消防裤结构参数模糊正交优化

宁玲， 杨子田， 王丽

(东华大学 服装与艺术设计学院，上海 200051)

消防服[1]，又名消防灭火防护服，是为消防员在火场灭火战斗中保护自身而设计的一种防护服装，其防护性能直接关系到消防员的生命安全。尤其是昆山“8·2”爆炸事故[2]和天津港“8·12”爆炸事故[3]的发生，使人们更加关注消防安全。

设计消防服时，除应注意防护安全性外，活动舒适性也尤为重要[4]。服装结构设计的不合理，会限制消防员的正常作业与训练，影响作业效率，严重的可导致事故的发生[5]。目前，已有研究者从消防服结构设计的角度进行分析，以改善消防服的运动机能需求[6-7]，但缺少关于款式结构改进后服装关键结构参数进一步优化的研究。文中将从消防服活动舒适性改善角度，在前期对U公司现役消防裤款式改进的基础上，通过模糊综合评定和正交实验相结合的方法对裤装关键结构因子进行进一步研究，以探讨影响消防裤动态舒适性的主要因素和关键结构参数的最佳配伍。

1 实验设计

1.1 正交实验设计

应用人体工效学的活动适应性分割设计对U公司现役消防服进行款式结构改善，解决其消防裤立裆过大和膝部结构设计的不合理，使得新设计的消防裤结构符合消防作业下肢自然形态。根据优化后消防裤与现役消防裤的主观舒适性评价结果，发现新设计消防裤裆部和膝部的活动舒适性优于现役消防服，其细节和规格设计总体合理，但仍需改进，要注意立裆深、膝部加量等参数大小的设置。基于此，可通过正交设计进一步研究消防服裤装关键结构参数的设置，以提高消防裤裆部与膝部的活动舒适性。

1.1.1确定因素个数及水平 从款式实验结果和企业节约成本方面考虑，确定消防裤较优款式，正交实验的样衣款式如图1所示。考虑到大部分穿着U公司消防服的目标群体为现役消防员，其年龄为(22±4)岁，身高(175±5)cm，体质量(71±8)kg，故在正交设计时将消防裤号型设置为175/76A(L码)。

图1 消防服试样裤装款式 Fig.1 Basic style of the sample pants

人体下半身皮肤的主要伸展路线可概括为臀部—臀沟—大腿内侧—膝盖，当下肢运动时，在此线路上任一位置增加面积或距离，就会增加下肢运动功能[8]。因此，可选择臀围、立裆深、膝部加量作为正交实验设计方案裤装的结构因子，以探究其对裤装运动舒适性的影响，并寻求使消防裤动态舒适性相对较佳的关键结构参数组合。其中，膝部加量为前裤片膝关节处设置的适应前部膝关节活动的增量，具体说明如图2所示。同时，根据消防常见作业[9]：梯子训练、地面水带连接训练、高空水带连接训练和救援等，通过动作分解确定腿抬高45°、抬腿至90°、体前屈90°和完全下蹲为消防作业常见动作。参考相关学者利用体表描线法对人体运动所引起的皮肤变形量的研究与实验验证[10-11]，可归纳总结出消防常见动作下人体下肢关键部位对应的皮肤变形量，具体见表1。

图2 前膝部加量说明 Fig.2 Explanation of the front knee ease

Tab.1 Skin change rates of the legs %

由表1可知，175 cm成年男性臀围为92 cm左右，半臀围皮肤变化率为2.47%～6.59%，由于运动臀围所需的放松量约为5～12 cm，穿着内衣所需的放松量约为10 cm，臀围尺寸可以设计为107～114 cm。考虑到人体弯腰、下蹲时消防作业下肢活动需求较大，臀围取110 cm和114 cm两个水平进行正交实验。同样地，根据表1可知膝部活动松量需4.5～5.4 cm，考虑到消防裤内衣物的穿着，膝部加量的设置考虑6 cm和8 cm两个水平。而该实验体型男子的股上长约为25 cm，结合股上长皮肤变化量为0.5～1 cm，加上较宽松裤装裆底设计松量约为1～2 cm，实验裤装腰头宽设计为4 cm，则立裆深可设计为32 cm或33 cm进行参数组合配伍试验。消防裤正交实验因素水平汇总具体见表2。因此，本实验属于3因素2水平的正交实验设计，且不考虑因素间的交互作用，可选用L4(23)的正交表[12]设计消防裤,通过正交实验方案来制作样裤T1～T4，以代替全部的8种可能性，具体见表3。

表2 消防裤正交试验因素水平表

表3 消防裤正交实验方案

1.1.2样衣制作 根据GB/T 1335.1—2008《服装号型 男子》设置消防裤其余部位规格参数为：裤长102 cm，腰围88 cm，膝围56 cm，脚口44 cm。样裤T1～T4制作时选用白胚布，由同一人采用同一工艺，在同一台机器上完成，以避免样衣制作差异对样衣活动舒适性评价造成影响。

1.2 实验过程

选取5名适合穿着L码裤装的青年男性，对4条样裤进行着装实验和主客观评价，其身高区间为170～175 cm，体质量区间为59～72 kg，腰围区间为72～80 cm。实验在温度为(20±2)℃，相对湿度(65±2)%的人工气候室内进行。并根据消防常见作业，确定裤装舒适性主客观评价指标为静态、抬腿至90°、体前屈90°和完全下蹲状态下消防服试样裤装的动态舒适性。

1.2.1主观动态舒适性实验 采用七阶标尺[13]对4条实验裤装的动态舒适性进行主观评价，舒适评分值为1～7。其中：1代表相应动作下有严重拉扯、紧绷、压迫等不舒适感；3代表相应动作下明显感觉有拉扯、紧绷、压迫等不舒适感；5代表相应动作下轻微感觉有拉扯、紧绷、压迫等不舒适感；7代表相应动作下感到舒适，无拉扯、紧绷、压迫等感觉。

1.2.2客观压力测试实验 根据常见消防作业关节活动特点，实验选择表征下肢运动的关键人体特征点：腹突点(P1)、大腿前侧点(P2)、膝点(P3)和臀突点(P4)，进行裤装压力测试，以更全面客观地评价关键结构部位对消防裤穿着舒适性的影响。每个动作压力测试时间持续1 min，实验设备为日本AMI TECHNO CO公司生产的AMI3037气囊式压力测量系统，测试频率为1 s-1，实验时风速≤0.1 m/s。

1.3 模糊综合评价方法

模糊综合评价法[14]以模糊数学为基础，把定性评价转化为定量评价，可对受多因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。实验采用模糊数学的方法对消防裤主客观综合评价结果进行处理，从中挑选出动态舒适性最优的试样裤装。

1.3.1定义模糊集合 ①对象集。4件被评裤装构成模糊综合评价对象集：P= {T1，T2，T3，T4}。②因素集。定义裤装动态舒适性的因素集：U= {U1，U2，U3，U4} = {静态，抬腿至90°，体前屈90°，完全下蹲}。③评语集。主观评价时，根据七阶评价标尺建立评价集：V= {V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7} = {很差，差，较差，一般，较好，好，很好}；评语赋值：QZ= {1，2，3，4，5，6，7}。压力评价时，压力测试均值构成评价集；同时，实验认为4个测试点在各动作状态下对样裤的整体承受压力贡献均等，评语赋值：QK= {0.25，0.25，0.25，0.25}。

1.3.2确定各评价因素权重系数 采用专家咨询法[15]经5位专家对裤装主客观评价指标进行权重系数确定。专家从很不重要、不重要、一般、重要到非常重要5个级别进行打分，计算每项指标的得分均值，归一化处理后，得出裤装评价指标权重向量：A=(静态，抬腿至90°，体前屈90°，完全下蹲)=(0.05，0.24，0.12，0.59)。

2 结果与分析

2.1 模糊综合评价结果

裤装主客观舒适性测试中压力均值为1 min内各评价指标下各测试点的压力测试平均值。从而可以得到试样裤装T1的主观评价矩阵RT1(经归一化处理)和压力评价矩阵RT1′分别为：

依据模糊变换原理Y=A·R，可得到试样裤装T1的主观模糊综合评价结果YT1和压力模糊综合评价结果YT1′分别为：

YT1=(0 0 0 0.048 0 0.570 0

0.362 0 0.020 0)；

YT1′ =(0.003 4 0.054 1 0.586 7 0.053 7)

ST1= 1×0+2×0+3×0+4×0.048+

5×0.57+6×0.362+7×0.02=5.354；

ST1′= 0.25×0.0034+0.25×0.0541+

0.25×0.5867+0.25×0.0537= 0.174。

同理，根据模糊评价模型，最终得到样裤T1～T4的主观综合评价得分S和客观压力综合值S′分别为：

S=(ST1ST2ST3ST4)=

(5.354 5.354 5.182 5.512)；

(0.174 0.269 0.223 0.242)。

由此可初步认为，主观活动适应性评价方面，试样裤装中T4表现最优，T3相对最差；客观压力测试方面，样裤T1表现最优，样裤T2相对表现最差。裤装主观舒适性测试结果具体见表4。

表4 试样裤装主客观测试结果

2.2 正交实验综合评价

用极差分析法[16]对正交实验结果进行分析，根据各因素综合平均值极差大小确定各因素对着装舒适度的影响程度。极差越大，说明该因素水平的变动对消防裤动态舒适性的影响越大。试验裤装主观评价结果见表5。

表5 试验裤装主客观评价结果分析

注：k1为各因素1水平对应评价指标值之和的算术平均值；k2为各因素2水平对应评价指标值之和的算术平均值。

由表5可知，主观评价时，3个因素对消防裤活动舒适性影响程度从大到小依次为：H=K>C。号型为175/76A的裤装结构最优方案为：立裆深32 cm，臀围114 cm，膝部加量6 cm；压力评价时，3个因素对消防裤活动舒适性影响程度从大到小依次为：H>K>C。号型为175/76A的裤装结构最优方案为：C32 cm，H110 cm，K6 cm。综合主客观评价可以看出：臀围对消防裤舒适性的影响较大，膝部加量和立裆深次之；臀围是造成裤装主客观评价最优方案不同的因素。对比臀围H1,H2两个水平下主观评价综合得分的算术平均值(k1=5.258，k2=5.433)和客观评价压力综合值的算术平均值(k1=0.199，k2=0.256)，发现H1,H2水平下主客观评价时k1,k2间差值均较小，因此认为臀围取值在110～114 cm间均是合理的。所以对于号型为175/76A的消防裤，其最优实验方案为：C=32 cm，H=110～114 cm，K=6 cm。参考相关人体尺寸实际测量值(股上长C0=25 cm，净臀围H0=92 cm)，从而可得到消防裤活动舒适性最佳时，其关键结构因子的设计公式为：C=C0+7 cm，H=H0+(18～22)cm，K=6 cm。

2.3 样衣验证

根据正交实验主客观综合评价得到的最优实验方案，取C32 cm，K6 cm，H110 cm制作最优消防裤TO(The Optimal Sample)，并与U公司提供的现役消防裤TP(The Provide Sample)进行动态舒适性压力验证，以分析研究结果的实用性。消防裤TO、TP面料的选择采用3层织物结构，即阻燃外层使用藏青色芳纶3A阻燃面料，防水透气层使用SPF70阻燃PTFE 防水透湿面料，隔热层和舒适层使用芳纶粘胶阻燃面料加上芳纶水刺隔热毡。具体压力验证实验结果见表6。

表6 压力验证实验结果

根据客观压力综合评价模型和表6中压力验证实验结果，得到消防裤TO和TP的客观压力综合评价结果：

YTO=(0.077 5 0.025 1 1.425 6 0.134 4)；

YTP=(0.084 1 0.022 9 1.791 4 0.124 7)

经加权平均得到各样裤客观压力综合值为：

STO=0.416；

STP=0.506

实验发现在规定动作下，STO

3 结语

从消防服关键结构因素角度，选取立裆深、臀围和膝部加量为影响裤装活动舒适性的关键结构因子，对消防裤活动舒适性进行进一步优化。实验设置消防裤号型为175/76A，通过人体着装实验和模糊正交评价得到裤装活动舒适性以臀围影响较大，膝部加量和立裆深次之。其关键结构参数最优的设计方案为：C=C0+7 cm，H=H0+(18～22)cm，K=6 cm。经样衣验证，根据最优方案得到的消防裤，其动态舒适性优于U公司现役消防服，研究得到的最佳关键结构参数组合具有一定的实践意义。模糊正交法作为一种关键结构参数优化方法可在其他防护服结构优化的过程中加以运用与拓展。

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