高原高寒多功能組合式防疫洗消方艙的設計

余龍超，朱一嘉，陳 威，姚宏武，王偉利*，劉運喜*

（1.蘇州江南航天機電工業(yè)有限公司，江蘇蘇州215300；2.解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學中心，北京100039）

0 引言

國內(nèi)外一直高度關注和持續(xù)開展防疫洗消技術和裝備的研究，主要集中于軍用核生化洗消裝備、器材與洗消藥劑等方面[1-9]，并不斷對其進行升級換代。我國已擁有常規(guī)條件下對多種對象實施洗消作業(yè)的多功能快速洗消裝備，形成了功能較為全面、技術手段較為齊全的裝備體系，部分技術性能和智能化程度甚至超過國外產(chǎn)品[10-12]。高原高寒地區(qū)作為我國主要的少數(shù)民族聚居區(qū)和重要的國防前哨，逐漸成為了應急救災或軍事演練等保障任務的重點區(qū)域。但由于高原地區(qū)海拔高，地形、地勢和氣候復雜，不利于現(xiàn)有多種保障裝備的長期轉運，且高寒環(huán)境容易影響裝備性能，不利于災害救援保障任務的正常開展，尤其是防疫洗消任務。

本研究針對當前國內(nèi)高原高寒地區(qū)缺乏集人裝洗消和環(huán)境消殺功能于一體的裝備現(xiàn)狀，開展雙擴式人員洗消方艙、車輛裝備半自動洗消裝置、防疫洗消車的集成技術研究，研制能適用于高原高寒地區(qū)、具有多功能集成、簡便化運輸特點的組合式防疫洗消方艙（以下簡稱“集成方艙”），從而保障高原高寒地區(qū)災害救援防疫洗消任務的順利開展。

1 需求分析和功能定位

1.1 需求分析

高原高寒地區(qū)的防疫洗消任務目前面臨的挑戰(zhàn)和需求主要包括以下幾個方面：（1）人員需分別攜帶不同種類、不同功能的防疫洗消裝備，繁多的裝備攜帶嚴重降低了工作效率，耗費了大量人力、物力。因此需集成多種防疫洗消裝備，實現(xiàn)簡便化轉運。（2）高原環(huán)境下高寒、缺氧，容易導致發(fā)動機功率或電池蓄電能力下降，很多設備難以在高原正常使用。參考部分發(fā)動機手冊中的相關內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，當海拔高度達到3 000 m 時，發(fā)動機的功率會下降20%～30%；而高度達到4 500 m 時，發(fā)動機功率則會下降50%，電池的蓄電能力不及常溫下的50%。因此，高原高寒環(huán)境要求發(fā)動機或電池必須具備較大的儲備動力或相應的保溫性能，以滿足現(xiàn)場作業(yè)的需要。（3）高原高寒環(huán)境下裝備的水道管路容易凍結發(fā)生破裂，需研究對應的保溫措施。

1.2 功能定位

針對以上需求，結合現(xiàn)有技術和裝備現(xiàn)狀，本研究將研制同時適用于高原高寒地區(qū)和常規(guī)地區(qū)應急災害救援的具有衛(wèi)生防疫功能的集成方艙。集成方艙的基本功能定位主要包括：（1）設備或裝備在高寒環(huán)境下能正常工作且作業(yè)時間滿足消殺效果時限要求；（2）具有人員洗消功能，可同時對站姿、坐姿、臥姿人員進行洗消；（3）具有車輛裝備洗消功能，能對小型車輛等裝備進行洗消；（4）具有環(huán)境消殺功能，能在駐地周圍開展消毒殺蟲作業(yè)。

2 整體設計

2.1 整體組成

集成方艙由雙擴式人員洗消方艙、車輛裝備半自動洗消裝置和防疫洗消車組成，主要將艙體設計為人員洗消艙室，通過對人員洗消方艙進行標準化設計滿足通用運輸要求。同時優(yōu)化艙內(nèi)布局，使其能在艙內(nèi)搭載防疫洗消車和車輛裝備半自動洗消裝置。

2.2 總體技術布局

集成方艙的研制主要涉及三大模塊：人員洗消、車輛裝備半自動洗消和防疫洗消。通過設計三大模塊的功能，再利用集成技術將三大模塊集成于標準尺寸的方艙，從而形成多功能的集成方艙，收攏及展開狀態(tài)如圖1 所示。

2.3 工作流程

集成方艙的組成原理是將雙擴式人員洗消方艙作為人員洗消平臺以及車輛裝備半自動洗消裝置和防疫洗消車搭載平臺。集成方艙運到現(xiàn)場后，雙擴式人員洗消方艙脫離運輸?shù)妆P落地。展開方艙后，移出艙內(nèi)的車輛裝備半自動洗消裝置和防疫洗消車分別進行洗消作業(yè)。集成方艙的整體工作流程如圖2 所示。其中雙擴式人員洗消方艙主要對人員進行洗消，車輛裝備半自動洗消裝置主要對裝備進行洗消，防疫洗消車主要對周圍環(huán)境進行洗消。

2.4 雙擴式人員洗消方艙設計

2.4.1 方艙布局設計

方艙分為兩部分：（1）前部為固定艙體，作為設備間。設備間分左、右2 個部分，右側內(nèi)設配電箱、洗消模塊和酸性氧化電位水生成裝置；左側分上、下2層，分別設置洗消輔助設備水箱、高壓清洗機、暖風機、空壓機等。（2）后部為雙側擴展形式，如圖3 所示，作為洗消空間。通過上翻式隔墻將洗消區(qū)域分為2 個洗消通道，一個為站姿人員洗消區(qū)，另一個為臥姿人員洗消區(qū)或坐姿人員洗消區(qū)。

圖3 雙擴式人員洗消方艙擴展后的洗消區(qū)域

2.4.2 方艙基本結構

方艙采用鋁蒙皮聚氨酯夾芯大板式結構，收攏狀態(tài)的外形尺寸符合GJB 6109—2007《軍用方艙通用規(guī)范》中CAF60 方艙系列要求（長×寬×高：6 058 mm×2 438 mm×2 438 mm），擴展比大于1.8。方艙采用大板鑲嵌于主框架的結構形式，艙體各板由鋁合金骨架、硬質聚氨酯泡沫塑料夾芯板、隔熱材料、內(nèi)外金屬蒙皮等構成。

2.4.3 方艙擴展設計

方艙擴展采用平行連桿運動設計原理，通過人員一次操作推拉方艙側板，使側頂板帶動側底板進行聯(lián)動性的展開或收攏，打開端板即可使用。另外方艙底部設有滑軌，展開后無需進行側艙的調(diào)平。手動推拉翻板式雙側擴展方艙艙體擴展機構相對簡單，其擴展或收攏時間較短，一般2 名操作人員在3 min內(nèi)即可輕松完成。具體過程如下：

（1）方艙展開時，通過人工拉動側板，導向桿隨推力迅速伸展，其中側頂板、側底板完全展開并固定。然后側端板通過鉸鏈旋轉軸旋轉至側頂板、側底板和側板完全閉合狀態(tài)。

（2）方艙收攏時，先推動側端板旋轉至收攏狀態(tài)，再通過輔助工具拉側板端（側頂板與側板連接部位）。側頂板向下收攏的同時通過帶動鋼絲繩、滾輪，使側底板沿平行四邊形的軌跡進行收攏。最后人工推動側板使完全收攏到位并固定。擴展示意圖如圖4所示。

2.4.4 擴展艙體密封設計

艙體拼裝時各板與主框架接縫處、外包邊與各大板接觸面全部涂覆高強度結構膠，外部所有鉚釘均帶膠鉚接，且鉚釘頭內(nèi)帶膠塞鋁絲，所有外包邊邊緣打膠密封，如圖5 所示。艙體上所有出入門及孔口門等位置均設有防雨密封條，擴展端板孔口門設有橡膠密封條。擴展艙由5 塊活動板組成，擴展后各擴展板接縫處的密封是整個艙體密封的關鍵。擴展板四周設計專用異形鋁型材包裹，安裝多重密封條進行密封，各板拐角處根據(jù)縫隙形狀設置密封堵塊，以保證擴展艙體的密封性。擴展艙體頂板及底板、固定艙頂板及底板是聯(lián)動的，接縫處通過特制的密封膠條進行密封，擴展后接縫的數(shù)量較同類型擴展艙少，提高了方艙的整體氣密性。

圖4 雙擴式人員洗消方艙擴展示意圖

2.4.5 方艙地板設計

設備間地板采用耐蝕性高的5A02 花紋鋁板。該地板在大板壓制時作為大板內(nèi)蒙皮整體壓制，避免了地板2 次鋪裝出現(xiàn)邊縫造成地板清洗困難。洗消間地板采用現(xiàn)場澆注工藝，能對艙體底板各邊縫起填充密封作用，避免了洗消廢水滲進拼艙縫隙。澆注地板的主要材料為聚氨酯地板膠、催化劑和單組分聚氨酯密封膠PU40。

圖5 雙擴式人員洗消方艙擴展艙體的密封結構示意圖

2.4.6 人員洗消設計

2.4.6.1 分區(qū)設計

人員洗消艙展開后分為3 個區(qū)域：中間部分為淋浴消毒區(qū)；雙擴部分其中一側為預處理區(qū)，是人員進入通道和初步處理區(qū)域；雙擴部分另一側為穿衣區(qū)，是人員穿衣區(qū)域和離開通道。

2.4.6.2 洗消流程

預處理：受污染人員在專業(yè)技術人員的指導和協(xié)助下進入預處理區(qū)，根據(jù)情況采用適當方法處理服裝表面污染，脫下全部衣物，放入污衣袋；之后進行手衛(wèi)生。

洗消操作：受污染人員進入淋浴消毒區(qū)，使用淋浴消毒設備進行全身清洗、消毒。如果行動不便，則由專業(yè)人員協(xié)助進行坐姿或臥姿洗消。

洗消后操作：受污染人員洗消完成擦干身體后進入穿衣區(qū)，穿上干凈衣物，離開方艙。

2.4.7 關鍵系統(tǒng)設計

水路系統(tǒng)為雙擴式人員洗消方艙的關鍵系統(tǒng)。整艙水路系統(tǒng)由艙外供水裝置、洗消系統(tǒng)、供水管路、底板導水槽、污水回收裝置等部件組成。外界供水設置2 種方式，一種是通過凈水車或市政供水直接供給酸性氧化電位水生成裝置，另一種是通過潛水泵將儲存在軟體水罐內(nèi)的潔凈水供給酸性氧化電位水生成裝置生產(chǎn)電解水存儲在艙內(nèi)儲液箱。洗消機抽取儲液箱內(nèi)的消毒液加熱后輸送至洗消間進行人員洗消作業(yè)。洗消廢水匯集于洗消間地板四周水槽，通過艙體底部排水管排放至艙外。排水管采用快速接頭，可外接污水囊回收污水。

洗消系統(tǒng)由酸性氧化電位水生成裝置、儲液箱、洗消機增壓泵、洗消機、管路等組成。洗消機內(nèi)供水管路采用焊接加工，耐用性高，同時，管道多處設置卡環(huán)快裝連接，易于拆卸檢修和維護。每組洗消位的管路均設置活結，便于安裝和檢修。洗消機的重要組成部分加熱系統(tǒng)主要由盤管式加熱器、離心風機和高壓油泵以及高壓電子點火系統(tǒng)共同組成。其工作原理為：當水泵將水輸送給加熱器內(nèi)部盤管時，風機啟動給加熱器送風的同時帶動高壓油泵旋轉，將油箱內(nèi)的柴油吸入并加壓（壓力0.10～0.14 MPa），由油泵電磁閥來控制是否輸出高壓油，輸出的高壓油通過安裝在燃燒器內(nèi)部頂端的噴油嘴進行霧化，形成噴射。同時2 根點火電極進行點火，高壓電極兩端產(chǎn)生14 kV 的高壓電弧，電弧將霧化的柴油油霧點燃。點燃后的火焰加熱盤管，然后通過盤管和盤管內(nèi)部的水進行快速換熱，以達到加熱水的作用。

2.5 車輛裝備半自動洗消裝置設計

車輛裝備半自動洗消裝置主要由防疫洗消劑儲存裝置、龍門式噴淋架、多角度噴淋系統(tǒng)和洗消池污水回收系統(tǒng)等構成（如圖6 所示）。龍門式噴淋架采用快速拆卸的結構，以便在作業(yè)現(xiàn)場可以快速組裝投入工作。消毒水噴頭焊接在水管上，可調(diào)整噴嘴角度、水壓、噴速和噴淋距離，以應對環(huán)境因素（如風速）和洗消裝備外形的影響。洗消車輛時，對被洗消車輛的四面均進行洗消，確保被洗消車輛離開保障營地時不攜帶污染物。對于不同高度的車輛，可調(diào)節(jié)龍門式噴淋架的高度對其進行洗消。

圖6 車輛裝備半自動洗消裝置示意圖

洗消水由艙外水囊接高壓水泵提供。通過在水囊內(nèi)加入消毒殺蟲復配劑或有效氯混合作為洗消用水，或利用艙內(nèi)的酸性氧化電位水生成裝置產(chǎn)生的電解水存儲在水囊內(nèi)作為洗消用水，洗消劑的選擇依據(jù)洗消裝備和環(huán)境來定。高寒環(huán)境下可在水囊內(nèi)添加防凍劑，防止水路結冰堵塞。

2.6 防疫洗消車設計

防疫洗消車由小型全地形車搭載電動噴霧機來實現(xiàn)營地的環(huán)境消殺作業(yè)，如圖7 所示。作業(yè)結束后防疫洗消車可開進洗消方艙內(nèi)，將車輪用荊輪收緊帶固定在方艙內(nèi)隨整艙運輸。電動噴霧機選用超低容量或常量噴霧機，適用于大面積疫情或大型場館的殺蟲和空氣消毒。

圖7 防疫洗消車示意圖

3 技術先進性

3.1 優(yōu)化設計

為應對高原高寒地區(qū)復雜的氣候環(huán)境，對部分設備進行了優(yōu)化設計，主要體現(xiàn)在：（1）雙擴式人員洗消方艙內(nèi)暖風道采用一體成型工藝，取消了原分段式風道的內(nèi)撐桿，降低了氣流阻力，提高了熱效率。（2）車輛裝備半自動洗消裝置中的管路包裹了伴熱帶，可防止高寒環(huán)境下水管出現(xiàn)凍裂、結冰堵塞等現(xiàn)象。（3）防疫洗消車搭載的電動噴霧機其動力單元鉛酸蓄電池改用磷酸鐵鋰電池，能保證在-25 ℃環(huán)境下連續(xù)工作6 h，且常溫環(huán)境下僅2 h 左右可將電池組電量充滿。

3.2 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)采用觸摸屏控制，可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）是整個控制系統(tǒng)的核心，用于控制電磁閥、潛水泵、洗消機、氣泵等裝置的運行，實現(xiàn)進水、供水、排水、加熱和報警等功能以及各功能之間的互斥保護。加熱系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：（1）加熱系統(tǒng)集成化程度高，內(nèi)置2 臺高效率加熱器，一備一用，智能切換，可以應對各種突發(fā)狀況且能長時間連續(xù)不間斷工作。（2）控制系統(tǒng)采用寬溫級觸摸屏及車用級寬溫遠程終端單元（remote terminal unit，RTU）控制器，穩(wěn)定、可靠，能夠在極限環(huán)境下正常使用。系統(tǒng)控制理論先進，對加熱系統(tǒng)的控制基于PID（proportion integration differentiation）智能控制算法，采用智能無極可變脈沖式控制方式，使出水水溫穩(wěn)定度高，反應速度快。（3）采用專門應對高原特殊環(huán)境的系統(tǒng)控制機制，具有獨立的高原反應模式，使設備最大限度適應各種極限環(huán)境。（4）具有對設備運行所需的各種參數(shù)（例如壓力、流量、溫度等）的在線監(jiān)測、在線故障診斷功能。

3.3 酸性氧化電位水生成裝置

利用電化學活化（electrochemical activation，ECA）技術，僅以鹽和水為原料，通過陶瓷納米隔膜的電解槽可生產(chǎn)出高濃度、高穩(wěn)定性的溶液，pH 值在5.0～8.0 范圍任意調(diào)節(jié)，有效氯濃度為500～800 ppm（1 ppm=1×10-6），氧化還原電位（oxidation-reduction potential，ORP）值達1 100 mV 以上。常溫條件下密閉遮光保存1 a，其有效氯濃度下降不超過6%。且整個生產(chǎn)過程不存在任何潛在危害，能夠廣泛應用于多個領域的殺菌消毒。

3.4 高壓噴淋裝置

高壓噴淋裝置為滿足集成方艙的容積要求高度集成，盡可能地減小體積，以達到方便運輸、快速部署的目的。其具有以下優(yōu)點：

（1）主機內(nèi)置高壓、大流量柱塞泵，穩(wěn)定、可靠、易維護。還內(nèi)置有獨立供水泵，專門給柱塞泵供水，可以長時間連續(xù)不間斷工作。柱塞泵配套電動機采用新一代高效率電動機，自帶熱保護功能，具有體積小、噪聲低等特點。

（2）控制系統(tǒng)原理與加熱系統(tǒng)一致，可以同時進行龍門式噴淋架車輛洗消、高壓噴槍洗消。且2種工作模式下均可自動進行比例藥劑配比，反應速度快。

（3）操作界面可視化，一鍵啟動，操作簡單，無需專業(yè)培訓。同時，具有各種參數(shù)在線監(jiān)測、在線故障診斷以及保養(yǎng)維護提示的功能。

4 應用效果

集成方艙在青海格爾木進行了現(xiàn)場測試及應用示范，如圖8 所示。在環(huán)境溫度為-16 ℃、海拔為3 540 m 的條件下，主要試驗結果如下：

（1）在18 min 內(nèi)展開了集成方艙（車輛裝備半自動洗消裝置和防疫洗消車不展開的狀態(tài)下）。

（2）在60 min 內(nèi)組裝完成車輛裝備半自動洗消裝置。

（3）在方艙內(nèi)測試出水溫度，調(diào)節(jié)溫控開關可實現(xiàn)水溫控制在38～42 ℃。

（4）集成方艙各組成部分功能配套，運輸、使用操作方便；設備間內(nèi)各設備設施取用方便、操作簡單；電氣系統(tǒng)控制面板為液晶觸控，內(nèi)置操作軟件，符合智能化控制。

（5）設備設施布局合理，有保養(yǎng)和維修空間，結構件無干涉現(xiàn)象，具有較好的保養(yǎng)維修性。

圖8 高原高寒多功能組合式防疫洗消方艙應用示范現(xiàn)場圖

5 結語

本文研制的集成方艙具備“一艙多用”的特點，在充分借鑒已有成熟產(chǎn)品、裝備的基礎上對各子系統(tǒng)進行集成化設計，便于裝載運輸和快速展開使用。整個集成方艙在有限的空間內(nèi)綜合集成了各種洗消設備設施，布局合理、自動化水平高、技術先進，最大限度地降低了占用的空間資源和運輸成本，且可實施性較強，進一步突破了各裝備的適用環(huán)境范圍（比如海拔和溫度）。此外，集成方艙符合國際集裝箱標準，在運輸、調(diào)運和部署上快速便捷，從而實現(xiàn)高效的消殺作業(yè)，填補了國內(nèi)此類裝備的空白，全面提升了高原高寒地區(qū)應急保障現(xiàn)場人員、裝備與環(huán)境的消殺綜合保障能力，具有廣闊的應用前景。但在高原高寒地區(qū)實際應用中也發(fā)現(xiàn)了以下亟須改進的問題：一是洗消水量、管道水路流量及其管道直徑需精確計算，從而確保積水能及時排空；二是在大風環(huán)境下，龍門式的裝備洗消效果不理想，需對龍門式噴淋架進行改進，加強整體框架的強度，并對洗消噴嘴進行優(yōu)化。