自救防火服的设计开发

王嘉诚，李艳梅，王乐乐

(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201600)

随着经济的发展，人口密度和建筑密度不断增加，住宅民房火灾时有发生，据应急管理部消防救援局统计2020年全年共接报火灾25.2万起，死亡1183人，受伤775人，直接财产损失40.09亿元；其中居民住宅火灾防范将长期面临严峻挑战，全年共发生居民住宅火灾10.9万起，占火灾总数的43.4%[1]。这些火灾多会造成重大的人员伤亡以及财产损失，目前对防火服的研究主要集中在研发新型阻燃织物和改良消防战斗服的款式结构方面，提高消防战斗人员作业效率的同时为消防员的人身安全提供保障。李俊等[2]通过调整消防服上下装的长度，提高消防服的舒适性，增强着装者的作业效率；王丽[3]通过分析消防动作改进现役消防服的关键部位，优化消防服的设计。但提升人们的逃生能力也是极为重要的，目前很多家庭还未形成配备火灾应急救援物资的意识，且当前市场上售卖的家用消防用品种类较少且同质化较为严重，难以满足消费者的需求。本文参考现役消防服款式设计研发了一款具有良好防护性能的自救防火服，该套防火服能够通过快速定位被困人员的位置，缩短救援时间，提高被困人员生还概率，满足多场景民用防火逃生需求，为未来民用自救防火服的发展提供借鉴。

1 设计思路

针对应急自救防火服的设计研发应符合人体工效学，服装织物既要具有良好的吸湿性、散热性、透气性、舒适性等服用性能[4]，也要具有良好的阻燃性、防护性等功能，以有效保护着装者在舒适穿着的同时不被烧伤。自救防火服应具备良好的可穿脱性因此服装结构不宜过于复杂。同时自救防火服的射频识别标签的放置应符合人体工效学要求，不易受到服装形变的影响[5]。

首先基于所需的功能选择传感元件，服装选择射频识别技术(Radio Frequency Identification, RFID)实现定位功能；其次，采用拼接工艺将传感元件与服装进行结合；最后进行射频标签和读写器的匹配，从而救援人员可根据读写器感知的信息实现快速精准的火场救援。应急自救防火服设计流程见图1。

图1 应急自救防火服设计流程

2 设计原理

2.1 硬件设计

2.1.1 射频识别技术概述

射频识别技术中是一种非接触式自动识别技术。RFID系统包含了阅读器、标签以及后台服务器3个部分。其工作原理是当标签进入阅读器天线的感应范围时，阅读器发送电磁波，激励无线通信链路，标签向阅读器发送信息，阅读器接收到信息后解码，然后传送给上位机，完成信息处理，从而实现自动识别目标或自动收集标志信息的功能[6]。RFID根据电子标签是否配备电源可分为有源标签、无源标签和半有源标签。有源标签因其自身具有电源，可以提供远距离自动识别功能。无源标签的自动识别距离相对较近，但是该标签无需电源，其成本较低而且可长时间工作。

RFID识别速度快，可穿越障碍物进行标签识别，实现非视距离通信[7],且RFID阅读器具有微功耗特性, 适用于易燃、易爆等场合, RFID技术还有着很强的抗污染、耐高温、防磁、防水、防污损、抗破坏能力, 标签体积小，易于安置在服装上，并且射频信号不会干扰到其他仪器设备, 非常适用于火场搜救工作[8]。RFID系统工作原理图见图2。

图2 RFID系统工作原理图

2.1.2 算法设计

Fang算法是利用二维空间坐标的算法，本研究基于Fang算法的三维空间定位法获取在空间内运动的标签位置，由此确定被困人员的位置信息[9-10]。

先在室内的二维模拟地图的3个墙角分别放置1个电子标签。假设这3点的位置分别为(0,0)、(a2,0)、(a2,b3)，RFID定位阅读器的位置信息为(A4,B4)且不在X-Y平面内，分别对应二维空间模拟地图中R1、R2、R3、W这4点，设自救防火服上携带的电子标签为(a,b)。本服装结合室内火场环境构建的二维模拟地图见图3。

图3 二维模拟地图

由收信时间(Time of Arrival, TOA)定位法可知[11]，计算阅读器与标签之间的直线距离算法见式(1)。

(1)

式中：S4为阅读器与标签之间的直线距离，m；A4为阅读器的横坐标，m；B4为阅读器的纵坐标，m；a为电子标签的横坐标，m；b为电子标签的纵坐标，m。

以R2为例的三维空间坐标系图见图4,以供空间中点W对被困人员位置关系的参考。RFID定位阅读器点W与自救防火服上的电子标签之间的距离为S4,1，算法见式(2)。

图4 三维空间坐标系图

S4,1=kd4,1=S4-S1

(2)

式中：S1为自救防火服上的标签与X-Y平面的距离，m；k为斜率，d为在X-Y平面的直线距离，m。

得到阅读器与自救防火服标签的水平距离和垂直距离以及R2、R32个标签与自救防火服距离的计算公式如下：

(3)

对式(3)进行线性处理得：

(4)

设Z4=a2+b2,对式(4)进行化简得：

(5)

消去S1得：

b=c·a+h

(6)

式(6)中的c、h可以表示为：

(7)

由式(4)～(7)可得到最终关系式，见式(8):

d·a2+g·a+f=0

(8)

式(8)中d、g、f可表示为：

(9)

在火场环境的实际运用中为了方便计算，各点坐标的单位取值为1 m，在得知墙角三点及阅读器坐标的情况下，只需对式(6)、式(9)中的a进行求解，再代入对应公式即可求出对应的b值，则可以求出在应急救援服上的RFID标签运动位置(a,b)。

2.1.3 RFID定位在服装上的配置

RFID定位技术在应急自救防火中应用的基本思想在于将无源标签嵌入到服装中，阅读器可以与火灾自动报警系统的探测器连用。当着装者逃生经过感应区时阅读器向标签发送信号，标签在接收到射频信号后向阅读器发送含有着装者位置信息的反向射频信号，阅读器再将这些位置信息反馈到消防指挥车平台便于消防员在火场展开搜救。本文采取超高频射频识别标签(Ultra High Frequency Radio Frequency Identification, UHF RFID), UHF RFID的工作频段为860～960 MHz，具有频率高、波长短、辐射效果好等特点，这使得读取距离增大，可达到数米[12]。RFID定位系统应用见图5。

图5 RFID定位系统示意图

2.2 款式结构设计

应急自救防火服旨在延长着装者在火场的生存时间。当发生火灾时被困人员能够迅速找到并穿上，因此服装体积不宜过大且应便于存放；同时防火服在款式结构要便于着装者在火场中灵活行动，且服装在款式结构设计上要有较好封闭性，能够保护肢体不受到伤害。款式图见图6。

1—衣身；2—插肩袖；3—双袖口；4—贴袋；5—反光条；6—连身帽；7—UHF RFID无源标签；8—多层织物结构门襟；9—可调节抽绳。图6 自救防火服款式图

2.2.1 衣身设计

应急自救防火服主体为长款外套，便于穿着。服装整体呈H廓形。衣袖选用插肩袖设计，插肩袖属于连袖结构，是将袖身和衣身在肩部连接，将袖身的袖山延伸至肩部，使袖子和衣身在肩部区域连接成为一个整体，插肩袖具有穿着方便且又能满足着装者运动需求的特点[13]。服装下摆采用前短后长设计，前衣身长度盖过脚踝，后衣身长度达到脚跟，前衣身下衣摆以圆顺的弧线过渡到侧缝处。在逃生过程中，产生大量的热量。若产生的热量不能及时散发同样会降低着装者逃生效率甚至会影响到生命安全。调整服装的长度可以在一定程度上提高服装的通风性，加快散热速率，改善服装的舒适性。袖口采用双袖口设计，里层罗纹收口袖口，防止在活动过程中因袖子滑动使手臂裸露在外造成烫伤烧伤。服装的规格尺寸参考了现役消防战斗服主要部位的规格尺寸。具体规格为衣长152 cm，胸围120 cm，肩宽51 cm，袖长61 cm，领围51 cm，袖口宽19 cm，领高15 cm。

2.2.2 部件设计

防火服的领子采用消防战斗服的封闭式高领，在一定程度上防火、隔热；防火服的帽子与衣身相连，帽檐处设计可调节抽绳，必要时可以收紧帽口以保护头部不受伤害。

在火场中，很多被困人员是由于火场中的浓烟窒息而死，因此为提高被困人员的生还概率，在帽子门襟处选用由外层、过滤层以及吸附层组成的多结构织物夹层遮掩口鼻，以降低浓烟吸入的危险。在腰部设计较大容量的贴袋，可存放便携水袋以便逃生时浸湿帽子门襟，减弱浓烟进入口鼻的概率。服装在小臂处、前胸、后背以及下摆处设计了耐高温反光条，一方面是为了被困者在火灾发生后迅速确定防火服的位置；另一方面可以在火场环境中警示自身位置避免发生踩踏事件，同时也有利于消防员在结合射频识别的基础上快速掌握被困者的位置。

2.2.3 织物选择

阻燃织物根据其工艺不同可分为后整理阻燃织物和本质阻燃织物。本质阻燃织物相较于后整理阻燃织物性能更加稳定，具有更加良好的阻燃、隔热以及耐热性能。目前市场上比较常见的阻燃织物有芳纶1414、芳纶1313、TWARON/芳纶1313、芳纶/腈纶/粘胶、PBO。王晶晶等[14]对常用的阻燃织物进行阻燃性能测试，得出这5种织物的阻燃性能从高到低依次为PBO、芳纶1414、TWARON/芳纶1313、芳纶1313、芳纶/腈纶/粘胶。且PBO织物轻薄，质地柔软，可作为应急自救防火服的织物。5种阻燃织物基本参数[14]见表1。

表1 5种阻燃织物基本参数

3 整体设计效果评价

3.1 性能评价

RFID是市场应用广泛的较成熟的产品，相较于其他定位技术具备非接触、高精度和低成本等优点。RFID定位技术只需要标签与阅读器处在感应范围内就可进行信息交流，这种“盲选”的“握手”方式对于获悉被困火场中着装者的位置十分有利。因为自救服上的标签只需要采集着装者的位置信息，256字节的数据量就完全可满足存储需求，所以本文选用存储器容量为256字节的高频UHF RFID无源标签。UHF RFID无源标签的特点在于当其处于阅读器的读出范围之内时，电子标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电源；而当其在阅读器的读出范围之外时UHF RFID无源标签会一直处于“休眠”状态。因此理论上UHF RFID无源标签的使用寿命是无限长。

3.2 着装舒适性评价

因为本文设计的自救防火服受众为普通大众因此评价测试的对象随机选取在校男女大学生各4名，分别编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#，其中男性大学生平均年龄、身高、体重、身体质量指数(Body Mass Index, BMI)分别为21.7岁、177.6 cm、66.5 kg、21.1；女性大学生平均年龄、身高、体重、身体质量指数(Body Mass Index, BMI)分别为21.7岁、160.3 cm、50.5 kg、20.1。发生火情时被困人员要能够迅速穿上自救防火服，因此在评价中要对服装的穿脱方便度进行评价；一般会选择相对安全的楼梯通道快速逃生，在逃生过程中要捂住口鼻，降低重心或匍匐前进，人体运动基本上是由关节运动产生的，因此要对行走灵活度、跑步灵活度、爬梯灵活度、肘部灵活舒适度、腋下灵活舒适度这几方面进行舒适性评价。通过用5级心理学标尺将主观评价进行量化，数值越低表示着装者感觉越不舒适，数值越高表示着装者舒适感越强。穿着实验评价见表2，由表示出受试者在穿着实验服装进行跑步以及爬梯时体验感较差，其主要原因在于较长的衣下摆阻碍了膝关节大幅的屈曲活动。在行走、肘关节灵活舒适感、腋下灵活舒适感以及穿脱方便度的评价中，受试者体验感都较好。产品图见图7。

表2 穿着实验评价

图7 自救防火服成品图

4 结束语

本文针对火场环境应急自救的需求，在传统消防服结构的基础上进行了改进设计。通过对服装技术、传感技术和计算机技术的结合进行研究。从安全智慧防护角度出发，首先，结合服装结构款式创新设计和功能织物的使用，设计服装主体为穿脱方便的长款外套。其次，运用射频识别技术、数字信号处理技术、算法设计技术等实现被困人员在火场的位置追踪、及时救援等功能。最后，对火灾被困人员紧急自救起到了切实可行的作用，具有广泛的应用前景。随着人工智能、可穿戴技术等多学科在服装领域的应用，实现传感器件的集成化、微型化和柔性化，实现自救防火服的智能化、市场化是未来的发展方向。