極端事故背景下森林消防員自救逃生裝置設計

李先之　王依儂　任為為　袁曾愷

摘要：森林火災是世界性的難題，消防員在森林火災撲救過程中時刻存在高度危險，目前針對森林消防員在極端火災背景下的應急逃生裝備還存在較多問題。文章通過文獻資料分析、同類裝置分析等方法，從造型、結構、功能設置、人機交互、使用方式等方面進行創(chuàng)新設計，設計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威脅生命時提供使用方便的自救逃生裝置。

關鍵詞：森林火災;消防員自救;逃生裝置設計

隨著人類活動逐步延伸到森林中，導致森林火災出現(xiàn)的概率越來越高，一旦發(fā)生森林火災將造成財產(chǎn)損失，甚至重大人員傷亡，給滅火救援工作帶來極大的挑戰(zhàn)，也給森林消防員的人身安全帶來巨大的威脅[1]。森林火災給全球各個國家造成了極大的損失，森林消防員在森林火災救援過程中犧牲的事件時有發(fā)生，如2019年四川涼山州森林火災，一次性造成30位撲火人員犧牲。因此，設計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分析

近年來，全世界科研機構、企業(yè)以及學術界對森林消防員自救逃生裝置做了許多探索，極大地促進了森林消防員自救逃生裝置的發(fā)展與應用，這期間出現(xiàn)了一些實用性強，被森林消防員廣泛采用的自救逃生裝置。

美國在1977年率先研制出了火場自救逃生裝備——Fire Shelter避火罩（如圖1所示）。當撲火人員被林火或濃煙圍困時，撲火隊員快速打開避火罩并進入其中，可以避免燒傷或吸入煙氣造成的嚴重傷害。迄今為止，F(xiàn)ire Shelter已經(jīng)挽救了上百名撲火人員的生命，避免了無數(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)達國家，例如加拿大、澳大利亞、俄羅斯等國早在20世紀80年代就開始不間斷地研究、開發(fā)森林火場自救逃生裝備[2]。后來又研發(fā)出單人避火帳篷（如圖2所示），該裝置可預防爆發(fā)火、回旋火這類極端火對森林消防員的傷害，政府為每個森林消防員都配備了單人避火帳篷，當森林消防員被困火場，無法脫身時，可就地迅速挖出一個淺坑，依靠避火帳篷藏入坑中逃生，但人只能在該裝備內部呆15分鐘。

中國從2000年開始研究森林火場自救逃生裝備，研發(fā)了森林消防避火罩。但是受資金、技術等限制，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合材料，制成的三角形封閉罩體，在實際使用中外形穩(wěn)固性較差，容易塌陷，鋁箔復合材料外層容易破損、脫離，應急救生的時間短，保護撲火人員作用有限[2]。專利文獻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布罩，主支撐板架的左側表面設置有伸縮支撐骨架，伸縮支撐骨架外部包裹有防護布罩，逃生人員可鉆入防護布罩內部，防止被火焰燒傷;通過手把進行牽引，由主支撐板架下端兩個滾輪與路面進行滾動，方便進行攜帶移動，將肩扣用于卡扣在攜帶人員的雙肩上進行背負，腰帶綁接在攜帶人員的腰部，避免森林山路對本發(fā)明不方便攜帶的情況產(chǎn)生[2]。

專利文獻CN210409316U[4]公布了一種用于森林消防爬山虎式的火場生命救援車（如圖4所示），可以直接開進火場內部，在消防員身后，為消防員提供生命通道。突遇山火爆燃時，可進入快裝防火倉，開車逃離火場。在道路不通或是陷入低洼，可通過速動分離器將快裝防火倉與履帶式集材拖拉機底盤分離，等待救援直升機通過快裝防火倉頂部的吊裝鉤將快裝防火倉帶走，實現(xiàn)將消防員帶離火場，保障了消防員的生命安全。

通過比較以上產(chǎn)品，主要發(fā)現(xiàn)存在以下一些問題：現(xiàn)有的裝備通過就地隔離，裝置需要隨身攜帶極為不便，對森林消防員是極大的負擔;現(xiàn)有的裝備為避火罩，若遇大火，難以保護森林消防員的性命;現(xiàn)有的裝備多為避火帳篷，在其內部避火時間最長為15分鐘，避火時間過短;現(xiàn)有的部分裝備為火場生命救援車，遇到森林山路，救援車根本無法駛入。這些裝置在一定程度上能夠解決避火或逃離火場的問題，但由于避火裝置的短時效性和救援工具的地形限制因素，在極端森林火災環(huán)境下的森林消防員進行自救逃生方面仍存在一定的缺陷，無法同時解決避火和逃生的問題。

綜上，現(xiàn)有的裝備在極端森林火災背景下森林消防員進行自救逃生方面還存在一定的缺陷，文章將通過文獻資料分析、同類裝置分析、消防員訪談等方法，從造型、結構、功能設置、人機交互等方面進行創(chuàng)新設計，以期為消防員在極端火災面臨生命威脅時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計

（一）設計定位

1.用戶定位

在森林火災環(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具備快速移動和攀登、跨越障礙物功能，全方位應對不同地形自由移動以到達消防員位置，同時能自動調整角度將滅火終端對準火源方向。應具有探測功能，快速分析地形，根據(jù)地形作出相對應的輔助建議及不同方式的行動路線。應具有救助功能，將圍困在火場中心的被困人員通過安全方式進行緊急救助并送出至安全場地。應具有遠程遙控功能，通過無線通信讓使用者遠程監(jiān)控或者直接控制消防設備狀態(tài)及滅火救援行動的施展。應具有快速建立隔離帶功能，將火焰擴散范圍以最大效率控制住。

（二）外觀設計

在造型上，由四個單體無人機組成。色彩上，針對緊急情況的事故背景，根據(jù)我國消防設備通常以紅色為主，輔以黃色與白色的配色方案，該設計方案也采用經(jīng)典的紅黃配色，使該設備具有極佳的辨識度，從而引起高度的警覺和注意力。產(chǎn)品外觀圖如圖5所示。

（三）結構設計

無人機旋翼：市面上的四翼無人機大多采用每個旋翼為兩個槳，其運動結構較為簡單，不適用于中型尺寸無人機。多旋翼無人機槳葉尺寸越大，越難迅速地改變其速度，同時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，使救援無人機能在氣候條件不穩(wěn)定的情況下也能最小受到風力的影響，采用直升機常見的無鉸式旋翼。EB260324-D1BF-4738-99F8-B5D127221CFB

無人機的組合與分離：該設計方案采用四個無人機組成一個整體，在救援時展開為四個相分離的無人機，在空中構筑一個基于XY水平面的“救助網(wǎng)”，使得救援艙可到達任意位置。

卡扣：卡扣裝置采用三個步驟進行連接部位的固定。與救援無人機繩索連接的為子扣，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)定的強度。當繩索下降到消防員胸前時，消防員將子扣的圓盤插空放入胸前裝置中，再將四個子扣旋轉至對應的母扣中間，選好后摁下子扣與母扣中間的圓盤，母扣最右邊的卡槽升起隔板，防止子扣滑出，進一步進行固定。

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應的等邊六邊形狀，綁帶使用尼龍材質。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蓄冷劑，當外界溫度過高時，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，有質量輕、剛度大、抗沖擊性良好等優(yōu)點，能夠廣泛地應用于飛行器材的結構配置，更加注重防火耐高溫、有較強的電磁干擾能力、強度高。

起落架、機翼材料及固定裝置均由碳纖維增強復合材料構成，碳纖維增強復合材料具有高強度、耐熱性好的特點，可減少惡劣的森林火場環(huán)境的影響，同時碳纖維增強復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材料表面噴涂耐高溫涂料，加強其耐熱性能。

救援繩索根據(jù)中華人民共和國公共安全行業(yè)標準消防用防墜落裝備，使用的材質為芳綸，其阻燃耐高溫的特性有利于消防員安全逃脫。

（五）使用流程設計

為了使消防員能夠以最快的速度逃出火場，在兼顧消防員所在地火勢情況的同時，要減少撤離時的操作步驟。

第一，在森林滅火的過程中，該設計方案裝置在森林火場周圍待命，風向發(fā)生變化導致火勢不可控制時，森林消防員通過腰掛定位裝置發(fā)出求救信號后，該設計裝置實時接收求救信號，并對信號進行定位，以便找到求救消防員。

第二，該設計裝置接收到信號之后，整體飛向求救位置，并投擲滅火彈，使求救消防員周圍無大火，保護消防員的生命安全。

第三，展開裝置為四個無人機并滑動牽引器，放下救援平臺，救援平臺到達地面后，待救援的消防員可進入到救援平臺，然后救援平臺上升通過導軌傳動裝置將被救援的消防員運送到無人機的救援倉。

第四，消防員進入救援倉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行臨時急救，最后可關閉艙門離開。

三、設計方案主觀可用性評估

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、并使人感到滿意[5]。由于該方案無法開發(fā)出實物，因此可用性評估對象將使用3D打印的模型進行。采用專家訪談法邀請多名具有撲火經(jīng)驗的消防員對所做的裝置模型在材料、結構、外形、功能設置及使用流程等多方面進行主觀評價。評價結果表明，該設計方案對森林消防員在極端情況下自救逃生能起到較大作用。

四、結語

綜上所述，文章通過文獻資料分析、競品分析等方法，總結歸納了森林消防員自救逃生裝置存在的不足，設計了一款消防員自救逃生裝置，并在結構和救援方式上進行創(chuàng)新，最后通過專家訪談法，得出該設計方案實施可行性較高，以期為極端事故背景下森林消防員自救逃生裝置提供新的設計思路。

參考文獻：

[1]陸樂峰.加強森林防火管理，確保林業(yè)生態(tài)安全[J].科技創(chuàng)新與應用，2015（06）：184.

[2]靳松，平曉帆，趙南，等.森林防火自救逃生罩的設計研制和應用[J].林業(yè)勘查設計，2018（02）：91-93.

[3]朱昀汐.一種用于森林滅火的消防員逃生裝置[P].中國，110101988A，2019-08-09.

[4]彭金庫.一種用于森林消防爬山虎式的火場生命救援車[P].中國，210409316U，2020-04-28.

[5]王江濤，何人可.基于用戶行為的智能家居產(chǎn)品設計方法研究與應用[J].包裝工程，2021，42（12）：142-148.EB260324-D1BF-4738-99F8-B5D127221CFB