基于四集装箱烟热模拟训练设施的仿真施训方案的研究与探索

王剑 王佩 曲彬德 崔堃鹏

摘要：针对四集装箱烟热训练系统（smoke-heat training simulation system）的结构组成及技术原理分析并结合当前应急救援队伍烟热环境心理行为实训现状，提出了基于四集装箱烟热模拟训练设施的心理行为、体能、技能等实训方案研究及其综合评价方法。

关键词：烟热环境;仿真实训;火场心理行为训练;空气呼吸器耗氧训练

根据《消防训练基地建设标准（190—2018）》要求，烟热训练设施属于消防基础技能训练设施，是总队、支队级训练基地的应建训练设施。烟热训练设施是通过模拟火场高温、浓烟、噪音、黑暗环境，训练消防救援人员在仿真火场环境中正确使用装备、穿越各种障碍、执行抢险救援任务的训练系统，可为新训消防员开展心理适应训练、体力承受训练以及障碍通过训练等提供火场仿真场景，也可为基层消防队伍开展个人防护类装备应用训练、抢险救援类装备使用操作等模拟仿真训练环境。

《网栅隔断式烟热训练室技术性能要求（XF942—2011）》为消防烟热训练设施现行建设标准。该标准主要针对设施的安全技术方面进行要求，并未对训练内容和难度系数做明确、统一规范。然而，不同火灾均有其自身的复杂性和不可复制性，而当前针对消防烟热仿真的训练，大多仅停留在初级体验阶段，并未实现消防员从心理到体能再到技能等全方位针对性系统施训。本文将以中国消防救援学院新建四集装箱网栅式烟热模拟训练设施为例，从硬件结构组成、技术原理以及安全规程入手，分析研究消防员在烟热环境中的系统训练。

一、网栅隔断式烟热训练室结构组成与技术原理

以四集装箱网栅隔断式烟热训练室为例，系统设施由4台集装箱为框架主体拼接成为一套完整系统，其中1台用于体能训练室和控制室与另3台隔离，其余3台内装置金属网栅系统。网栅系统内部设置有：金属网栅通道系统（含障碍模拟系统）、步进跟踪系统（人员跟踪系统）、烟热模拟系统（含排烟降温系统）、视像监控系统、声光控制系统（含广播通信系统）、体能训练室、安全救护系统、电动门系统、控制系统等九部分模块组成。

（一）金属网栅通道系统（含障碍模拟系统）

金属网栅通道系统内设有模块式复杂通道，适用于匍匐前进、半蹲式前进和弯腰跑步的各种训练。网栅通道可通过调节活动门的位置组合多种不同训练线路用以拓展出不同难度的训练方案。网栅内设有“H形障碍网”“V形障碍网”“菱形障碍网”“圆筒障碍”“滑竿”“独木桥”“井盖”“爬绳”“软梯”及模拟塌方、电子陷阱、网笼管道、栅栏、竖井、钢筋破拆、木板破拆等人为路障，用以增加训练难度。金属网栅通道所有边网及中间网片均可快速拆卸，用于训练人员在出现意外情况时救援使用。

（二）步进跟踪系统（人员跟踪系统）

步进跟踪系统通过设置在网笼通道地面和障碍训練设施地面的压力传感器、压控地板、信号采集器等，将训练人员的位置、训练路线以及行走路线等电信号传送到控制室，使控制室人员可以及时、准确判断施训者所处位置、通过路线并对施训人员下达指令。

（三）烟热模拟系统（包括排烟系统）

烟热模拟系统由烟雾发生器、环境增温系统、环境增温加湿系统、温度监控系统以及排烟系统组成。烟雾发生器喷发舞台烟雾对人体无害，可按训练要求能见度控制释放量。环境增温系统用于制造局部高温区（50℃～60℃可调），热风机风口为60℃的高温热辐射。温度控制可在训练时根据需要设定温度，分自动控制升温和手动控制升温。环境增温加湿系统提高空气相对湿度。排烟系统迅速排除烟雾，使室内完成全部排烟时间小于3分钟。

（四）视像监控系统

训练室设置热成像摄像机、红外监控摄像头、红外云台摄像机等，除可在正常光照下使用外，还可在黑暗、浓烟和高温环境下监控训练活动，以此观察训练人员的训练情况及位置，保证监控区域无死角，并实时将信号传回至控制室内监视器上并可回放。

（五）声光控制系统

声光控制系统模拟灾害现场火光、爆炸声、呼喊声等立体感官灾难情景，增强整个训练过程紧张程度。同时还可对施训人员下达指令进行辅助训练。

（六）安全救护系统

根据《消防培训基地训练设施建设标准》第7.2.3.1条“烟热训练室应设有应急照明、监控、对讲、排烟装置和紧急救援通道。可以通过闭路电视和热成像仪等观察受训人员的训练情况，确定受训人员所处位置，并可与受训人员进行通信”。第7.2.3.2条“烟热训练室中应使用确定成分的无毒烟气。可专门设计并安装发烟装置产生烟气”。此两项为强制性条款。另外根据具体情况，设备通常增设一键式安全救援系统，一旦施训人员出现意外，控制室内设有紧急救援键，可一键同时关闭训练室内发烟装置、升温装置、声光模拟装置，同时启动照明系统、应急照明系统、排烟系统并由救援人员进行救援。

（七）集中控制系统

集中控制系统包括控制柜、配电控制柜、控制操作台及一些常规控制仪表，如温度表、各类控制按钮等硬件设备，用于信号采集、处理、显示终端的目的，可将实训人员的训练数据及时反馈并存储下来，同时将烟热模拟系统、视像监控系统、声光控制系统以及一键安全救援系统等设备的控制终端集成于控制室内。

二、消防员烟热模拟环境中可行性施训方案探索

在烟热训练设施中，不同子系统模拟的灾害现场火光、爆炸声、呼喊声等场景均为独立单一要素组合而成，且各要素强度人为可控，这便为不同人群开展分层次训练提供了可行性前提。根据施训者年龄、性别、身体素质、心理素质等自身条件不同，可将烟热仿真模拟训练可分为烟热场景体验式训练和消防员火场体、技能训练两类。

（一）烟热场景体验式训练

烟热场景体验式训练主要针对未接触过火灾现场的新训消防员、院校学员以及其他社会消防培训人员等。根据人员对火灾场景的感观认知和适应能力需要一个渐进的过程，可将体验式训练分为火场人员疏散逃生训练和消防员火场障碍通过训练。

1.火场人员疏散逃生训练

火场人员疏散逃生训练主要针对非消防救援人员或无火场经历的新训消防救援人员不佩戴防护装备的情况下，在模拟仿真火场中感受火灾特点与危险性，克服自身对烟、火的恐惧心理，最终达到快速适应火场环境、冷静决策、科学逃生的能力。此科目与非烟热环境下的火场人员疏散逃生演练相比较，给受训者立体、直观、深刻的紧张感和危险体验。安全方面，因仿真烟雾为可食用级烟雾，无污染，对人体没有伤害。此外，在逃生路线设置方面，可灵活调整金属网栅通道模块，制定初级体验式逃生路线（路线一），适当降低障碍难度，减小路线长度，仅以提高受训者心理适应能力为主要施训目标。

2.消防员火场障碍通过训练

消防员火场障碍通过训练的施训对象为初级消防救援人员。其主要施训目的是训练消防员在佩戴全套消防员个人防护装备（消防员防护服装、空气呼吸器、随身佩戴类装备等）的负重情况下，穿越网栅通道中设置的各种模拟仿真障碍和陷阱的通过能力。在障碍通过路线（路线二）的设置方面，应适当增加其仿真场景障碍难度，如：“H形障碍网”“V形障碍网”“菱形障碍网”“圆筒障碍”“滑竿”“独木桥”“井盖”“爬绳”“软梯”及模拟塌方、电子陷阱、网笼管道、栅栏、竖井、钢筋破拆、木板破拆等人为路障，使消防员感受在火场浓烟、高温、嘈杂状态下负重通过障碍的难度特征。

（二）消防员烟热环境体、技能训练

消防员烟热环境体、技能训练属于烟热环境的进阶级训练，能够较为真实还原火灾现场的救援操作。此类训练要求消防救援人员应有一定的业务能力基础和良好的自身心理素质。

1.空气呼吸器耗气训练

在高温浓烟环境下，空氣呼吸器是救援人员的呼吸依靠，一旦出现气体提前耗尽的状况，将直接威胁佩戴人员生命。影响空气呼吸器使用时间的因素有很多种，如：气瓶容积、工作强度、害怕或兴奋等心理因素、使用经验、使用环境大气压力等。综合分析可分两类，一类为客观因素，如：气瓶容积、环境大气压等;另一类为主观因素，如：心理因素、体能因素、使用经验等。

空气呼吸器耗气训练目的就是通过针对性的训练，改善影响空气呼吸器使用时间的主观因素。要特别强调的是，日常训练过程中，背戴空气呼吸器负重长跑，而不使用气瓶内气体进行呼吸，这种训练仅是负重体能训练，而非空气呼吸器耗气训练。耗气训练需要在特定条件下提高自身机体对空呼使用时间的反复练习。此训练科目的“特定条件”是针对集装箱烟热设施内“金属网栅通道”条件所开展的。而金属网栅通道为笼体式结构，更贴近于“限定空间”行进通道，人员在此通道内，仅适用于采取匍匐前进、半蹲式前进和弯腰跑步等行进形式。在此条件下，耗气训练劳动强度相对较高，更贴近实战。

组训方面，空气呼吸器属于消防员个人防护类装备，简单说就是每个人都必须使用的装备，因此该科目施训对象应面向全体指战员。

成绩评定方面，根据理想气体体积方程：

注：P为气体压力、V为气体体积、m为气体质量、M为摩尔质量、T为环境温度、R为气体常数

当恒温状态下（即温度T不变），体积V（气瓶容积）、物质的量M、气体常数R不变的情况下，气瓶压力P与空气质量m成正比。

因此在成绩评定方面，规定训练强度和训练时间相等的情况下，记录开始前空气呼吸器的气瓶压力：P1，完成任务时的气瓶压力为：P2 。将前、后压力做减法得到P0 。

P0= P1 - P2

P0值越小，说明人员在训练过程中耗气量越小，耗气训练的施训目的即是通过反复练习，提高自身在火场中的心理适应能力，负重作业能力以及对空气呼吸器的使用熟练程度，最终使受训人员的P0 不断降低。

2.热成像仪应用技能训练

熟练掌握热成像仪的应用技能可帮助消防救援人员快速检查火场周边热环境，评估火灾发展态势，辅助火情侦察，提高搜救能力，最终达到快速灭火救援的目的。然而，基层救援队伍中普遍缺乏针对热成像仪的技能训练与培训，原因之一便是缺乏烟热训练环境。烟热模拟训练系统是热成像仪技能训练极佳的实训场地。结合灭火救援实际，热成像仪应用技能可从以下几方面展开施训：

（1）热成像图像判读训练

热成像仪图像判读能力是熟练掌握热成像仪操作的基础技能之一，通过将烟热现场的温差物体与仪器热成像画面反复观测，相互对比、掌握图像各参数指标的背后所代表的现实物体的物理特征，如训练人员在浓烟环境下辨别生命体、砖混材料、木质物体、金属材料和玻璃镜面等实物的热成像画面，再比如在高温环境下识别室内常见物体材料的温差变化的成像区别等。热成像图像判读训练有助于消防救援人员更好地理解掌握装备仪器性能，精准判断火场热环境特征与火情发展态势，最终辅助决策，实现科学灭火及救助人员的目的。

（2）浓烟探路行进训练

热成像仪属于侦检类器材，为快速搜救小组穿越浓烟环境侦检使用。因仪器镜头结构限制，导致其画面水平视角小与垂直视角范围均小于人眼双目视角范围。成像仪水平视角一般为40°—60°范围内，垂直视角一般为35°—50°范围视距。双眼距离屏幕越近越有真实感，但实际救援过程中却不能盲目紧盯屏幕，以防止行进过程中的高差，楼梯、陷阱、落差，随时注意扫描前方地面，避免对设备产生依赖，学会使用器材探路前进。

（3）搜寻热源方位训练

热成像仪快速寻找热源方位训练必须是建立在人员具备一定火场心理适应能力的前提下，能够依靠消防员个人防护服装并熟练使用呼吸防护类装备的基础上，开展的训练科目。烟热火场的热源主要分为三类：

a被动热源（Passive Emitter），可被放热或加热的物体（冷却），如衣柜、桌椅等;

b主动热源（Active Emitter），可维持恒温的生命体，主动热源电磁波容易被遮蔽。

c直接热源（Direct Emitter），化学热、火源等可对被动热源加热的热源。

由此可见，搜寻热源方位训练主要受训对象为快速侦检小组成员。寻找直接热源目的为灭火，搜寻主动热源目的是救人。在浓烟条件下，人眼无法直接观测出烟气的流动态势。通过辨识热成像仪中烟气流动特征，判断能量聚集地点和火源位置，使受训人员能够及时感知火灾发展态势，快速获取火场信息，为科学制定灭火战术提供一手可靠信息。通过系统训练，可不断强化人员灵活进出火场的搜救技能。

3.其他仿真模拟训练

其他仿真模拟训练可结合不同地区的重点单位特征，制定相应的烟热模拟训练。此类训练针性较强，难度系数较高，主要施训目的为在特定救援任务下开展的救援技能训练。如：

（1）寻阀堵漏训练

寻阀关阀训练是为模拟在烟热环境条件进行堵漏作业场景。此类训练的受训者往往已经具备较为娴熟的堵漏技术能力，但真实的危险化学品堵漏现场往往要求救援人员佩戴齐全的个人防护装备，并在负重的情况下，双手佩戴防护手套，透过呼吸器的全面罩进行寻阀关阀最终完成堵漏作业。此类仿真训练往往难度较大，更贴近实战。通过科学系统的反复练习，可提高救援人员的实战技巧与应变能力，为真实救援积累宝贵经验。

（2）寻声辩位训练

寻声辩位训练是为模拟浓烟、嘈杂、爆闪等灾害场景下，营救被困者的专项训练。此训练方法为：将提前录制的被困者呼救声源装置（如：蓝牙音响）随机放置在系统任意位置。训练目的为通过在嘈杂环境中播放呼救录音，使受训人员辨识声音方位，判断被困人员位置，进而组织施救。

三、研究结论

本研究通过解析四集装箱烟热模拟训练系统设施的结构组成和技术原理入手，结合当前消防救援队伍火场仿真训练现状，对烟热环境中的心理行为训练和消防体、技能训练进行了探索与研究，主要观点如下：

（一）烟热场景体验式训练更加侧重人员的火场心理行为训练。针对人群为未经历过火灾现场的新训消防员、院校学员以及其他社会消防培训人员，按人员对火场适应能力由若到强的认知规律，科目设置分为“火场人员疏散逃生演练”和“消防员火场障碍通过训练”较为合理。

（二）消防员烟热环境体、技能训练针对人群是具备一定的业务能力基础的救援人员，并对其进行的专项体、技能仿真施训。按照救援能力逐步提高的规律，科目设置分为“空气呼吸器耗气训练”“热成像仪应用技能训练”和“其他仿真类模拟训练”较为合理。

需要特殊强调的是，火灾具有多样性，每场火灾都有其自身的特征。因此，仿真设施的模拟场景与真实火场还是存在不小的差距，真实火场内的突发性无法被复制，这就要求受训者不能思维固化，一旦身处火灾现场需要时刻保持警惕与冷静，不能仅凭经验处置问题，需要具备综合处置措施和能力。

参考文献：

[1]全国消防标准化技术委员会灭火救援分技术委员会.网栅隔断式烟热训练室技术要求：GA 942-2011[S].2011-06-13.

[2]王玉晓， 孙军田. 网栅隔断式多功能烟热模拟训练系统应用技术研究[C]//2014年中國消防协会科学技术年会论文集，2014.

[3]王栋武. 消防烟热训练设施现状分析及改进建议[J].消防技术与产品信息，2012，（04）：22-26.