新型多功能森林消防背包的设计研究

2021-03-31江楠时新郭园

西部皮革 2021年11期

江楠，时新，郭园

（重庆交通大学，重庆 400074）

近年来，极端气候事件频现，所引发的灾害与日俱增，其中森林火灾风险总体呈上升趋势。据媒体报道，2017 年美国加州旧金山湾区发生林火，2019 年澳洲发生丛林大火，2010、2021 年四川凉山州发生森林火灾等，造成了财产损失和人员的伤亡。

森林防火装备的水平一定程度上决定了森林火灾扑救的成败。先进的扑火装备可以及时控制林火，尽可能地降低损失。西方发达国家在森林扑火方面主要采用空中大型灭火飞机、直升机喷洒灭剂或水灭火系统，地面则采用机动泵和人力水枪等配合。而我国目前面对突发的森林火灾主要依靠人力和使用近距离灭火工具进行扑救工作。由于森林火灾的地域性特征十分突出，消防人员灭火作业效率低下，且难以预判危险，承受着极大的考验与风险。因此，立足于我国现代化建设发展，以及以人为本的科学发展观，提出适合我国消防事业的新型扑火装备概念，打造一套结构简单有效的单兵扑火装备非常有必要，以此来有效地降低森林灾害中的经济损失以及消防员的伤亡率。

1 现有森林消防背包产品分析

据相关文献研究结果表明，森林扑火中常见的人身伤害事故有以下几种：被林火直接烧伤甚至烧死；火灾现场空气一氧化碳含量过高，扑火人员吸入过量一氧化碳而导致窒息伤亡；消防员扑火中受断木或滚石压伤或砸残等；因山林地势等原因导致消防员跌落山崖摔伤甚至摔死；消防员灭火中操作失误导致伤及自身或其他消防员。

随着科学技术的发展和人类对森林火灾认识的不断深入，我国对消防事业高度重视起来，消防装备的相关研究也日渐增多，但市场上的创新研发主要针对消防器械。与消防隔热服和消防头盔等消防装备相比，消防背包的自主创新方面关注度较低。市场上现有的消防应急救援（逃生）包或森林消防背包，主要是基于普通运动背包或登山包改良而成，背包空间进行简单功能分区，分类收纳，主要容纳水带等基本灭火设备与工具。如某厂生产的DN25/40 型号的森林消防专用水带背包、森林消防救援背包，尺寸为：44cm×24cm×53cm，包内主要容纳30 米森林消防水带四至五盘，左右侧插分类放置水枪或管牙接口等小配件，材质采用耐磨且防撕裂的帆布。某款森林消防水带便携收纳包，内部采用铝管支撑结构，外观造型更为方正，内部空间用于装纳水带，背包顶部设计两个小兜，用于放置消防员小型物品等。此外，如消防员背负风力灭火机，则配备斜挎包，用于携带些基本的物品，此类挎包与日常挎包无异。相关的理论研究主要偏重于森林防火管理与机制，时尚箱包与文化、背包中的人机工程学，以及防火材料等方面的研究。

总体而言，目前市场上的森林消防背包，仅具备简单的装载水带为主的灭火工具的作用，功能单一，作用有限，并不符合野外作业的消防员对背包的基本功能需求。设计更是缺少人性化、美观性以及智能化的创新。

2 新型多功能森林消防背包定位及功能设计

森林消防是一项应急处理工程，具有非常高的专业性，与一般工作相比，森林扑火作业处于极其复杂和危险的工作环境。随着国家对保护大自然生态环境的重视，各类森林消防装备不断地推陈出新，消防员携带的小型装备越来越微型且多样化，方便工作人员背负装备在林区内进行日常消防安全检查，或者快速将相关设备带到火场展开扑火工作，提升消防人员的救火战斗力，可有效地减小因火灾带来的损失，降低救火人员的伤亡率。因此，设计精良的消防背包是森林消防员及林区相关工作人员随身携带的必要装备之一，除了具有装纳火场扑火所需各类装备的功能之外，还要考虑收纳日常火灾预防工作中的防火林带抚育和防火隔离带开设所需要用到的砍刀、斧子、耙子、锯和锹等组合工具。

首先，分析了森林火场的环境特征，详细研究了从消防员接到火情通知，到奔赴现场进行灭火的整个流程，尤其对背载物品需求进行了深入分析，接着比较分析了现有消防相关的背包设计。最后，提出一款用于森林场景具有一定智能功能的多功能消防背包设计。背包在森林救火过程中辅助消防员实施扑火作业，以及在救火过程中遇到大火包围或风向改变导致爆燃等紧急情况，为消防员提供防护，提高消防员工作效率及生存率。

2.1 利用人机功能学分析，优化背包的用户体验

利用人机工程学原理对背包中的灭火装备进行合理空间布局和规划，背包设置三个工具包以及一个急救包，工具包分布在消防背包侧面和正面，根据工具使用频率合理规划分区，方便消防员在作战时快速选取、收纳工具，提高工作效率。消防背包正面分布一个工具包和急救背包。工具包收纳逃生绳、伐木斧、砍刀、手锯等小型作战工具。医疗急救包配置简单的急救药物如消毒棉棒、纱布、绷带、冰袋、创可贴等，医疗急救包可拆卸，方便快速进行急救处理工作。背包两侧配置的工具包则一侧收纳扑火拍、两节连杆，一侧收纳铁锹、五齿耙等作战工具，因这两两组合的工具配合使用效果最佳，将其一并收纳，方便消防员快速选择工具，提高作战效率。

该消防背包由于包含消防工具以及防护空间结构，具有一定的重量，因此考虑消防员背负时的舒适性和便携性，且注意背包装满物品后的左右上下配重关系，在背包的结构上进行符合人机工程学的研究与设计。背包的背板形状取决于人体背部类“S”型的曲线形状，与人体背部贴合，能够有效并且合理地支撑背包重量，拉近背包与人体的距离，方便行动。此外，背包设置肩部受力带，可将部分重量转移到人体的肩部，设置腰带将背包部分重量分担给腰部。该设计能够使背包与人体很好地贴合，均匀分担背包重量，适合长途步行，且在消防作战时不会约束行动。

2.2 特殊防火材质和拓扑变形折叠结构的结合，给予安全保障

消防员如遇特殊地形等突发状况，不得不暂时性采取躲避措施，一般使用防火袋进行防护。但是，防火袋的使用首先需要寻找平坦的地面，而且在火势凶猛的紧急情况下要求消防员能迅速反应并准确铺设，应用防火袋来躲避就显得比较繁琐且不可靠。在单兵作战中，防火包又存在便携性问题，防火斗篷在森林防火中保护效果有限。市场上未有将防护功能运用到消防背包上的设计，因此该背包运用人机工程学实验和拓扑变形折叠结构，研究几何图形在连续改变形状后仍然保持不变的性质，实现背包部分结构的变形功能，为消防人员提供一个小型的防护空间。考虑消防背包的负重以及人体在紧急事件下的躲避姿势多是趋于放低重心的姿势，例如蹲下、趴下等。该防护空间能够容纳成年男性蹲下所形成的体积以及留有一定的活动空间，根据我国成年男性的平均身高数据以及结合其或蹲或坐时活动范围区间的分析，设定防护空间平展开的尺寸为1200 mm×2000 mm，立体空间大约为288 L。

防护空间所采取的材料强度高，耐磨耐折，材料在加工时进行特殊处理，使其具有固定的折痕，能够规律地收折在背包内。消防员在遇到因风向改变等因素而突发的火场爆破情况时，可快速地取下背包，打开背包侧面拉链使防护空间展开，再打开背部的防护空间入口进入躲避，消防员在空间内部可蹲、可坐，不局限姿势。消防员在日常训练时反复训练此步骤，在火场上就能快速做出反应，缩短反应时间，提供安全保障。

2.3 可组装模块化智能部件，提升消防背包的智能性

造成消防员伤亡的其中一个原因是火场的侦察不明，因指挥员与消防员、消防员与消防员的不及时，以及对火场消防员救援时的沟通不及时造成。本项目的消防背包结合智能硬件设备实现定位、报警、信息采集功能，及时为消防团队提供重要信息，方便团队成员之间沟通合作，为消防员作战提供智能化辅助功能。智能配件根据智能配件的尺寸及背包人机工程学要求,将两部分进行合理分布。背包底部设置储电模块等体量较大、较重的模块化装置，这部分装置在紧急需要减负时，便于拆卸丢弃；另一部分的定位、通讯、对讲、照明和呼救，以及摄像等信息采集等电子装置设置在左右肩带内。这部分设备主要用于成员之间交换信息，在遇到危急情况时，向身边及总部发出危险信号以及求助信号等，同时也可摄像，方便事后对扑火现场的各种情况进行分析研究，总结扑火经验与教训等。智能部件充分体现出了模块化设计理念，根据每次火情侦察情况，选择合适的智能功能模块，组装到消防背包中。

3 新型多功能森林消防背包造型设计

3.1 样式设计

此款智能型多功能消防背包在造型上沿用传统消防背包的方形造型。背包外表面造型简洁大方，减小扑火过程中背包上各种卡扣、绑带与森林中植物发生缠的绕机率，提升扑火与逃生效率。背包色彩采用橙色和黄色两种警戒色为主体颜色，包的外侧和左侧均设置有反光条，可加强夜间视线不良或危急境况中的可见度。该背包的视觉形式追随功能要求，背包将医疗急救包、工具包和防护空间有机结合，最小化状态下的外形尺寸为400 mm×250 mm×600 mm，急救包可快速拆卸应急，防护空间常态下折叠在背包里，可通过拉链从背包侧面及背部打开，形成一个小型的躲避空间，防护空间展开后，尺寸可以达到400 mm×1200 mm×600 mm。结构形态符合人体学要求，消防人员可快速准确地操作消防背包的各项功能。

3.2 材料选择

背包主体材料使用PU 涂层帆布和有机硅布复合材料，防水耐磨、轻便、使用寿命长，适合野外作战人员使用。防护空间的材料使用铝合金阻燃纤维织物与真空镀铝膜的复合材料，其比重轻、强度高、阻燃、耐高温、抗热辐射、耐磨耐折，适合防护空间的折叠结构。反光带使用反光热贴膜，具有极佳的反光效果，因而可加强行动的人体在夜间视线不良时或危急境况中的可见度。