新型多功能森林消防背包的設(shè)計(jì)研究

江楠，時(shí)新，郭園

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

近年來，極端氣候事件頻現(xiàn)，所引發(fā)的災(zāi)害與日俱增，其中森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)總體呈上升趨勢(shì)。據(jù)媒體報(bào)道，2017 年美國(guó)加州舊金山灣區(qū)發(fā)生林火，2019 年澳洲發(fā)生叢林大火，2010、2021 年四川涼山州發(fā)生森林火災(zāi)等，造成了財(cái)產(chǎn)損失和人員的傷亡。

森林防火裝備的水平一定程度上決定了森林火災(zāi)撲救的成敗。先進(jìn)的撲火裝備可以及時(shí)控制林火，盡可能地降低損失。西方發(fā)達(dá)國(guó)家在森林撲火方面主要采用空中大型滅火飛機(jī)、直升機(jī)噴灑滅劑或水滅火系統(tǒng)，地面則采用機(jī)動(dòng)泵和人力水槍等配合。而我國(guó)目前面對(duì)突發(fā)的森林火災(zāi)主要依靠人力和使用近距離滅火工具進(jìn)行撲救工作。由于森林火災(zāi)的地域性特征十分突出，消防人員滅火作業(yè)效率低下，且難以預(yù)判危險(xiǎn)，承受著極大的考驗(yàn)與風(fēng)險(xiǎn)。因此，立足于我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展，以及以人為本的科學(xué)發(fā)展觀，提出適合我國(guó)消防事業(yè)的新型撲火裝備概念，打造一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效的單兵撲火裝備非常有必要，以此來有效地降低森林災(zāi)害中的經(jīng)濟(jì)損失以及消防員的傷亡率。

1 現(xiàn)有森林消防背包產(chǎn)品分析

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果表明，森林撲火中常見的人身傷害事故有以下幾種：被林火直接燒傷甚至燒死；火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)空氣一氧化碳含量過高，撲火人員吸入過量一氧化碳而導(dǎo)致窒息傷亡；消防員撲火中受斷木或滾石壓傷或砸殘等；因山林地勢(shì)等原因?qū)е孪绬T跌落山崖摔傷甚至摔死；消防員滅火中操作失誤導(dǎo)致傷及自身或其他消防員。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類對(duì)森林火災(zāi)認(rèn)識(shí)的不斷深入，我國(guó)對(duì)消防事業(yè)高度重視起來，消防裝備的相關(guān)研究也日漸增多，但市場(chǎng)上的創(chuàng)新研發(fā)主要針對(duì)消防器械。與消防隔熱服和消防頭盔等消防裝備相比，消防背包的自主創(chuàng)新方面關(guān)注度較低。市場(chǎng)上現(xiàn)有的消防應(yīng)急救援（逃生）包或森林消防背包，主要是基于普通運(yùn)動(dòng)背包或登山包改良而成，背包空間進(jìn)行簡(jiǎn)單功能分區(qū)，分類收納，主要容納水帶等基本滅火設(shè)備與工具。如某廠生產(chǎn)的DN25/40 型號(hào)的森林消防專用水帶背包、森林消防救援背包，尺寸為：44cm×24cm×53cm，包內(nèi)主要容納30 米森林消防水帶四至五盤，左右側(cè)插分類放置水槍或管牙接口等小配件，材質(zhì)采用耐磨且防撕裂的帆布。某款森林消防水帶便攜收納包，內(nèi)部采用鋁管支撐結(jié)構(gòu)，外觀造型更為方正，內(nèi)部空間用于裝納水帶，背包頂部設(shè)計(jì)兩個(gè)小兜，用于放置消防員小型物品等。此外，如消防員背負(fù)風(fēng)力滅火機(jī)，則配備斜挎包，用于攜帶些基本的物品，此類挎包與日?？姘鼰o異。相關(guān)的理論研究主要偏重于森林防火管理與機(jī)制，時(shí)尚箱包與文化、背包中的人機(jī)工程學(xué)，以及防火材料等方面的研究。

總體而言，目前市場(chǎng)上的森林消防背包，僅具備簡(jiǎn)單的裝載水帶為主的滅火工具的作用，功能單一，作用有限，并不符合野外作業(yè)的消防員對(duì)背包的基本功能需求。設(shè)計(jì)更是缺少人性化、美觀性以及智能化的創(chuàng)新。

2 新型多功能森林消防背包定位及功能設(shè)計(jì)

森林消防是一項(xiàng)應(yīng)急處理工程，具有非常高的專業(yè)性，與一般工作相比，森林撲火作業(yè)處于極其復(fù)雜和危險(xiǎn)的工作環(huán)境。隨著國(guó)家對(duì)保護(hù)大自然生態(tài)環(huán)境的重視，各類森林消防裝備不斷地推陳出新，消防員攜帶的小型裝備越來越微型且多樣化，方便工作人員背負(fù)裝備在林區(qū)內(nèi)進(jìn)行日常消防安全檢查，或者快速將相關(guān)設(shè)備帶到火場(chǎng)展開撲火工作，提升消防人員的救火戰(zhàn)斗力，可有效地減小因火災(zāi)帶來的損失，降低救火人員的傷亡率。因此，設(shè)計(jì)精良的消防背包是森林消防員及林區(qū)相關(guān)工作人員隨身攜帶的必要裝備之一，除了具有裝納火場(chǎng)撲火所需各類裝備的功能之外，還要考慮收納日?；馂?zāi)預(yù)防工作中的防火林帶撫育和防火隔離帶開設(shè)所需要用到的砍刀、斧子、耙子、鋸和鍬等組合工具。

首先，分析了森林火場(chǎng)的環(huán)境特征，詳細(xì)研究了從消防員接到火情通知，到奔赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行滅火的整個(gè)流程，尤其對(duì)背載物品需求進(jìn)行了深入分析，接著比較分析了現(xiàn)有消防相關(guān)的背包設(shè)計(jì)。最后，提出一款用于森林場(chǎng)景具有一定智能功能的多功能消防背包設(shè)計(jì)。背包在森林救火過程中輔助消防員實(shí)施撲火作業(yè)，以及在救火過程中遇到大火包圍或風(fēng)向改變導(dǎo)致爆燃等緊急情況，為消防員提供防護(hù)，提高消防員工作效率及生存率。

2.1 利用人機(jī)功能學(xué)分析，優(yōu)化背包的用戶體驗(yàn)

利用人機(jī)工程學(xué)原理對(duì)背包中的滅火裝備進(jìn)行合理空間布局和規(guī)劃，背包設(shè)置三個(gè)工具包以及一個(gè)急救包，工具包分布在消防背包側(cè)面和正面，根據(jù)工具使用頻率合理規(guī)劃分區(qū)，方便消防員在作戰(zhàn)時(shí)快速選取、收納工具，提高工作效率。消防背包正面分布一個(gè)工具包和急救背包。工具包收納逃生繩、伐木斧、砍刀、手鋸等小型作戰(zhàn)工具。醫(yī)療急救包配置簡(jiǎn)單的急救藥物如消毒棉棒、紗布、繃帶、冰袋、創(chuàng)可貼等，醫(yī)療急救包可拆卸，方便快速進(jìn)行急救處理工作。背包兩側(cè)配置的工具包則一側(cè)收納撲火拍、兩節(jié)連桿，一側(cè)收納鐵鍬、五齒耙等作戰(zhàn)工具，因這兩兩組合的工具配合使用效果最佳，將其一并收納，方便消防員快速選擇工具，提高作戰(zhàn)效率。

該消防背包由于包含消防工具以及防護(hù)空間結(jié)構(gòu)，具有一定的重量，因此考慮消防員背負(fù)時(shí)的舒適性和便攜性，且注意背包裝滿物品后的左右上下配重關(guān)系，在背包的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行符合人機(jī)工程學(xué)的研究與設(shè)計(jì)。背包的背板形狀取決于人體背部類“S”型的曲線形狀，與人體背部貼合，能夠有效并且合理地支撐背包重量，拉近背包與人體的距離，方便行動(dòng)。此外，背包設(shè)置肩部受力帶，可將部分重量轉(zhuǎn)移到人體的肩部，設(shè)置腰帶將背包部分重量分擔(dān)給腰部。該設(shè)計(jì)能夠使背包與人體很好地貼合，均勻分擔(dān)背包重量，適合長(zhǎng)途步行，且在消防作戰(zhàn)時(shí)不會(huì)約束行動(dòng)。

2.2 特殊防火材質(zhì)和拓?fù)渥冃握郫B結(jié)構(gòu)的結(jié)合，給予安全保障

消防員如遇特殊地形等突發(fā)狀況，不得不暫時(shí)性采取躲避措施，一般使用防火袋進(jìn)行防護(hù)。但是，防火袋的使用首先需要尋找平坦的地面，而且在火勢(shì)兇猛的緊急情況下要求消防員能迅速反應(yīng)并準(zhǔn)確鋪設(shè)，應(yīng)用防火袋來躲避就顯得比較繁瑣且不可靠。在單兵作戰(zhàn)中，防火包又存在便攜性問題，防火斗篷在森林防火中保護(hù)效果有限。市場(chǎng)上未有將防護(hù)功能運(yùn)用到消防背包上的設(shè)計(jì)，因此該背包運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)實(shí)驗(yàn)和拓?fù)渥冃握郫B結(jié)構(gòu)，研究幾何圖形在連續(xù)改變形狀后仍然保持不變的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)背包部分結(jié)構(gòu)的變形功能，為消防人員提供一個(gè)小型的防護(hù)空間。考慮消防背包的負(fù)重以及人體在緊急事件下的躲避姿勢(shì)多是趨于放低重心的姿勢(shì)，例如蹲下、趴下等。該防護(hù)空間能夠容納成年男性蹲下所形成的體積以及留有一定的活動(dòng)空間，根據(jù)我國(guó)成年男性的平均身高數(shù)據(jù)以及結(jié)合其或蹲或坐時(shí)活動(dòng)范圍區(qū)間的分析，設(shè)定防護(hù)空間平展開的尺寸為1200 mm×2000 mm，立體空間大約為288 L。

防護(hù)空間所采取的材料強(qiáng)度高，耐磨耐折，材料在加工時(shí)進(jìn)行特殊處理，使其具有固定的折痕，能夠規(guī)律地收折在背包內(nèi)。消防員在遇到因風(fēng)向改變等因素而突發(fā)的火場(chǎng)爆破情況時(shí)，可快速地取下背包，打開背包側(cè)面拉鏈?zhǔn)狗雷o(hù)空間展開，再打開背部的防護(hù)空間入口進(jìn)入躲避，消防員在空間內(nèi)部可蹲、可坐，不局限姿勢(shì)。消防員在日常訓(xùn)練時(shí)反復(fù)訓(xùn)練此步驟，在火場(chǎng)上就能快速做出反應(yīng)，縮短反應(yīng)時(shí)間，提供安全保障。

2.3 可組裝模塊化智能部件，提升消防背包的智能性

造成消防員傷亡的其中一個(gè)原因是火場(chǎng)的偵察不明，因指揮員與消防員、消防員與消防員的不及時(shí)，以及對(duì)火場(chǎng)消防員救援時(shí)的溝通不及時(shí)造成。本項(xiàng)目的消防背包結(jié)合智能硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)定位、報(bào)警、信息采集功能，及時(shí)為消防團(tuán)隊(duì)提供重要信息，方便團(tuán)隊(duì)成員之間溝通合作，為消防員作戰(zhàn)提供智能化輔助功能。智能配件根據(jù)智能配件的尺寸及背包人機(jī)工程學(xué)要求,將兩部分進(jìn)行合理分布。背包底部設(shè)置儲(chǔ)電模塊等體量較大、較重的模塊化裝置，這部分裝置在緊急需要減負(fù)時(shí)，便于拆卸丟棄；另一部分的定位、通訊、對(duì)講、照明和呼救，以及攝像等信息采集等電子裝置設(shè)置在左右肩帶內(nèi)。這部分設(shè)備主要用于成員之間交換信息，在遇到危急情況時(shí)，向身邊及總部發(fā)出危險(xiǎn)信號(hào)以及求助信號(hào)等，同時(shí)也可攝像，方便事后對(duì)撲火現(xiàn)場(chǎng)的各種情況進(jìn)行分析研究，總結(jié)撲火經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)等。智能部件充分體現(xiàn)出了模塊化設(shè)計(jì)理念，根據(jù)每次火情偵察情況，選擇合適的智能功能模塊，組裝到消防背包中。

3 新型多功能森林消防背包造型設(shè)計(jì)

3.1 樣式設(shè)計(jì)

此款智能型多功能消防背包在造型上沿用傳統(tǒng)消防背包的方形造型。背包外表面造型簡(jiǎn)潔大方，減小撲火過程中背包上各種卡扣、綁帶與森林中植物發(fā)生纏的繞機(jī)率，提升撲火與逃生效率。背包色彩采用橙色和黃色兩種警戒色為主體顏色，包的外側(cè)和左側(cè)均設(shè)置有反光條，可加強(qiáng)夜間視線不良或危急境況中的可見度。該背包的視覺形式追隨功能要求，背包將醫(yī)療急救包、工具包和防護(hù)空間有機(jī)結(jié)合，最小化狀態(tài)下的外形尺寸為400 mm×250 mm×600 mm，急救包可快速拆卸應(yīng)急，防護(hù)空間常態(tài)下折疊在背包里，可通過拉鏈從背包側(cè)面及背部打開，形成一個(gè)小型的躲避空間，防護(hù)空間展開后，尺寸可以達(dá)到400 mm×1200 mm×600 mm。結(jié)構(gòu)形態(tài)符合人體學(xué)要求，消防人員可快速準(zhǔn)確地操作消防背包的各項(xiàng)功能。

3.2 材料選擇

背包主體材料使用PU 涂層帆布和有機(jī)硅布復(fù)合材料，防水耐磨、輕便、使用壽命長(zhǎng)，適合野外作戰(zhàn)人員使用。防護(hù)空間的材料使用鋁合金阻燃纖維織物與真空鍍鋁膜的復(fù)合材料，其比重輕、強(qiáng)度高、阻燃、耐高溫、抗熱輻射、耐磨耐折，適合防護(hù)空間的折疊結(jié)構(gòu)。反光帶使用反光熱貼膜，具有極佳的反光效果，因而可加強(qiáng)行動(dòng)的人體在夜間視線不良時(shí)或危急境況中的可見度。

4 結(jié)語

本款智能型多功能背包是一款功能創(chuàng)新突出的新型消防背包產(chǎn)品。依據(jù)消防功能需求模塊，融入人性化設(shè)計(jì)理念，合理分配收納空間，優(yōu)化了消防背包的功能及結(jié)構(gòu)，加入智能化部件，以模塊化設(shè)計(jì)方法，賦予消防背包獨(dú)特的形式，提升消防員的綜合作戰(zhàn)能力，有效降低森林消防員的傷亡率，是一款實(shí)用性極強(qiáng)的產(chǎn)品。