)方案裝置在森林火場(chǎng)周?chē)?，風(fēng)向發(fā)生變化導(dǎo)致火勢(shì)不可控制時(shí)，森林消防員通過(guò)腰掛定位裝置發(fā)出求救信號(hào)后，該設(shè)計(jì)裝置實(shí)時(shí)接收求救信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行定位，以便找到求救消防員。第二，該設(shè)計(jì)裝置接收到信號(hào)之后，整體飛向求救位置，并投擲滅火彈，使求救消防員周?chē)鸁o(wú)大火，保護(hù)消防員的生命安全。第三，展開(kāi)裝置為四個(gè)無(wú)人機(jī)并滑動(dòng)牽引器，放下救援平臺(tái)，救援平臺(tái)到達(dá)地面后，待救援的消防員可進(jìn)入到救援平臺(tái)，然后救援平臺(tái)上升通過(guò)導(dǎo)軌傳動(dòng)裝置將被救援的消防員運(yùn)送到無(wú)人機(jī)的救援倉(cāng)。第四，消防員進(jìn)入救援倉(cāng)后頂部降溫裝置將噴出冷卻氣體，被救人員可戴上呼吸面罩進(jìn)行臨時(shí)急救，最后可關(guān)閉艙門(mén)離開(kāi)。三、設(shè)計(jì)方案主觀(guān)可用性評(píng)估可用性是以人為中心，從人的角度看產(chǎn)品是否易于使用、高效、并使人感到滿(mǎn)意[5]。由于該方案無(wú)法開(kāi)發(fā)出實(shí)物，因此可用性評(píng)估對(duì)象將使用3D打印的模型進(jìn)行。采用專(zhuān)家訪(fǎng)談法邀請(qǐng)多名具有撲火經(jīng)驗(yàn)的消防員對(duì)所做的裝置模型在材料、結(jié)構(gòu)、外形、功能設(shè)