极端事故背景下森林消防员自救逃生装置设计

摘要：森林火灾是世界性的难题，消防员在森林火灾扑救过程中时刻存在高度危险，目前针对森林消防员在极端火灾背景下的应急逃生装备还存在较多问题。文章通过文献资料分析、同类装置分析等方法，从造型、结构、功能设置、人机交互、使用方式等方面进行创新设计，设计了一款能在紧急情况下使用的森林消防员逃生装置，从而提高消防员在极端状况下的自救能力，以期为消防员面临极端火灾威胁生命时提供使用方便的自救逃生装置。关键词：森林火灾;消防员自救;逃生装置设计随着人类活动逐步延伸到森林中，导致森林火灾出现的概率越来越高，一旦发生森林火灾将造成财产损失，甚至重大人员伤亡，給灭火救援工作带来极大的挑战，也给森林消防员的人身安全带来巨大的威胁[1]。森林火灾给全球各个国家造成了极大的损失，森林消防员在森林火灾救援过程中牺牲的事件时有发生，如2019年四川凉山州森林火灾，一次性造成30位扑火人员牺牲。因此，设计森林消防员自救逃生装置非常必要。一、森林消防员救援装置需求与痛点分析近年来，全世界科研机构、企业以及学术界对森林消防员自救逃生装置做了许多探索，极大地促进了森林消防员自救逃生装置的发展与应用，这期间出现了一些实用性强，被森林消防员广泛采用的自救逃生装置。美国在1977年率先研制出了火场自救逃生装备——FireShelter避火罩（如图1所示）。当扑火人员被林火或浓烟围困时，扑火队员快速打开避火罩并进入其中，可以避免烧伤或吸入烟气造成的严重伤害。迄今为止，FireShelter已经挽救了上百名扑火人员的生命，避免了无数人被烧伤或吸入热气体所受到的伤害，是一种非常有效的森林防火自救逃生装备。在林业发达国家，例如加拿大、澳大利亚、俄罗斯等国早在20世纪80年代就开始不间断地研究、开发森林火场自救逃生装备[2]。后来又研发出单人避火帐篷（如图2所示），该装置可预防爆发火、回旋火这类极端火对森林消防员的伤害，政府为每个森林消防员都配备了单人避火帐篷，当森林消防员被困火场，无法脱身时，可就地迅速挖出一个浅坑，依靠避火帐篷藏入坑中逃生，但人只能在该装备内部呆15分钟。中国从2000年开始研究森林火场自救逃生装备，研发了森林消防避火罩。但是受资金、技术等限制，研发的森林消防避火罩是由金属铝箔和玻璃纤维合成的铝箔复合材料，制成的三角形封闭罩体，在实际使用中外形稳固性较差，容易塌陷，铝箔复合材料外层容易破损、脱离，应急救生的时间短，保护扑火人员作用有限[2]。专利文献CN110101988A[3]公布了一种用于森林灭火的消防员逃生装置（如图3所示），包括主支撑板架、伸缩支撑骨架和防护布罩，主支撑板架的左侧表面设置有伸缩支撑骨架，伸缩支撑骨架外部包裹有防护布罩，逃生人员可钻入防护布罩内部，防止被火焰烧伤;通过手把进行牵引，由主支撑板架下端两个滚轮与路面进行滚动，方便进行携带移动，将肩扣用于卡扣在携带人员的双肩上进行背负，腰带绑接在携带人员的腰部，避免森林山路对本发明不方便携带的情况产生[2]。专利文献CN210409316U[4]公布了一种用于森林消防爬山虎式的火场生命救援车（如图4所示），可以直接开进火场内部，在消防员身后，为消防员提供生命通道。突遇山火爆燃时，可进入快装防火仓，开车逃离火场。在道路不通或是陷入低洼，可通过速动分离器将快装防火仓与履带式集材拖拉机底盘分离，等待救援直升机通过快装防火仓顶部的吊装钩将快装防火仓带走，实现将消防员带离火场，保障了消防员的生命安全。通过比较以上产品，主要发现存在以下一些问题：现有的装备通过就地隔离，装置需要随身携带极为不便，对森林消防员是极大的负担;现有的装备为避火罩，若遇大火，难以保护森林消防员的性命;现有的装备多为避火帐篷，在其内部避火时间最长为15分钟，避火时间过短;现有的部分装备为火场生命救援车，遇到森林山路，救援车根本无法驶入。这些装置在一定程度上能够解决避火或逃离火场的问题，但由于避火装置的短时效性和救援工具的地形限制因素，在极端森林火灾环境下的森林消防员进行自救逃生方面仍存在一定的缺陷，无法同时解决避火和逃生的问题。综上，现有的装备在极端森林火灾背景下森林消防员进行自救逃生方面还存在一定的缺陷，文章将通过文献资料分析、同类装置分析、消防员访谈等方法，从造型、结构、功能设置、人机交互等方面进行创新设计，以期为消防员在极端火灾面临生命威胁时提供可靠性高的自救逃生装置。二、森林消防员自救逃生装置设计（一）设计定位1.用户定位在森林火灾环境下扑火的森林消防员。2.功能定位极端事故环境下的消防员自救逃生装置应具备快速移动和攀登、跨越障碍物功能，全方位应对不同地形自由移动以到达消防员位置，同时能自动调整角度将灭火终端对准火源方向。应具有探测功能，快速分析地形，根据地形作出相对应的辅助建议及不同方式的行动路线。应具有救助功能，将围困在火场中心的被困人员通过安全方式进行紧急救助并送出至安全场地。应具有远程遥控功能，通过无线通信让使用者远程监控或者直接控制消防设备状态及灭火救援行动的施展。应具有快速建立隔离带功能，将火焰扩散范围以最大效率控制住。（二）外观设计在造型上，由四个单体无人机组成。色彩上，针对紧急情况的事故背景，根据我国消防设备通常以红色为主，辅以黄色与白色的配色方案，该设计方案也采用经典的红黄配色，使该设备具有极佳的辨识度，从而引起高度的警觉和注意力。产品外观图如图5所示。（三）结构设计无人机旋翼：市面上的四翼无人机大多采用每个旋翼为两个桨，其运动结构较为简单，不适用于中型尺寸无人机。多旋翼无人机桨叶尺寸越大，越难迅速地改变其速度，同时在较大载重的情况下，桨的柔性十分重要，因此为了减少刚性桨叶的疲劳，使救援无人机能在气候条件不稳定的情况下也能最小受到风力的影响，采用直升机常见的无铰式旋翼。EB260324-D1BF-4738-99F8-B5D127221CFB无人机的组合与分離：该设计方案采用四个无人机组成一个整体，在救援时展开为四个相分离的无人机，在空中构筑一个基于XY水平面的“救助网”，使得救援舱可到达任意位置。卡扣：卡扣装置采用三个步骤进行连接部位的固定。与救援无人机绳索连接的为子扣，与消防员胸口固定的为母扣，材料使用中合金钢，在高温中仍有较高、稳定的强度。当绳索下降到消防员胸前时，消防员将子扣的圆盘插空放入胸前装置中，再将四个子扣旋转至对应的母扣中间，选好后摁下子扣与母扣中间的圆盘，母扣最右边的卡槽升起隔板，防止子扣滑出，进一步进行固定。绑带蓄冷剂：绑带交叉由后背绑于消防员胸前，胸前部分为连接装置对应的等边六边形状，绑带使用尼龙材质。在绑带的胸前部分、肩膀部分与背后部分放入隔冷板和化学蓄冷剂，当外界温度过高时，触发蓄冷剂发挥作用，尤其位于胸口部位的蓄冷剂能快速降低人体心肺处的热量，达到降温的最佳效果。（四）材料选择该救援装置采用防火镀锌钢板作为外壳，有质量轻、刚度大、抗冲击性良好等优点，能够广泛地应用于飞行器材的结构配置，更加注重防火耐高温、有较强的电磁干扰能力、强度高。起落架、机翼材料及固定装置均由碳纤维增强复合材料构成，碳纤维增强复合材料具有高强度、耐热性好的特点，可减少恶劣的森林火场环境的影响，同时碳纤维增强复合材料拥有出色的抗热冲击性，能使它在熊熊烈火中保持稳定的状态，精确定位投掷绳索。基础材料表面喷涂耐高温涂料，加强其耐热性能。救援绳索根据中华人民共和国公共安全行业标准消防用防坠落装备，使用的材质为芳纶，其阻燃耐高温的特性有利于消防员安全逃脱。（五）使用流程设计为了使消防员能够以最快的速度逃出火场，在兼顾消防员所在地火势情况的同时，要减少撤离时的操作步骤。第一，在森林灭火的过程中，该设计方案装置在森林火场周围待命，风向发生变化导致火势不可控制时，森林消防员通过腰挂定位装置发出求救信号后，该设计装置实时接收求救信号，并对信号进行定位，以便找到求救消防员。第二，该设计装置接收到信号之后，整体飞向求救位置，并投掷灭火弹，使求救消防员周围无大火，保护消防员的生命安全。第三，展开装置为四个无人机并滑动牵引器，放下救援平台，救援平台到达地面后，待救援的消防员可进入到救援平台，然后救援平台上升通过导轨传动装置将被救援的消防员运送到无人机的救援仓。第四，消防员进入救援仓后顶部降温装置将喷出冷却气体，被救人员可戴上呼吸面罩进行临时急救，最后可关闭舱门离开。三、设计方案主观可用性评估可用性是以人为中心，从人的角度看产品是否易于使用、高效、并使人感到满意[5]。由于该方案无法开发出实物，因此可用性评估对象将使用3D打印的模型进行。采用专家访谈法邀请多名具有扑火经验的消防员对所做的装置模型在材料、结构、外形、功能设