闭式呼吸器人因工程设计思考

俞旭华，徐佳骏，刘文武，赵后雨，李慈，文宇坤，方以群

人因工程学是研究“人-机-环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中人的效能、健康问题提供理论与方法的科学，又被称为人体工程学、工效学等［1］。随着时代和技术的发展，人因工程学越来越多地应用于不同领域［2-4］。国外发达国家将人因设计理念应用于水下闭式呼吸器的工程设计中，并在水下特种作业人员测评和培训中进行了大量的人因工程学研究，大大提高了水下特种作业安全防护水平和作业效率［5-6］。人因工程学自引入国内后，各高校和科研院所开展了大量的教学及研究工作。如今，以人为因素的产品设计理念也越来越普及，人因工程学在水下特种作战武器研发和测评过程中得到重视和应用，尤其是在闭式呼吸器的研发和测评中，人因工程学大量应用于产品的升级迭代，在其中发挥着至关重要的作用［7］。

1 闭式呼吸器的组成

闭式呼吸器一般由气瓶、呼吸转换阀、呼吸袋、二氧化碳吸收罐、咬嘴和供气流量阀等组成。气体经流量控制由储气瓶流入呼吸袋，并通过单向阀控制气体在环路内的循环；呼吸袋随蛙人的呼吸膨胀或收缩，呼吸袋上设有排气阀，在过度充盈时可排除过多气体，尤其是在上浮过程中自动排气；二氧化碳吸收剂可有效吸收二氧化碳，防止中毒。根据供气方式不同，闭式呼吸器分为纯氧闭式呼吸器和恒氧分压闭式呼吸器。纯氧闭式呼吸器采用纯氧供气，具有供气时间长、隐蔽性好、重量轻等优点，但由于使用纯氧供气，深度一般不超过7 m，且需严格控制水下作业时间，防止发生氧中毒；恒氧分压闭式呼吸器分别有纯氧和混合气2 个独立气源，并根据传感器实时探测呼吸回路中的氧分压进行供气，其氧气利用效率更高，且潜水深度更大，但结构复杂，对传感器等电子元器件的质量及性能要求较高［8］。

2 闭式呼吸器外形人因工程学设计

闭式呼吸器外形设计对水下作业效率的影响主要表现在：水下阻力过大，影响蛙人机动作业；水中浮力过大/过小，导致蛙人身体下潜/上浮困难，影响作业能力；水下身体稳度不够，蛙人难以完成水下精细动作［9］。

2.1 水下阻力 水下阻力是影响蛙人水下机动作业的关键指标，它与相对运动速度、接触面积和水的密度成正比。一般作业时水下相对速度、水的密度变化不大。因此，水下阻力对蛙人作业能力影响的主要因素是水下接触面积。在闭式呼吸器设计时，如果未充分考虑到水下阻力问题，蛙人进行机动作业时就会受到较强的水下阻力影响，不仅妨碍蛙人水下活动，影响水下作业效率；同时蛙人为了克服水的阻力，还需额外消耗更多体力。因此，在闭式呼吸器外形设计中应充分考虑人因工程学，以减少水下阻力对蛙人机动作业的影响。

2.2 水中浮力 物体在水中的浮沉状态取决于物体的密度与水的密度。通常情况下，蛙人在水中保持中性浮力或适度负浮力［10］。浮力过大，蛙人须携带过量的压铅，加速蛙人体能消耗；浮力不足，还需要额外增加正浮力配件，增加了潜水装具的体积和阻力。因此，在设计闭式呼吸器时，应充分理解并运用好这一规律，最大程度地实现呼吸器自身的中性浮力状态，以便蛙人能够根据任务情况进行配重，提高作业效率；此外，除呼吸器整体实现中性浮力外，在各部分设计时也应充分考虑浮力问题，如供气气瓶、呼吸管路、面罩等，防止水中浮力过大/过小导致的牵拉，影响作业安全和作业时间。

2.3 水下稳度 蛙人能够自如地保持身体处于平衡稳定的程度，称为蛙人的稳度，其主要取决于重心和浮心在人体轴

上的位置关系。蛙人需要采用不同姿势进行水下作业，如站姿、跪姿、卧姿等，无论采用哪种姿势，蛙人均须保持水下自身的稳态而不影响作业。闭式呼吸装置外形设计时，需充分考虑不同作业姿势下呼吸器的重心与人体重心的关系及水下稳度。如在站姿时，闭式呼吸装具的重心一般与人体保持平行，此时如果未充分考虑闭式呼吸装具的水下稳度，可能造成重心偏向一侧或过高过低，造成蛙人水下处于失平衡状态，需要额外消耗体力，这不仅影响作业效率，甚至可能导致潜水事故的发生。

2.4 背负系统适体性 闭式呼吸器背负系统适体性对蛙人水下保持作业姿势、消耗较少体能、减轻疲劳具有重要意义。传统的开式呼吸器在设计时充分考虑到人体脊柱结构及水下姿势对背负结构的要求，因此水中适体性较强。我国闭式呼吸器的设计起步晚，与国外差距较大，尤其是水中适体性方面的研究；此外，闭式呼吸器使用时一般要求一人一装，同一型号的呼吸器可能无法满足所有队员的体型，给实际使用人员带来不便。因此，在呼吸器外形设计时需反复比测人因工程学来提升呼吸器背负系统适体性。

3 闭式呼吸器结构人因工程学设计

3.1 呼吸阻力 呼吸阻力分为外部阻力和内部阻力，其中外部阻力（呼吸器咬嘴/面罩部位压力和环境压力之差）是闭式呼吸器结构人因工程学设计时需充分考虑的因素［11-12］。呼吸阻力包括吸气阻力和呼气阻力，两者是影响蛙人呼吸疲劳的重要参数，直接关系到闭式呼吸器的使用舒适性，须设定在一定范围内（控制在0.8 kPa 以下）。此外，在设计呼吸袋位置时还需要考虑静水压对呼吸阻力的影响。如果呼吸袋高于蛙人肺部，吸入气体的压力较小，吸气阻力增大；反之如果呼吸袋低于蛙人肺部，供气压力大，呼气阻力大。因此，闭式呼吸器设计时应尽可能地使呼吸袋与蛙人肺部位于同一水平线，并尽量靠近蛙人肺部，以减少蛙人在水下不同体位时，由于静水压不平衡性导致呼吸阻力的增加。

3.2 呼吸死腔 呼吸死腔是指由呼吸器导致的不能有效换气的容积。呼吸死腔增大，气体交换率下降，出现二氧化碳积聚，严重时甚至会导致二氧化碳中毒。使用全面罩闭式呼吸器进行作业时，如果在口鼻处与呼吸管路之间形成较大呼吸死腔，呼出气中二氧化碳可能无法得到充分吸收，导致二氧化碳中毒；此外，如果采用混合气供气，吸入气中氧分压会下降，出现缺氧现象。因此，在闭式呼吸器结构人因工程学设计时，须充分考虑呼吸死腔对提高潜水作业安全性的重要意义，可以考虑在全面罩内增加口鼻面罩或采用咬嘴呼吸的方式来减少呼吸器的呼吸死腔。一般情况下，应将呼吸死腔控制在230 ml 以下。

3.3 面罩密闭性能及视野 面罩密闭性能及视野关系到整个潜水过程的安全性［13］。着闭式潜水呼吸器作业时，蛙人一般佩戴全面罩。由于每个个体脸型的差异，在设计时必须考虑蛙人的脸型特点，使面罩能满足大部分蛙人的脸型，提高面罩的适体性。通常情况下，面罩的漏气系数应不大于0.6。人员头、眼不动，直视前方所能观察到的全部空间称为视野。由于水的影响，蛙人在水中会出现视力下降、视野缩小、空间视觉改变等情况。使用面罩可在蛙人眼部与水之间提供一个气体空间。但是，使用这些装具将一定程度地限制周边的视野并存在一定的失真，影响潜水作业。

3.4 氧分压与二氧化碳分压 在设计闭式潜水装具时，吸入气中氧和二氧化碳分压须维持在人体的安全阈值范围内，一般氧分压控制在16～160 kPa，二氧化碳分压控制在1.5 kPa 以下，否则将导致缺氧、氧中毒及二氧化碳中毒［14-16］。此外，设计闭式呼吸器时还需充分考虑劳动时间和强度对人体氧和二氧化碳负荷的影响。水下劳动强度较大时，需要采取相应的补氧措施，使呼吸气体中的氧分压保持在安全范围内，并根据作业需要选择恒定氧质量、恒定氧比例和恒定氧分压的供气方式。随着作业时间的延长，二氧化碳吸收剂的吸收效率可能出现下降，因此在进行呼吸器设计时还需对吸收剂最大使用时间进行测试，保证吸入气中二氧化碳分压始终保持在安全范围内［17］。

4 闭式呼吸器使用人因工程学设计

4.1 穿脱便捷性 特种作业条件下，闭式呼吸器设计需要兼顾水下作业、水下防护等，因此较休闲潜水使用的呼吸器更加复杂，模块化配置更加繁多。在进行闭式呼吸器设计时，须考虑到蛙人在使用时穿脱的便捷性，减少准备时间，提高作业效率；同时，蛙人水下作业遇到突发情况时需要卸装后进行逃生，此时卸装时间直接关系到蛙人的生命安全。因此，在设计闭式呼吸器的连接装置时需要重点关注穿脱便捷性。

4.2 标准化设计 闭式呼吸器的功能状态对保持蛙人部队的战斗力具有重要影响，闭式呼吸器使用前后及长期封存期间均需要维护保养，保证其随时能投入战斗使用［18］。但是，闭式呼吸器中涉及的备品备件较开式呼吸器项目种类多，型号匹配难度大，甚至出现因备品备件无法及时供应导致作业无法开展的情况。因此，在闭式呼吸器设计时需要兼顾蛙人部队日常维护保养难的情况，尽量将备品备件进行标准化设计；如特殊部件无法进行标准化，需根据其使用年限及日常使用故障情况确定备品备件。

4.3 材料设计 使用闭式呼吸器进行长时间水下作业时，一般使用全面罩，还需考虑与人体皮肤直接接触的零部件是否亲肤，对于与人体皮肤直接接触的零部件，如呼吸咬嘴、面罩、鼓鼻装置等，应采用对人体皮肤无刺激且柔软的材料，如硅橡胶等，以提高舒适度。在穿脱系统选材时，需要兼顾材料的耐磨性、耐海水腐蚀性及舒适性，选用耐磨、不易腐蚀且符合人体受力均衡的材料。

4.4 其他 蛙人水下作业能力不仅受到呼吸器设计的人因工程学影响，同时还与蛙人本身的能力素质直接相关，包括触觉敏感性、肌肉力量、稳定性能力、手部敏捷性、追踪与四肢协调平衡能力、反应时间与警戒能力、认知与情绪调控能力等。国外对蛙人各种能力的测试及相关测评工具的开发研究较为完善，国内在这方面的研究尚缺乏，系统的测评工具也不足［19］。建立系统、全面的水下作业能力与蛙人素质方面的测评系统，可以更好地预测水下作业人员的表现，同时对水下作业人员进行职业训练也具有非常重要的作用。

5 结语

闭式呼吸器人因工程学设计是蛙人水下作业效率及安全的重要因素，国外在该领域已经开展了大量的研究，通过陆上适配性体验和水中实潜，进行穿戴舒适性、视阈、视角和稳定性等方面的检测，实现了对水下呼吸器的科学客观评价。目前我国水下闭式呼吸器设计研发尚处在起步阶段，只是解决了水下呼吸的基本生理需求，在人因工程设计方面尚不完善，给实际使用人员带来不便，易造成人员疲劳与水下事故的发生。因此，在未来闭式呼吸器设计研发中，需要将人因工程设计引入到闭式呼吸器研发的各个阶段，通过大量的比测实现闭式呼吸器人因工程学的实践突破，提高使用的安全性和舒适性。