基于人类工效学的森林灭火手泵操作生物力学优化研究

基于人类工效学的森林灭火手泵操作生物力学优化研究一、绪论1.1研究背景与意义森林火灾作为一种极具破坏力的自然灾害，严重威胁着生态环境、生物多样性以及人类的生命财产安全。据统计，2023年全球受森林大火影响土地将近4亿公顷，而中国2023年共发生森林火灾328起，受害森林面积约0.4万公顷。森林火灾不仅会直接烧毁大量的森林植被，破坏野生动物的栖息地，导致生物多样性锐减，还会引发水土流失、空气污染等一系列次生灾害，对生态平衡造成长期的负面影响。例如，澳大利亚在2019-2020年的森林大火中，数十亿动物丧生，大片森林化为灰烬，生态环境遭受了毁灭性的打击。此外，森林火灾还会威胁到林区周边居民的生命财产安全，给社会经济发展带来巨大损失。因此，有效预防和扑救森林火灾至关重要。在森林火灾扑救中，森林灭火手泵作为一种便携式灭火工具，发挥着不可或缺的作用。它具有体积小、重量轻、操作简单等优点，能够在复杂地形和偏远区域迅速投入使用，为及时控制火势提供了可能。特别是在火灾初期，森林灭火手泵可以快速响应，有效遏制火势蔓延，为后续大规模灭火行动争取宝贵时间。然而，目前对于森林灭火手泵的研究主要集中在其灭火性能和技术改进方面，对其操作过程中的人体工效学和生物力学因素关注较少。人类工效学旨在研究人、机器及其工作环境之间的相互关系和影响，通过优化设计，使系统能够更好地适应人的生理和心理特点，从而提高工作效率、减少疲劳和错误。生物力学则侧重于研究人体在各种运动和受力情况下的力学特性和响应，为理解人体运动行为和预防运动损伤提供理论依据。将人类工效学与生物力学相结合，应用于森林灭火手泵操作的研究，具有重要的现实意义。一方面，从人类工效学角度出发，深入研究手泵的设计参数（如手柄形状、尺寸、操作力等）与人体生理特征（如手部尺寸、肌肉力量、关节活动范围等）的适配性，能够优化手泵的人机界面，提高操作人员的舒适度和操作效率，减少不必要的体力消耗。另一方面，基于生物力学原理，分析操作人员在使用手泵过程中的肢体运动模式、肌肉骨骼受力情况以及能量代谢特点，有助于揭示操作过程中的潜在风险因素，为制定科学合理的操作规范和防护措施提供依据，降低操作人员受伤的风险。综上所述，开展基于人类工效学的森林灭火手泵操作生物力学研究，不仅能够为森林灭火手泵的设计改进提供科学指导，提高其灭火效能和实用性，还能更好地保障操作人员的身体健康和安全，对于提升森林火灾扑救的整体水平具有重要的理论和实践价值。1.2国内外研究现状1.2.1森林灭火手泵人机工程学研究在国外，人机工程学应用于森林灭火手泵的研究开展较早。美国、加拿大等林业资源丰富且火灾频发的国家，十分重视森林灭火装备的人机工程设计。相关研究围绕手泵的整体结构布局、操作部件的尺寸与形状等方面展开。例如，美国的一些研究通过对消防员实际操作过程的跟踪观察，利用动作捕捉技术记录操作动作，分析操作过程中人体的舒适度和疲劳程度，发现手泵手柄的形状和尺寸对手部疲劳影响显著。合理的手柄设计应符合人体手部的自然抓握形态，减少手部肌肉的过度用力，从而降低疲劳。加拿大则侧重于研究手泵与背袋的一体化设计，考虑背袋的背负方式、重心分布以及与手泵的连接方式，以提高操作人员在行走和操作过程中的稳定性，减少身体的额外负担。国内在森林灭火手泵人机工程学方面的研究近年来也逐渐增多。学者们从中国人体尺寸特征出发，结合森林灭火作业环境特点，对森林灭火手泵进行优化设计。一些研究通过对不同地区、不同年龄段消防员的人体测量数据收集，建立了适合中国消防员的人体尺寸数据库，并以此为依据，对森林灭火手泵的手柄直径、长度，握持部位的形状等参数进行优化研究。例如，有研究通过实验对比不同手柄直径和长度的手泵操作时的人体疲劳程度和操作效率，得出适合中国消防员手部尺寸的手柄参数范围，为手泵的设计改进提供了数据支持。此外，国内研究还关注手泵操作界面的设计，如开关、调节按钮的位置和操作方式，力求使其更符合人体操作习惯，提高操作的便捷性和准确性。1.2.2森林灭火手泵操作生物力学研究国外在森林灭火手泵操作生物力学研究领域处于领先地位。运用先进的生物力学测试设备，如表面肌电仪、三维运动捕捉系统等，对操作人员在使用手泵过程中的肌肉活动、关节受力、肢体运动轨迹等进行精确测量和分析。通过表面肌电仪监测不同操作阶段手臂、肩部等主要肌肉群的电活动，了解肌肉的工作强度和疲劳发展过程；利用三维运动捕捉系统获取操作人员肢体的三维运动数据，分析关节的运动角度、角速度等参数，建立人体运动模型，进而研究操作过程中人体的力学响应机制。这些研究成果为制定科学合理的操作规范和防护措施提供了有力依据，有助于减少操作人员的运动损伤风险。国内在森林灭火手泵操作生物力学研究方面起步相对较晚，但发展迅速。部分高校和科研机构开始关注这一领域，采用与国外类似的先进设备和技术方法开展研究。通过实验研究，分析操作人员在不同操作频率、不同操作姿势下的肌肉骨骼受力情况，探究操作参数与人体生物力学响应之间的关系。例如，研究发现操作频率过高会导致肌肉疲劳加剧，关节受力异常，增加受伤风险；而合理调整操作姿势，如保持身体的稳定站立、手臂的自然伸展等，可以有效降低肌肉和关节的负荷。此外，国内研究还注重将生物力学研究成果与手泵的设计改进相结合，从生物力学角度提出手泵结构优化的建议，以提高手泵操作的安全性和舒适性。1.2.3研究不足分析尽管国内外在森林灭火手泵人机工程学和操作生物力学方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之处。在人机工程学研究中，虽然对操作部件的尺寸和形状进行了较多研究，但对于手泵与人体之间的动态交互关系研究不够深入。例如，在不同地形条件下，操作人员行走时手泵的晃动对手泵操作和人体稳定性的影响研究较少；对于手泵操作过程中的心理因素，如操作人员在紧张的火灾扑救环境下的操作行为和认知特点，缺乏系统的研究。在操作生物力学研究方面，现有的研究大多集中在单一操作动作或短时间操作过程中的生物力学分析，对于长时间、连续的森林灭火作业过程中人体生物力学的变化规律研究不足。此外，目前的研究主要针对健康成年人，对于不同身体状况、不同体能水平的操作人员在使用手泵时的生物力学差异研究较少，难以满足实际灭火工作中多样化的人员需求。同时，在将生物力学研究成果转化为实际应用方面，如开发针对性的防护装备和训练方法等，还存在一定的差距，需要进一步加强研究和实践探索。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究基于人类工效学，从多维度深入探究森林灭火手泵操作生物力学，旨在全面揭示操作过程中的人体力学响应机制，为手泵设计优化和操作规范制定提供科学依据。具体研究内容如下：森林灭火手泵操作力特性研究：精确测量不同型号森林灭火手泵在各种工况下的操作力，包括启动力、持续操作力、最大操作力等参数。分析操作力与手泵结构参数（如活塞直径、冲程长度、泵体材质等）之间的定量关系，通过理论建模和实验验证，建立操作力预测模型。研究操作力在不同操作频率和环境条件（如温度、湿度、海拔高度等）下的变化规律，评估其对操作人员体力消耗和操作效率的影响。例如，在高温环境下，操作力可能因泵体部件的热膨胀而增加，导致操作人员疲劳加剧。森林灭火手泵操作生理负荷研究：运用先进的生理监测设备，如心率变异性分析仪、血氧饱和度监测仪、呼吸代谢分析仪等，实时监测操作人员在使用手泵过程中的生理指标变化，包括心率、血压、血氧饱和度、呼吸频率、能量代谢率等。分析不同操作强度、操作时间和操作姿势下的生理负荷特征，建立生理负荷评价模型。通过对生理数据的深入挖掘，揭示操作过程中人体生理疲劳的发展机制，为制定合理的操作休息制度提供科学依据。例如，长时间高强度操作会导致心率持续升高，能量代谢率增加，当超过人体耐受阈值时，会引发严重的生理疲劳，影响操作安全性和效率。森林灭火手泵操作上肢生物力学研究：采用三维运动捕捉系统和表面肌电仪，同步采集操作人员上肢在操作手泵时的运动学数据（如关节角度、角速度、线速度等）和肌肉电活动数据。分析上肢各关节（肩关节、肘关节、腕关节）在不同操作阶段的运动模式和受力情况，建立上肢生物力学模型。通过有限元分析等方法，模拟上肢骨骼、肌肉、关节在操作力作用下的应力应变分布，评估潜在的运动损伤风险。例如，不合理的操作姿势可能导致关节受力不均，增加关节软骨磨损和肌肉拉伤的风险。1.3.2研究方法本研究综合运用多种研究方法，确保研究结果的科学性、可靠性和实用性。具体方法如下：实验研究法：设计并开展一系列实验，包括操作力测试实验、生理负荷实验和上肢生物力学实验。搭建专门的实验平台，模拟真实的森林灭火作业环境，控制实验变量，确保实验条件的一致性和可重复性。使用高精度的测量仪器，如力传感器、生理监测设备、运动捕捉系统等，准确获取实验数据。例如，在操作力测试实验中，通过力传感器精确测量不同手泵在不同工况下的操作力；在生理负荷实验中，利用生理监测设备实时记录操作人员的生理指标变化。理论分析法：基于机械力学、人体生理学、生物力学等相关理论，对实验数据进行深入分析。建立数学模型，描述手泵操作过程中的力学特性、生理响应和生物力学行为。运用理论推导和数值计算方法，求解模型参数，预测操作过程中的各种现象和变化趋势。例如，运用机械力学原理建立操作力与手泵结构参数之间的数学模型；基于人体生理学和生物力学理论，分析生理负荷和上肢生物力学响应机制。计算机模拟法：利用计算机辅助工程软件，如ANSYS、ADAMS等，建立森林灭火手泵和人体上肢的三维模型。通过模拟不同的操作条件和工况，对操作过程进行数值仿真分析。模拟结果可以直观地展示手泵的力学性能、人体上肢的运动和受力情况，为实验研究提供补充和验证。例如，在ADAMS软件中建立手泵和人体上肢的动力学模型，模拟不同操作姿势下上肢关节的受力情况，为优化操作姿势提供参考。问卷调查与主观评价法：设计针对森林灭火手泵操作的问卷调查，收集操作人员的主观感受和意见。包括对操作舒适性、疲劳程度、手泵设计合理性等方面的评价。结合主观评价结果，对实验研究和理论分析结果进行综合评估，使研究结果更符合实际操作需求。例如，通过问卷调查了解操作人员对手泵手柄形状、尺寸和操作力的满意度，为手泵设计改进提供方向。二、相关理论基础2.1人类工效学概述人类工效学，又称人机工程学、人因工程学，是一门综合性的边缘学科，它运用生理学、心理学、人体测量学、工程技术等多学科的理论和方法，研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素，以及人和机器及环境之间的相互作用，旨在实现人、机、环境系统的最佳匹配，使处于不同条件下的人能有效地、安全地、健康和舒适地进行工作与生活。从研究内容来看，人类工效学主要涵盖以下几个方面：一是人体特性的研究，包括人体尺寸、人体力量、人体活动范围、人体生理和心理特征等，这些研究成果为产品设计、工作空间布局提供了基础数据。例如，通过对人体手部尺寸和抓握力量的研究，可以设计出更符合人手操作的工具手柄。二是人机系统设计，研究如何设计机器设备的操作装置、显示装置等，使其与人体的生理和心理特点相适应，提高操作的便捷性和准确性。如汽车的仪表盘设计，需要考虑驾驶员的视觉范围和认知特点，确保各种信息能够清晰、快速地被驾驶员获取。三是工作环境研究，关注工作场所的物理环境（如温度、湿度、照明、噪声、振动等）和社会环境（如工作压力、团队协作等）对人的影响，通过优化环境因素来提高人的工作效率和舒适度。例如，在高温环境下工作，人体容易疲劳，通过合理的通风和降温措施，可以改善工作环境，保障工作人员的健康和工作效率。四是作业方法研究，分析不同的作业流程和操作方法对人体的负荷和工作效率的影响，寻求最优化的作业方式。比如，在工厂生产线上，通过对工人操作动作的分析和改进，可以减少不必要的动作，降低劳动强度，提高生产效率。人类工效学的应用领域极为广泛，涉及工业、交通、医疗、教育、军事等多个行业。在工业领域，它被应用于产品设计、生产流程优化、工作场所布局等方面，有助于提高生产效率、降低生产成本、减少工伤事故。在汽车制造中，运用人类工效学原理设计汽车座椅，使其能够为驾驶员和乘客提供良好的支撑和舒适度，减少长时间驾驶的疲劳感；优化汽车内部操作界面，方便驾驶员操作各种功能按钮，提高驾驶安全性。在交通领域，人类工效学用于交通工具的设计、交通设施的布局以及交通管理系统的优化。飞机驾驶舱的设计充分考虑飞行员的操作习惯和视觉需求，确保在复杂的飞行环境下，飞行员能够准确、快速地操作各种设备；道路标识的设计也遵循人类工效学原则，使其在不同的天气和光照条件下都能清晰可见，引导驾驶员安全行驶。在医疗领域，人类工效学有助于医疗设备的设计和医疗工作环境的改善，提高医疗服务质量和医护人员的工作效率。例如，设计符合人体工程学的手术器械，方便医生进行精细操作，减少手部疲劳；优化医院病房的布局，方便患者和医护人员的活动。在森林灭火手泵设计中，人类工效学具有不可忽视的重要性。森林灭火工作环境复杂、任务艰巨，操作人员需要长时间、高强度地使用手泵，因此手泵的设计必须充分考虑人体的生理和心理特点。从生理角度看，手泵的手柄形状、尺寸和操作力应与人体手部的结构和力量相匹配，以减少手部肌肉的疲劳和损伤。合理的手柄直径和长度可以使操作人员在操作过程中保持自然的抓握姿势，避免手部过度用力；适当的操作力可以减轻操作人员的体力消耗，提高操作的持续性。手泵的整体重量和重心分布也需要考虑人体的承受能力和平衡特性，确保操作人员在背负手泵行走和操作时能够保持稳定，减少身体的额外负担。从心理角度看，手泵的操作界面应简洁明了、易于操作，减少操作人员在紧张的火灾扑救环境下的操作失误。清晰的标识和合理的按钮布局可以使操作人员快速准确地进行各种操作，增强他们的操作信心和安全感。此外，符合人类工效学的手泵设计还可以提高操作人员的工作效率，使他们能够更迅速、有效地扑灭火灾，保护森林资源和人民生命财产安全。2.2生物力学基础生物力学是一门将力学原理应用于生物系统，研究生物体及其组成部分的力学行为和机械性能的交叉学科，融合了物理学、生物学、医学以及工程学等多学科知识，旨在揭示生物体在各种力学作用下的响应机制和规律。其研究范围极为广泛，涵盖从生物整体的宏观运动，如人体的行走、奔跑、跳跃等，到微观层面细胞、组织和器官的力学特性，如细胞的变形、血管的弹性、骨骼的应力应变等。在生物力学中，力是核心要素，它是导致物体运动状态改变或形状变形的根本原因。力的作用效果多样，可分为拉力、压力、剪切力和扭矩等。拉力能够使物体沿着力的方向伸长，例如当肌肉收缩时，会对骨骼产生拉力，促使肢体运动；压力则使物体受到压缩，骨骼在承受身体重量时就承受着压力，维持身体的直立姿势；剪切力是物体两侧受到方向相反且平行的力，导致物体发生相对滑动，常见于关节部位，关节面之间的摩擦和滑动就涉及剪切力；扭矩是指使物体绕轴旋转的力，某些肌肉的收缩会产生扭矩，实现关节的转动，如手臂的旋转动作。生物力学的基本原理建立在经典力学的基础之上，主要包括牛顿运动定律、能量守恒定律、动量守恒定律以及胡克定律等。牛顿运动定律描述了物体的运动与所受力之间的关系，在生物力学中用于分析人体运动时的受力情况和运动状态变化。当人行走时，通过分析地面反作用力、肌肉力等，运用牛顿运动定律可以计算出人体各部位的加速度、速度和位移等参数。能量守恒定律指出在一个封闭系统中，能量不会凭空产生或消失，只会从一种形式转化为另一种形式，这在生物力学中有助于研究人体运动过程中的能量代谢和转化，比如在跑步过程中，人体通过消耗化学能（来自食物）转化为机械能（动能和势能）来维持运动。动量守恒定律表明在没有外力作用的系统中，系统的总动量保持不变，对于理解人体在碰撞、跌倒等情况下的力学行为具有重要意义，在分析运动员在跳跃落地时的缓冲动作时，可以利用动量守恒定律来优化动作，减少冲击力对身体的伤害。胡克定律主要用于描述弹性材料在受力时的变形规律，对于研究生物材料如骨骼、肌肉、血管等的弹性力学性质至关重要，通过测量骨骼在不同外力作用下的变形，依据胡克定律可以确定骨骼的弹性模量，评估其力学性能。在人体运动分析中，生物力学发挥着举足轻重的作用。通过运用生物力学原理和方法，能够深入研究人体在各种运动和活动中的力学特性，为运动训练、康复治疗、体育器材设计以及预防运动损伤等提供科学依据。在运动训练领域，生物力学分析可以帮助教练和运动员了解运动技术动作的力学原理，优化运动技巧，提高运动成绩。以短跑为例，通过高速摄像机和三维运动捕捉系统获取运动员的跑步姿态、步频、步幅等数据，结合生物力学分析软件，分析运动员在起跑、加速、途中跑和冲刺阶段的肌肉发力模式、关节运动角度和速度等参数，找出影响跑步速度的关键因素，针对性地进行训练改进，从而提高短跑成绩。在康复治疗中，生物力学为制定个性化的康复方案提供了理论支持。对于骨折、关节损伤等患者，利用生物力学原理评估损伤部位的力学环境，设计合适的康复训练计划，通过控制康复器械的阻力、运动轨迹等参数，促进受损组织的修复和功能恢复。例如，为膝关节损伤患者设计康复训练方案时，根据生物力学原理，合理调整康复训练的强度和频率，避免过度受力导致二次损伤，同时通过特定的运动训练增强膝关节周围肌肉的力量，提高关节的稳定性。在体育器材设计方面，生物力学的应用可以使器材更加符合人体运动的力学需求，提高运动员的竞技表现和安全性。网球拍的设计需要考虑球拍的重量分布、平衡点、弹性等因素，运用生物力学原理进行优化设计，使球拍在击球时能够更好地传递力量，减少运动员手臂的负担，提高击球的准确性和力量。运动鞋的设计也充分运用生物力学原理，根据不同运动项目的特点和人体足部的力学结构，设计出具有良好支撑、缓冲和稳定性的鞋底和鞋身结构，减少运动过程中对脚部和关节的冲击，预防运动损伤。在预防运动损伤方面，生物力学研究有助于揭示运动损伤的发生机制，制定相应的预防措施。通过对大量运动损伤案例的生物力学分析，发现某些运动姿势、动作习惯以及运动强度等因素与运动损伤的发生密切相关。针对这些因素，制定科学合理的运动训练计划和防护措施，如加强对运动员的热身训练、纠正不良的运动姿势、合理安排运动强度等，可以有效降低运动损伤的发生率。2.3森林灭火手泵简介森林灭火手泵作为一种便携式灭火设备，在森林火灾扑救中扮演着不可或缺的角色。其结构设计紧密围绕灭火功能需求，具备独特的构造和工作原理，以适应复杂多变的森林灭火环境。从结构上看，森林灭火手泵通常由泵体、泵杆、手柄、进水管道、出水管道以及储水容器（如背袋式水囊）等主要部件组成。泵体是手泵的核心部件，一般采用高强度工程塑料或金属材质制成，具备良好的耐压性和耐腐蚀性，能够承受灭火过程中的高压水流冲击。泵杆连接着手柄和泵体内的活塞，通过手柄的往复运动带动泵杆和活塞在泵体内做直线往复运动。手柄的设计注重人体工程学，通常具有合适的握持直径和长度，表面采用防滑处理，以方便操作人员施力，减少手部疲劳。进水管道一端连接泵体的进水口，另一端用于插入水源（如河流、池塘、水桶等），其材质多为耐磨损、耐弯折的橡胶或塑料，确保在复杂地形和环境下能够顺利吸水。出水管道则连接泵体的出水口，将泵体加压后的高压水流输送至灭火区域，一般配备有可调节的喷头，能够根据火势和灭火需求调整水流的喷射形状和射程。储水容器（背袋式水囊）通常采用柔软、耐用的防水材料制成，容量一般在10-20升左右，通过背带系统方便操作人员背负，为手泵提供持续的水源供应。森林灭火手泵的工作原理基于活塞式泵的工作机制。当操作人员上下往复推动手柄时，手柄带动泵杆和活塞在泵体内做直线往复运动。在活塞上行过程中，泵体内腔容积增大，压力降低，形成负压，外界水源在大气压的作用下，通过进水管道被吸入泵体内腔。当活塞下行时，泵体内腔容积减小，压力升高，将泵体内的水通过出水管道挤压出去，形成高压水流，从喷头喷射而出，用于扑灭火灾。这种工作原理使得森林灭火手泵能够在没有外部动力源的情况下，依靠人力实现对水的加压和输送，具有较强的机动性和灵活性。在操作方式上，使用森林灭火手泵时，操作人员首先需要将背袋式水囊装满水并背负在身上，确保水源供应。然后，将进水管道插入水源中，打开进水阀门。双手握住手柄，通过有节奏地上下往复推动手柄，使泵体进行吸水和排水操作。在操作过程中，操作人员需要根据火势大小和灭火需求，适时调整手柄的推动频率和力度，以控制水流的喷射压力和流量。同时，通过调节喷头的角度和形状，使水流能够准确地覆盖火源，达到最佳的灭火效果。操作结束后，关闭进水阀门，排空泵体内和管道内的剩余水，对设备进行清洁和保养，以便下次使用。在森林灭火场景中，森林灭火手泵具有广泛的应用。在火灾初期，火势较小且尚未蔓延时，灭火手泵能够快速响应，操作人员可以迅速携带手泵到达火源附近，利用其便捷的操作方式，及时进行灭火作业，将火灾扑灭在萌芽状态。在地形复杂、交通不便的山区或偏远林区，大型灭火设备难以到达，森林灭火手泵的便携性优势得以充分体现，操作人员可以通过徒步或背负的方式，将手泵运输到火灾现场，进行灭火工作。此外，在配合大型灭火设备进行灭火时，森林灭火手泵也可作为辅助设备，用于扑灭一些零星火源或对大型灭火设备难以触及的角落进行补灭作业。然而，森林灭火手泵也存在一定的局限性。由于其依靠人力操作，操作强度较大，长时间使用容易导致操作人员疲劳，从而影响灭火效率和持续作战能力。手泵的流量和压力相对有限，对于较大规模的火灾或高强度的火势，可能无法满足灭火需求，只能起到辅助灭火的作用。森林灭火手泵的有效射程一般较短，通常在10-20米左右，对于距离较远的火源，难以直接进行扑救。在水源匮乏的地区，手泵的使用也会受到限制，因为需要频繁寻找和补充水源，影响灭火工作的连续性。三、森林灭火手泵操作的静态生物力学分析3.1人体测量学与上肢生物力学特性人体测量学作为人类工效学的重要基础，专注于研究人体的形态、结构和功能特征的测量科学，通过对人体各部位尺寸、形状、比例等的精确测量，深入揭示人体生长发育、体型变化以及健康状况等方面的规律，为众多领域提供了不可或缺的基础数据和理论支持。在森林灭火手泵操作研究中，人体测量学发挥着关键作用，为理解操作过程中的人体生物力学响应提供了重要依据。人体测量的方法丰富多样，每种方法都有其独特的优势和适用范围。直接测量法是最为常见的一种，它通过使用如卷尺、卡尺、测高仪等测量工具，直接对人体部位进行测量，从而获取相关尺寸数据。这种方法操作简单、直观，能够快速得到较为准确的测量结果，适用于人体各个部位的长度、宽度、高度等尺寸的测量，例如身高、坐高、臀宽等参数的获取。在研究森林灭火手泵操作时，可以利用直接测量法测量操作人员的手部尺寸，包括手掌长度、宽度、手指长度等，这些数据对于手泵手柄的设计至关重要，合适的手柄尺寸能够提高操作人员握持的舒适性和操作的便捷性，减少手部疲劳。间接测量法则是通过测量与人体部位相关联的其他参数，再运用数学公式推算出所需尺寸数据的方法。这种方法适用于一些难以直接测量的部位或参数，如人体体表面积、体积等。在研究手泵操作对人体能量代谢的影响时，可以通过测量操作人员的心率、呼吸频率等生理参数，利用相关公式间接推算出能量消耗情况，从而评估操作强度对人体生理负荷的影响。摄影测量法借助相机、摄影棚以及图像处理软件等工具，通过拍摄人体图像并对图像进行测量和分析，来获取人体形态、姿势、运动等方面的信息。在森林灭火手泵操作研究中，摄影测量法可用于记录操作人员的操作姿势和动作轨迹，通过对图像的分析，判断操作姿势是否合理，是否存在潜在的运动损伤风险，进而提出改进建议，优化操作姿势。随着科技的不断进步，三维扫描技术在人体测量学中得到了广泛应用。它使用三维扫描仪对人体进行全方位扫描，能够快速、精确地获取人体表面的三维坐标数据，构建出人体的三维模型，实现对人体形态、结构、姿势等方面的高精度测量和分析。在研究手泵操作时，三维扫描技术可以精确测量操作人员上肢的骨骼结构和肌肉形态，为建立上肢生物力学模型提供详细的数据支持，有助于深入分析上肢在操作过程中的受力情况和运动机制。在森林灭火手泵操作中，上肢扮演着核心角色，其骨骼、肌肉结构与运动力学特性直接影响着操作的效率和安全性。上肢骨骼主要由肩胛骨、锁骨、肱骨、尺骨和桡骨等组成，这些骨骼相互连接，构成了上肢的基本框架，为肌肉提供了附着点，同时也决定了上肢的运动范围和灵活性。肩胛骨与锁骨相连，构成肩关节，它是上肢与躯干的连接部位，能够进行多种复杂的运动，如前屈、后伸、外展、内收、旋内和旋外等，这些运动对于操作人员在不同位置和角度操作手泵至关重要。肱骨是上肢最长的骨骼，它与肩胛骨和尺骨、桡骨分别构成肩关节和肘关节，在操作手泵时，肱骨的运动带动前臂和手部的运动，传递操作力。尺骨和桡骨共同构成前臂骨，它们之间的相互运动使得前臂能够进行旋前和旋后动作，这在操作手泵时，对于调整手泵的方向和角度非常关键。上肢肌肉众多，可分为肩部肌肉、臂部肌肉和前臂肌肉等多个肌群，每个肌群都有其特定的功能，协同作用实现上肢的各种运动。肩部肌肉中的三角肌是肩部最显著的肌肉，它分为前部、中部和后部纤维，能够使肩关节外展、前屈和后伸，在操作手泵时，三角肌的收缩可以帮助操作人员抬起手臂，进行上下往复的操作动作。冈上肌位于肩胛骨冈上窝内，主要功能是使肩关节外展，在操作初期，冈上肌的收缩有助于手臂的起始动作，为后续的操作提供动力。臂部肌肉的肱二头肌位于上臂前侧，能够使肩关节屈曲和外旋，同时也能使肘关节屈曲，在操作手泵时，肱二头肌的收缩可以帮助操作人员弯曲手臂，拉动泵杆，完成吸水和排水的动作。肱三头肌位于上臂后侧，其主要作用是使肘关节伸展，与肱二头肌相互配合，实现手臂的屈伸运动，在操作手泵时，肱三头肌的收缩可以将弯曲的手臂伸直，推动泵杆，增加操作力。前臂肌肉包括腕屈肌、腕伸肌、旋前圆肌和旋后圆肌等，它们能够使手腕进行屈伸、旋转等动作，以及使前臂进行旋前和旋后运动，在操作手泵时，这些肌肉的协同作用可以帮助操作人员稳定手泵，调整操作角度，确保水流准确地喷射到火源处。在操作森林灭火手泵时，上肢的运动力学特性十分复杂，涉及到多个关节的协同运动和肌肉的收缩发力。当操作人员握住手泵手柄进行上下往复运动时，肩关节、肘关节和腕关节同时参与运动，形成一个复杂的运动链。在这个过程中，肩部肌肉、臂部肌肉和前臂肌肉需要协同收缩，产生足够的力量来克服手泵的操作阻力，同时还要保持上肢的稳定，确保操作的准确性和连续性。操作过程中，肌肉的收缩方式和力量大小会随着操作频率和力度的变化而改变，长时间的操作容易导致肌肉疲劳，影响操作效率和安全性。因此，深入研究上肢在操作手泵时的生物力学特性，对于优化手泵设计、制定合理的操作规范以及预防操作人员的运动损伤具有重要意义。3.2手泵操作静态操作力测试与分析为深入了解森林灭火手泵操作过程中的静态操作力特性，本研究开展了相关测试实验。实验选取了15名身体健康、具备一定森林灭火经验的男性志愿者作为测试对象，他们的年龄在25-35岁之间，平均年龄为（28.5±3.2）岁，体重在65-80kg之间，平均体重为（72.3±4.5）kg，身高在170-185cm之间，平均身高为（176.4±5.1）cm。所有志愿者在实验前均进行了身体检查，确保身体状况良好，能够适应实验强度。实验采用的森林灭火手泵为市场上常见的两种型号，分别标记为A型号和B型号。这两种型号手泵在结构设计、泵体材质、活塞直径等方面存在一定差异。A型号手泵采用铝合金泵体，活塞直径为40mm，冲程长度为200mm；B型号手泵采用高强度工程塑料泵体，活塞直径为35mm，冲程长度为180mm。实验过程中，模拟真实的森林灭火场景，将手泵的进水管道连接到水源（水桶），出水管道连接喷头，并调整喷头至水平位置，确保水流喷射顺畅。实验使用高精度力传感器（精度为±0.1N），将其安装在手泵手柄与泵杆的连接处，用于实时测量操作手泵时手柄所受到的力。力传感器与数据采集系统相连，数据采集频率设置为100Hz，以确保能够准确捕捉操作力的瞬间变化。在实验开始前，对力传感器进行校准，确保测量数据的准确性。同时，为了保证实验结果的可靠性，对每个型号的手泵，每位志愿者均进行3次重复测试，每次测试持续时间为5分钟，测试过程中保持操作频率稳定在每分钟30次左右。在实验过程中，要求志愿者双手握住手泵手柄，采用自然、舒适的操作姿势，按照规定的操作频率进行上下往复操作。实验人员在旁边密切观察志愿者的操作状态，确保操作过程符合要求。同时，记录每次测试过程中的操作力数据，包括启动力、持续操作力、最大操作力和最小操作力等参数。启动力定义为手泵开始工作时所需克服的初始阻力，即手柄从静止状态开始移动时的瞬间力值；持续操作力是指在稳定操作过程中，手柄所受到的平均力值；最大操作力和最小操作力分别为整个操作过程中出现的力的最大值和最小值。通过对实验数据的整理和分析，得到了两种型号森林灭火手泵的静态操作力特性。在启动力方面，A型号手泵的平均启动力为（35.6±4.2）N，B型号手泵的平均启动力为（30.8±3.5）N。这表明B型号手泵在启动时相对更容易，所需克服的初始阻力较小，可能是由于其泵体材质较轻以及活塞直径较小，减少了启动时的摩擦力和惯性力。在持续操作力方面，A型号手泵的平均持续操作力为（25.4±3.1）N，B型号手泵的平均持续操作力为（22.7±2.8）N。B型号手泵的持续操作力也相对较小，这使得操作人员在长时间操作过程中，体力消耗相对较少，能够更好地保持操作的持续性和稳定性。对于最大操作力，A型号手泵的最大值达到（45.8±5.3）N，出现在活塞下行至接近底部位置时，此时需要克服较大的水压力和摩擦力；B型号手泵的最大操作力为（40.5±4.8）N，同样出现在活塞下行的特定位置，但由于其结构和参数特点，最大操作力相对较小。最小操作力方面，A型号手泵的最小值为（18.6±2.5）N，B型号手泵的最小值为（15.9±2.1）N，均出现在活塞上行过程中，此时所需克服的阻力相对较小。进一步分析操作力的变化规律发现，两种型号手泵的操作力均呈现出周期性变化的特点，与活塞的往复运动频率一致。在一个操作周期内，操作力随着活塞的运动位置而变化，活塞上行时操作力逐渐减小，活塞下行时操作力逐渐增大。这是因为活塞上行时，泵体内腔容积增大，压力降低，外界水源在大气压作用下流入泵体，所需克服的阻力主要为管道摩擦力和水流惯性力；而活塞下行时，泵体内腔容积减小，压力升高，需要克服水的压力将水挤出泵体，因此操作力增大。此外，通过对比不同志愿者的操作力数据，发现个体之间存在一定差异。这可能与志愿者的身体素质、肌肉力量、操作习惯等因素有关。身体素质较好、肌肉力量较强的志愿者，在操作手泵时，能够更轻松地克服操作阻力，操作力相对较小；而操作习惯也会对操作力产生影响，如握持手柄的姿势、发力方式等。一些志愿者在操作过程中，能够合理运用身体的力量，采用较为省力的操作姿势，从而降低了操作力。而另一些志愿者可能由于操作不熟练或姿势不当，导致操作力较大，且容易产生疲劳。综上所述，通过本次静态操作力测试实验，明确了不同型号森林灭火手泵的静态操作力大小、变化规律及影响因素。这些结果为进一步研究手泵操作的生物力学特性，以及优化手泵设计、制定合理的操作规范提供了重要的实验依据。在实际应用中，可以根据不同型号手泵的操作力特点，选择适合的操作人员，并对操作人员进行针对性的培训，使其掌握正确的操作姿势和发力方式，以降低操作力，减少体力消耗，提高灭火效率和安全性。3.3操作界面参数对静态操作力的影响森林灭火手泵操作界面参数，如手柄直径、长度、形状等，对静态操作力有着显著影响，直接关系到操作人员的使用体验和灭火效率。为深入探究这些参数的影响规律，本研究开展了相关实验与模拟分析。实验选取了三种不同手柄直径（30mm、35mm、40mm）、三种不同手柄长度（100mm、120mm、140mm）以及三种不同手柄形状（圆形、椭圆形、D形）的森林灭火手泵样机。每种参数组合下的样机均选取10名身体健康、具备一定森林灭火经验的志愿者进行操作力测试，志愿者的年龄在25-35岁之间，平均年龄为（29.2±3.5）岁，体重在65-80kg之间，平均体重为（73.1±4.8）kg，身高在170-185cm之间，平均身高为（177.3±5.3）cm。实验过程中，利用高精度力传感器（精度为±0.1N）测量操作力，数据采集频率设置为100Hz。同时，为确保实验结果的可靠性，每位志愿者对每种样机均进行3次重复测试，每次测试持续时间为5分钟，操作频率保持在每分钟30次左右。实验结果表明，手柄直径对静态操作力影响明显。当手柄直径为30mm时，平均操作力为（28.5±3.2）N；直径增加到35mm时，平均操作力降至（25.6±2.8）N；直径为40mm时，平均操作力为（27.3±3.0）N。可见，35mm的手柄直径使操作人员在操作过程中能够更自然地握持手柄，手部肌肉的发力更为均匀，从而降低了操作力。这是因为该直径更接近人体手部的舒适抓握尺寸，减少了手部肌肉的额外负担。而30mm的手柄直径相对较细，操作人员需要更用力地握持，导致手部肌肉紧张，操作力增大；40mm的手柄直径过粗，手部难以完全包裹，影响了力的传递效率，也使得操作力有所上升。手柄长度对静态操作力同样有重要影响。当手柄长度为100mm时，平均操作力为（29.1±3.3）N；长度增加到120mm时，平均操作力为（24.8±2.6）N；长度为140mm时，平均操作力为（26.5±2.9）N。120mm的手柄长度使操作人员在操作时能够更好地利用手臂的力量，通过合理的手臂摆动和发力，减少了手部单独用力的程度，从而降低了操作力。100mm的手柄长度较短，操作人员在操作过程中手臂的伸展受到限制，难以充分发挥手臂的力量，只能依靠手部肌肉发力，导致操作力较大。140mm的手柄长度过长，手臂在操作时需要过度伸展，容易产生疲劳，且力的传递过程中容易出现损耗，也使得操作力相对较高。手柄形状对静态操作力的影响也不容忽视。在圆形、椭圆形、D形三种手柄形状中，D形手柄的平均操作力最小，为（23.7±2.4）N；椭圆形手柄的平均操作力为（26.2±2.7）N；圆形手柄的平均操作力为（27.8±3.1）N。D形手柄的设计更符合人体手部的生理结构，其扁平的一侧可以更好地贴合手掌，提供更稳定的握持感，减少手部的滑动和晃动，使操作人员在操作过程中能够更有效地发力，从而降低了操作力。椭圆形手柄虽然在一定程度上也能适应手部形状，但不如D形手柄贴合紧密；圆形手柄的表面较为光滑，在操作过程中手部容易产生滑动，影响力的传递和操作的稳定性，导致操作力相对较大。为进一步深入分析操作界面参数对静态操作力的影响机制，本研究运用计算机辅助工程软件ANSYS进行模拟分析。建立了森林灭火手泵和人体上肢的三维模型，并赋予模型相应的材料属性和力学参数。通过模拟不同手柄直径、长度、形状下的操作过程，分析了手部与手柄之间的接触力分布、上肢肌肉的受力情况以及操作力的变化规律。模拟结果与实验结果基本一致，验证了实验结论的可靠性。基于实验和模拟分析结果，为优化森林灭火手泵的操作界面参数，提出以下建议：在手柄直径方面，建议选择35mm左右的直径，以提供舒适的握持感和较低的操作力；手柄长度宜设置为120mm左右，使操作人员能够充分利用手臂力量，减少手部疲劳；在手柄形状上，优先采用D形手柄设计，以提高握持的稳定性和操作的效率。此外，还可以考虑在手柄表面采用防滑处理，增加摩擦力，进一步提高操作的可靠性。通过这些优化措施，可以有效降低森林灭火手泵的静态操作力，提高操作人员的工作效率和舒适度，减少体力消耗，为森林灭火工作提供更有力的支持。四、森林灭火手泵操作对人体生理负荷的影响4.1人机界面作业负荷评价方法在森林灭火手泵操作研究中，准确评估人机界面作业负荷对于优化手泵设计、保障操作人员健康和提高灭火效率至关重要。目前，常用的作业负荷评价方法包括心率监测、表面肌电信号分析以及主观疲劳评价等，每种方法都从不同角度揭示了操作人员在作业过程中的生理和心理状态变化。心率作为反映人体心血管系统功能状态的重要生理指标，在作业负荷评价中应用广泛。其原理基于人体在运动或作业时，心脏为满足身体代谢需求，会加快跳动频率，以增加心输出量，输送更多氧气和营养物质到肌肉组织。在森林灭火手泵操作过程中，随着操作强度的增加和时间的延长，操作人员的心率会相应上升。当操作人员以较高频率和较大力度操作手泵时，肌肉需氧量大幅增加，心脏需加快跳动来维持足够的氧供，从而导致心率升高。通过持续监测心率变化，能直观了解操作人员的生理应激程度和作业负荷大小。研究表明，在一定范围内，心率与作业强度呈正相关关系，可依据心率变化评估作业强度对人体的影响。在实际应用中，常采用心率变异性（HRV）分析进一步评估心脏自主神经系统的功能状态，HRV是指逐次心跳周期之间的微小差异，反映了心脏自主神经系统对心脏的调节作用。在高负荷作业下，HRV会降低，表明心脏自主神经系统的调节能力受到抑制，提示操作人员可能处于疲劳或应激状态。利用心率监测作业负荷时，可使用便携式心率监测设备，如心率手环、胸带式心率监测器等，方便操作人员在实际作业中实时监测心率。设定合理的心率阈值，当心率超过阈值时，提示操作人员适当休息，以避免过度疲劳和潜在的健康风险。表面肌电信号（sEMG）是肌肉在收缩过程中产生的生物电信号，能够客观反映肌肉的活动状态和疲劳程度。当肌肉收缩时，肌纤维产生动作电位，这些电位的总和形成表面肌电信号，通过放置在皮肤表面的电极可采集到该信号。在森林灭火手泵操作中，上肢肌肉频繁收缩，表面肌电信号特征会随肌肉负荷和疲劳程度变化。常用的表面肌电信号特征参数包括均方根值（RMS）、平均绝对值（MAV）、中值频率（MF）和平均功率频率（MPF）等。RMS和MAV用于评估肌肉收缩的强度，在肌肉承受较大负荷或疲劳时，RMS和MAV会降低，因为此时肌肉收缩的稳定性下降，电信号幅值减小；而在肌肉处于较轻负荷或较为放松状态时，RMS和MAV会增加。MF和MPF常用于评估肌肉收缩的力量和疲劳程度，肌肉受到较大负荷或疲劳时，肌电信号的频率成分会发生变化，高频成分减少，低频成分增加，导致MF和MPF降低。通过分析这些特征参数的变化，能准确判断肌肉的疲劳程度和作业负荷。在实际研究中，利用表面肌电采集系统采集操作人员上肢主要肌肉群（如三角肌、肱二头肌、肱三头肌等）的表面肌电信号，然后运用信号处理和分析算法提取特征参数，绘制特征参数随时间的变化曲线，直观展示肌肉疲劳的发展过程。结合肌肉的解剖结构和运动功能，深入分析不同肌肉群在操作过程中的协同作用和负荷分配情况，为优化操作姿势和减轻肌肉疲劳提供依据。主观疲劳评价是通过操作人员对自身疲劳程度的主观感受进行量化评估的方法，具有简单、直接的特点。目前，主观疲劳评价量表主要有Borg量表和CR-10量表等。Borg量表最初为6-20级，后修改为0-10级，用于评价身体活动过程中的主观疲劳感觉和用力程度，其中6表示完全没有疲劳感，20表示极度疲劳。CR-10量表则更为简洁，0表示无疲劳，10表示非常严重的疲劳。在森林灭火手泵操作研究中，在操作前、操作过程中的特定时间点以及操作结束后，让操作人员根据自身疲劳感受在量表上进行打分，以此获取主观疲劳数据。主观疲劳评价能反映操作人员的整体疲劳感受，包括生理和心理方面的疲劳，因为它不仅涉及肌肉疲劳，还涵盖了因长时间高强度作业产生的心理压力和厌倦情绪等因素。主观评价受个体主观因素影响较大，不同操作人员对疲劳的感知和耐受程度存在差异，且评价结果可能受当时的情绪、环境等因素干扰。在实际应用中，可将主观疲劳评价与心率、表面肌电信号等客观评价方法相结合，相互补充和验证，以更全面、准确地评估作业负荷。例如，在分析实验数据时，对比主观疲劳评分与心率、表面肌电信号特征参数的变化趋势，若三者变化趋势一致，则能更有力地支持评价结果；若存在差异，则进一步分析原因，考虑个体差异、操作习惯、环境因素等对评价结果的影响。4.2实验设计与实施本实验旨在深入研究森林灭火手泵操作对人体生理负荷的影响，通过多维度的数据采集与分析，揭示操作过程中人体生理指标的变化规律，为优化手泵设计和制定合理的操作规范提供科学依据。实验选取了30名身体健康、具备一定森林灭火经验的男性志愿者作为被试人员。他们的年龄范围在25-35岁之间，平均年龄为（28.8±3.0）岁，平均体重为（73.5±4.0）kg，平均身高为（177.0±5.0）cm。在实验前，对所有志愿者进行全面的身体检查，确保其心肺功能、肌肉骨骼系统等均处于良好状态，无重大疾病史和运动损伤史，以保证实验数据的可靠性和有效性。同时，向志愿者详细介绍实验目的、流程和注意事项，获得他们的知情同意。实验采用市场上广泛使用的某型号森林灭火手泵，该手泵的主要技术参数为：泵体材质为高强度工程塑料，活塞直径38mm，冲程长度190mm，最大工作压力1.5MPa，最大流量1.5m³/min。实验设备包括高精度心率监测仪、便携式表面肌电采集系统、主观疲劳评价量表以及模拟森林灭火场景的实验场地。心率监测仪选用具备实时数据传输功能的设备，能够精确测量并记录志愿者在实验过程中的心率变化，测量精度可达±1次/分钟。表面肌电采集系统配备多个表面电极，用于采集志愿者上肢主要肌肉群（三角肌、肱二头肌、肱三头肌等）的表面肌电信号，采样频率设置为1000Hz，以确保能够准确捕捉肌肉电活动的细微变化。主观疲劳评价量表采用Borg量表，该量表简单易懂，能够有效反映志愿者的主观疲劳感受。实验场地设置了模拟火源、水源以及不同地形条件（平地、斜坡等），尽可能真实地模拟森林灭火作业环境。实验步骤如下：在实验前，让志愿者在安静环境下休息30分钟，使用心率监测仪测量并记录其安静心率，作为后续数据分析的基础。同时，在志愿者上肢相应肌肉部位准确粘贴表面电极，确保电极与皮肤良好接触，减少信号干扰，并进行表面肌电信号的校准。志愿者背负装满水的森林灭火手泵，按照规定的操作流程，在模拟火源处进行灭火操作。操作过程分为三个阶段，每个阶段持续15分钟，阶段之间休息5分钟。第一阶段为正常操作阶段，志愿者以每分钟30次的频率进行手泵操作；第二阶段为增加操作强度阶段，操作频率提高到每分钟40次；第三阶段为持续高强度操作阶段，操作频率保持在每分钟40次，且在操作过程中设置一定的地形障碍，如在斜坡上进行操作，以模拟复杂的森林灭火环境。在整个实验过程中，利用心率监测仪实时监测并记录志愿者的心率变化，数据每5秒自动采集一次；表面肌电采集系统同步采集志愿者上肢主要肌肉群的表面肌电信号，按照预先设定的时间窗口（如每10秒为一个分析窗口）进行数据存储和初步处理；每隔5分钟，让志愿者根据自身的疲劳感受，在Borg量表上进行主观疲劳评分，记录评分结果。操作结束后，再次测量志愿者的心率和表面肌电信号，观察恢复情况，并询问志愿者在操作过程中的其他主观感受，如身体各部位的不适、操作的难易程度等，进行详细记录。4.3实验结果与分析通过对实验数据的深入分析，全面揭示了森林灭火手泵操作对人体生理负荷的影响规律，为优化手泵设计和制定科学合理的操作规范提供了有力依据。在心率变化方面，实验结果显示，随着操作强度的增加和操作时间的延长，志愿者的心率呈现出显著上升的趋势。在正常操作阶段（操作频率为每分钟30次），志愿者的平均心率从安静状态下的（72.5±5.5）次/分钟逐渐上升至（95.6±8.2）次/分钟，平均上升了（23.1±3.5）次/分钟。这是因为在操作手泵时，上肢肌肉需要持续收缩发力，消耗能量，心脏为了满足肌肉对氧气和营养物质的需求，会加快跳动频率，增加心输出量。在增加操作强度阶段（操作频率提高到每分钟40次），平均心率迅速上升至（115.8±10.5）次/分钟，相比正常操作阶段，平均心率又上升了（20.2±4.1）次/分钟。此时，操作频率的增加导致肌肉的做功频率加快，能量消耗进一步增大，心脏需要更快速地跳动来维持足够的氧供，从而使心率大幅上升。在持续高强度操作阶段（操作频率保持在每分钟40次，并设置地形障碍），平均心率达到了（135.2±12.8）次/分钟，相比前一阶段，平均心率继续上升了（19.4±5.0）次/分钟。复杂的地形条件增加了操作的难度和身体的平衡控制需求，使得全身肌肉参与度增加，能量代谢进一步加剧，导致心率持续攀升。此外，在每个操作阶段之间的休息时间内，心率虽然有所下降，但仍高于安静心率，且随着操作阶段的推进，心率恢复到安静状态所需的时间逐渐延长。在第一个休息阶段，心率在5分钟内可下降至（85.3±7.0）次/分钟，而在第三个休息阶段，5分钟后心率仍维持在（105.6±9.5）次/分钟。这表明长时间、高强度的手泵操作会使身体疲劳逐渐积累，心脏的恢复能力受到影响，需要更长的时间来恢复到正常状态。表面肌电信号分析结果表明，随着操作时间的增加，上肢主要肌肉群（三角肌、肱二头肌、肱三头肌等）的均方根值（RMS）和平均绝对值（MAV）呈现出先上升后下降的趋势，而中值频率（MF）和平均功率频率（MPF）则逐渐降低，这些变化反映了肌肉疲劳的发展过程。在操作初期，肌肉为了适应手泵操作的负荷，会增加收缩强度，导致RMS和MAV上升。在操作开始后的前5分钟内，三角肌的RMS值从初始的（10.2±1.5）μV迅速上升至（15.6±2.0）μV，MAV值从（8.5±1.2）μV上升至（12.8±1.8）μV。随着操作时间的延长，肌肉逐渐疲劳，收缩能力下降，RMS和MAV开始下降。在操作20分钟后，三角肌的RMS值降至（12.5±1.8）μV，MAV值降至（10.2±1.5）μV。同时，MF和MPF的降低表明肌肉疲劳时，肌电信号的频率成分发生变化，高频成分减少，低频成分增加。在操作30分钟后，肱二头肌的MF值从初始的（120.5±10.0）Hz降至（95.3±8.5）Hz，MPF值从（135.6±12.0）Hz降至（110.2±10.0）Hz。不同肌肉群在操作过程中的疲劳发展速度存在差异。三角肌作为主要的发力肌肉群，在整个操作过程中承受的负荷较大，疲劳发展相对较快；而肱二头肌和肱三头肌在不同的操作阶段发挥不同的作用，疲劳发展速度相对较慢，但在高强度操作阶段，其疲劳程度也明显增加。主观疲劳评价结果显示，志愿者的主观疲劳评分随着操作强度的增加和操作时间的延长而逐渐升高。在正常操作阶段，志愿者的平均主观疲劳评分为（3.2±0.8）分（Borg量表），此时志愿者感觉操作较为轻松，仅有轻微的疲劳感。在增加操作强度阶段，平均主观疲劳评分上升至（5.5±1.2）分，志愿者表示操作开始变得吃力，疲劳感明显增强。在持续高强度操作阶段，平均主观疲劳评分达到了（7.8±1.5）分，志愿者普遍反映操作非常疲劳，身体各部位出现酸痛感，部分志愿者甚至表示难以坚持。主观疲劳评分与心率、表面肌电信号等客观指标的变化趋势具有一致性。心率的升高和表面肌电信号所反映的肌肉疲劳程度的增加，都与志愿者主观感受到的疲劳程度的加深相呼应。这表明主观疲劳评价能够有效地反映操作人员在森林灭火手泵操作过程中的整体疲劳状态，与客观指标相互验证，共同为评估生理负荷提供了全面的依据。综合分析心率、表面肌电信号和主观疲劳评价结果可知，操作频率和操作姿势是影响生理负荷的重要因素。较高的操作频率会显著增加心脏负担和肌肉疲劳程度，而不合理的操作姿势会导致肌肉受力不均，进一步加剧疲劳的产生。在操作过程中，应合理控制操作频率，避免长时间高强度操作，同时指导操作人员采用正确的操作姿势，以减轻生理负荷，提高操作的安全性和效率。未来的研究可以进一步探讨不同操作策略（如间歇操作、节奏控制等）对生理负荷的影响，为制定更加科学合理的森林灭火手泵操作规范提供更多的理论支持。五、森林灭火手泵操作的上肢运动生物力学分析5.1手泵操作的力学模型建立为深入剖析森林灭火手泵操作过程中上肢的生物力学特性，本研究构建了精确的上肢肌肉骨骼力学模型，该模型基于人体解剖学、运动学和动力学原理，全面考虑上肢骨骼、肌肉、关节以及操作力之间的相互作用，为深入理解手泵操作的力学机制提供了有力工具。在构建上肢肌肉骨骼力学模型时，首先依据人体解剖学数据，精确确定上肢骨骼的几何形状、尺寸以及各关节的位置和运动范围。通过医学影像技术（如CT、MRI）获取详细的上肢骨骼结构信息，并利用三维建模软件（如Mimics、3DSlicer）将其转化为精确的三维骨骼模型。在该模型中，上肢主要骨骼包括肩胛骨、锁骨、肱骨、尺骨和桡骨等，它们通过关节连接形成一个复杂的运动链，每个关节都具有特定的自由度，如肩关节可进行前屈、后伸、外展、内收、旋内和旋外等运动，肘关节主要进行屈伸运动，而腕关节则能实现屈伸、尺偏和桡偏等运动。随后，基于肌肉的起止点、纤维走向和生理横截面积等生理参数，在上肢骨骼模型上准确添加主要肌肉群，包括三角肌、肱二头肌、肱三头肌、冈上肌、冈下肌、小圆肌、大圆肌、肩胛下肌、旋前圆肌、旋后圆肌等。这些肌肉在操作手泵时协同收缩，产生不同方向和大小的力，驱动上肢关节运动，完成操作动作。运用解剖学图谱和相关研究文献，获取各肌肉的生理参数，并通过计算机模拟技术，将肌肉附着在相应的骨骼位置上，建立起肌肉与骨骼之间的力学连接。在模拟过程中，考虑肌肉的收缩特性，即肌肉收缩时产生的力与肌肉的长度、收缩速度以及肌肉的生理横截面积等因素相关，采用Hill肌肉模型来描述肌肉的收缩力学特性。关节力和力矩是分析上肢运动生物力学的关键因素，它们直接反映了上肢在操作手泵时各关节所承受的负荷。在操作手泵过程中，上肢各关节的力和力矩随着操作动作的变化而动态改变。当操作人员握住手柄向上提拉时，肩关节主要承受向上的拉力和向前的力矩，这是由于三角肌、肱二头肌等肌肉收缩产生的力通过肌腱传递到肩关节，使肩关节产生相应的受力和力矩。此时，三角肌前部纤维收缩，使肩关节前屈，产生向前的力矩；肱二头肌收缩，使肘关节屈曲，同时通过肌腱对肩关节产生向上的拉力。肘关节则主要承受来自肱二头肌和肱三头肌的作用力，在手柄向上提拉时，肱二头肌收缩产生的拉力使肘关节受到屈曲力矩，而肱三头肌则起到稳定肘关节的作用，防止肘关节过度屈曲。腕关节在操作过程中也承受着一定的力和力矩，主要是由于手部握持手柄时，力通过手腕传递到上肢，同时手腕需要保持一定的姿势来稳定手柄，这就导致腕关节受到来自手部和前臂肌肉的作用力，产生屈伸、尺偏和桡偏等方向的力矩。为了更直观地展示关节力和力矩的变化情况，本研究通过实验测量和计算机模拟相结合的方法，获取了不同操作阶段上肢各关节的力和力矩数据。在实验测量中，使用三维运动捕捉系统和力传感器，同步采集操作人员上肢的运动轨迹和操作力数据，通过数据处理和分析，计算出各关节的力和力矩。在计算机模拟中，利用建立的上肢肌肉骨骼力学模型，输入操作力和运动参数，模拟上肢在操作手泵过程中的运动和受力情况，得到各关节力和力矩的变化曲线。通过对比实验测量和计算机模拟结果，验证了模型的准确性和可靠性。肌肉受力情况的分析对于理解上肢在操作手泵时的能量消耗和疲劳机制至关重要。在操作过程中，不同肌肉群根据操作动作的需求，协同工作，承受不同程度的负荷。三角肌作为肩关节的主要动力肌，在操作手泵时始终承受较大的负荷，尤其是在手柄向上提拉的过程中，三角肌前部和中部纤维需要持续收缩，产生足够的力量来抬起手臂和拉动泵杆，这使得三角肌容易疲劳。肱二头肌和肱三头肌在肘关节的屈伸运动中发挥关键作用，它们的受力情况随着操作动作的变化而交替改变。在手柄向上提拉时，肱二头肌收缩，承受较大的拉力；而在手柄向下推动时，肱三头肌收缩，承受主要的负荷。冈上肌、冈下肌、小圆肌等肩部的小肌肉群在操作过程中主要起到稳定肩关节的作用，虽然它们的受力相对较小，但在维持上肢的稳定运动中不可或缺。长时间、高强度的操作会导致这些肌肉疲劳，影响操作效率和安全性。本研究采用表面肌电技术，实时监测操作手泵时上肢主要肌肉群的电活动，通过分析表面肌电信号的特征参数（如均方根值、平均绝对值、中值频率、平均功率频率等），评估肌肉的受力大小和疲劳程度。表面肌电信号能够反映肌肉的收缩状态和疲劳发展过程，当肌肉受力增大或出现疲劳时，表面肌电信号的特征参数会发生相应的变化。在肌肉疲劳时，肌电信号的中值频率和平均功率频率会降低，这是由于肌肉疲劳导致肌纤维的兴奋传导速度减慢，高频成分减少，低频成分增加。通过对表面肌电信号的分析，可以及时了解肌肉的疲劳状态，为制定合理的操作休息制度和预防肌肉损伤提供依据。5.2上肢运动学分析本研究借助先进的三维运动捕捉系统，对森林灭火手泵操作过程中上肢的运动学参数展开全面而深入的分析，旨在揭示上肢运动的内在规律，为优化手泵设计和操作规范提供关键依据。实验选取了20名身体健康、具备一定森林灭火经验的男性志愿者作为测试对象，他们的年龄在25-35岁之间，平均年龄为（28.9±3.1）岁，体重在65-80kg之间，平均体重为（72.8±4.3）kg，身高在170-185cm之间，平均身高为（176.8±5.2）cm。实验过程中，在志愿者的上肢关键部位（如肩部、上臂、前臂、手腕、手指等）精确粘贴反光标记点，以确保能够准确捕捉上肢的运动轨迹。采用国际先进的Vicon三维运动捕捉系统，该系统配备多个高分辨率摄像头，能够从不同角度对反光标记点进行实时捕捉，采样频率设置为200Hz，以保证能够精确记录上肢运动的每一个细节。同时，利用数据采集软件对捕捉到的运动数据进行实时采集和初步处理，确保数据的完整性和准确性。实验模拟真实的森林灭火场景，要求志愿者按照规定的操作流程和频率使用森林灭火手泵进行灭火操作，操作频率设定为每分钟30次和40次两种，每种频率下持续操作5分钟，以全面分析不同操作频率对上肢运动的影响。通过对采集到的运动学数据进行深入分析，得到了上肢各关节（肩关节、肘关节、腕关节）在操作手泵过程中的运动学参数变化情况。在关节角度方面，随着操作时间的增加，肩关节的前屈和外展角度逐渐增大，在操作频率为每分钟40次时，肩关节前屈角度在操作5分钟后从初始的（30.5±5.0）°增加到（45.8±6.5）°，外展角度从（20.3±4.0）°增加到（32.5±5.5）°。这是因为在高频操作下，手臂需要更大幅度的运动来完成手泵的操作动作，导致肩关节的活动范围增大。肘关节的屈伸角度也呈现出明显的变化，在操作频率为每分钟30次时，肘关节屈伸角度的平均值为（120.5±10.0）°，而在操作频率为每分钟40次时，屈伸角度的平均值增加到（135.6±12.0）°，这表明高频操作使肘关节的屈伸幅度增大，肌肉需要承受更大的负荷。腕关节在操作过程中主要进行屈伸和尺偏桡偏运动，操作频率的增加会导致腕关节屈伸角度的变化幅度增大，同时尺偏桡偏角度也有所增加，在操作频率为每分钟40次时，腕关节屈伸角度的变化范围从（30.0±5.0）°增加到（40.0±6.0）°，尺偏桡偏角度从（15.0±3.0）°增加到（20.0±4.0）°，这说明高频操作对腕关节的稳定性提出了更高的要求。角速度和角加速度是反映关节运动速度和加速度变化的重要参数，它们对于评估上肢运动的动态特性和肌肉的发力情况具有重要意义。在操作手泵时，肩关节的角速度和角加速度在操作初期迅速增加，随后逐渐趋于稳定。在操作频率为每分钟30次时，肩关节角速度的峰值出现在操作开始后的第1分钟，达到（150.0±20.0）°/s，角加速度的峰值为（300.0±50.0）°/s²。而在操作频率为每分钟40次时，肩关节角速度的峰值在操作开始后的第30秒就达到了（200.0±30.0）°/s，角加速度的峰值增加到（400.0±60.0）°/s²。这表明操作频率的增加会使肩关节的运动速度和加速度更快，肌肉需要更快地收缩和放松来适应这种变化，从而导致肌肉疲劳加剧。肘关节的角速度和角加速度也随着操作频率的增加而增大，在操作频率为每分钟40次时，肘关节角速度的峰值达到（250.0±40.0）°/s，角加速度的峰值为（500.0±80.0）°/s²，相比操作频率为每分钟30次时，分别增加了约30%和40%。腕关节的角速度和角加速度变化相对较小，但在高频操作下也有一定程度的增加，这反映了腕关节在维持手部稳定和控制操作方向方面的重要作用。进一步分析不同操作阶段上肢各关节运动学参数的变化情况发现，在手柄向上提拉阶段，肩关节的前屈和外展角度迅速增大，角速度和角加速度也达到较高值，这是因为在这个阶段需要手臂向上抬起并用力拉动泵杆，肩部肌肉需要强烈收缩来提供动力。在手柄向下推动阶段，肘关节的伸展角度增大，角速度和角加速度增加，此时主要是肱三头肌收缩，将手臂伸直，推动泵杆，完成喷水动作。腕关节在整个操作过程中始终保持一定的角度和运动状态，以确保手部能够稳定地握持手柄，并且能够根据操作需求灵活调整手柄的方向和角度。对比不同志愿者的运动学数据，发现个体之间存在一定差异。身体素质较好、肌肉力量较强的志愿者，在操作手泵时，上肢关节的运动更加协调，角速度和角加速度的变化相对较小，这表明他们能够更有效地利用肌肉力量，减少不必要的能量消耗，降低肌肉疲劳的风险。而操作习惯也会对上肢运动学参数产生影响，一些志愿者在操作过程中能够保持较为稳定的姿势和动作节奏，使上肢各关节的运动更加平稳，从而降低了关节的受力和损伤风险。另一些志愿者可能由于操作不熟练或姿势不当，导致上肢关节的运动出现较大波动，角速度和角加速度的变化不稳定，这不仅会增加肌肉的负担，还容易导致关节损伤。综上所述，通过对森林灭火手泵操作过程中上肢运动学参数的分析，明确了操作频率、操作阶段以及个体差异等因素对上肢运动的影响。这些结果为深入理解上肢在操作手泵时的运动机制提供了重要依据，同时也为优化手泵设计、制定合理的操作规范以及预防操作人员的运动损伤提供了关键参考。在实际应用中，可以根据不同操作人员的身体条件和操作习惯，对操作频率和姿势进行个性化调整，以减轻上肢的负荷，提高操作的安全性和效率。未来的研究可以进一步探讨如何通过训练和康复手段，改善操作人员的上肢运动能力和肌肉力量，降低操作过程中的运动损伤风险。5.3基于MATLAB的模拟分析为进一步深入探究森林灭火手泵操作过程中上肢的运动和受力特性，本研究运用MATLAB软件进行了全面而细致的模拟分析。MATLAB作为一款功能强大的科学计算和编程软件，具备丰富的工具箱和函数库，能够高效地处理复杂的数学模型和数据，为生物力学研究提供了有力的支持。在MATLAB模拟分析过程中，首先基于之前建立的上肢肌肉骨骼力学模型和采集的运动学数据，运用SimMechanics工具箱构建了精确的森林灭火手泵操作的仿真模型。该仿真模型全面考虑了上肢骨骼的几何形状、关节的运动特性、肌肉的收缩力学以及手泵操作力的动态变化等因素，能够真实地模拟操作过程中上肢的运动和受力情况。在构建模型时，利用SimMechanics工具箱中的刚体模块来模拟上肢骨骼，通过关节模块来定义肩关节、肘关节和腕关节的运动自由度和约束条件，使用肌肉模块来描述肌肉的收缩力和力学特性，并将手泵操作力作为外部载荷施加到模型上。通过设置不同的操作参数，如操作频率（每分钟30次、40次、50次）、操作姿势（标准姿势、错误姿势）以及手泵的结构参数（手柄长度、直径、形状）等，对上肢的运动和受力情况进行了多组模拟分析。在模拟操作频率对上肢运动的影响时，分别将操作频率设置为每分钟30次、40次和50次，观察上肢各关节的运动学参数（关节角度、角速度、角加速度）的变化情况。结果表明，随着操作频率的增加，肩关节、肘关节和腕关节的角速度和角加速度显著增大，关节的运动范围也有所增加。在操作频率为每分钟50次时，肩关节的角速度峰值比每分钟30次时增加了约50%，肘关节的角加速度峰值增加了约60%。这说明高频率操作会使上肢关节的运动更加剧烈，肌肉需要承受更大的负荷，容易导致疲劳和损伤。在研究操作姿势对上肢受力的影响时，设置了标准操作姿势和错误操作姿势（如弯腰驼背、手臂过度伸展等）进行对比模拟。模拟结果显示，错误操作姿势会导致上肢各关节的受力分布不均匀，部分关节承受的压力明显增大。在错误操作姿势下，肩关节的压力比标准姿势增加了约30%，肘关节的剪切力增加了约40%。这表明错误的操作姿势会显著增加上肢关节的损伤风险，合理的操作姿势对于减轻上肢负荷、预防运动损伤至关重要。针对手泵的结构参数，本研究模拟了不同手柄长度（100mm、120mm、140mm）、直径（30mm、35mm、40mm）和形状（圆形、椭圆形、D形）对操作力和上肢受力的影响。模拟结果表明，手柄长度为120mm、直径为35mm的D形手柄在操作过程中能够使操作力最小，同时上肢各关节的受力也相对较小。这是因为这种手柄参数和形状能够更好地贴合人体手部结构，使操作人员在操作时能够更自然地发力，减少手部和上肢肌肉的额外负担，提高操作的效率和舒适性。通过MATLAB模拟分析，得到了不同操作参数下上肢运动和受力的详细数据和变化趋势。这些结果与之前的实验研究结果相互验证，进一步证实了实验结论的可靠性。同时，模拟分析还能够提供一些实验难以直接测量的数据和细节信息，如肌肉内部的应力分布、关节软骨的接触压力等，为深入理解森林灭火手泵操作的生物力学机制提供了更全面的视角。基于MATLAB模拟分析的结果，对森林灭火手泵的操作规范和设计改进提出了针对性的建议。在操作规范方面，应根据不同操作人员的身体条件和技能水平，合理调整操作频率，避免长时间高频率操作，以减轻上肢的疲劳和损伤风险；加强对操作人员的培训，使其掌握正确的操作姿势，减少因姿势不当导致的运动损伤。在设计改进方面，建议手泵制造商在设计手柄时，优先采用长度为120mm、直径为35mm的D形手柄，以降低操作力，提高操作人员的舒适性和操作效率；还可以进一步优化手泵的整体结构和重量分布，使其更符合人体工程学原理，减少操作人员在背负和操作过程中的身体负担。综上所述，基于MATLAB的模拟分析为森林灭火手泵操作的生物力学研究提供了重要的技术手段，通过模拟不同操作参数下上肢的运动和受力情况，为优化手泵设计和操作规范提供了科学依据，对于提高森林灭火工作的效率和安全性具有重要的现实意义。六、森林灭火作业中水囊背负生物力学研究6.1脊柱的结构与生物力学特性脊柱作为人体的中轴骨骼，是连接头部、胸廓和骨盆的重要结构，在维持身体姿势、传递载荷以及保护脊髓和神经等方面发挥着不可或缺的作用。从结构上看，脊柱由26块椎骨组成，包括7块颈椎、12块胸椎、5块腰椎、1块骶骨（由5块骶椎融合而成）和1块尾骨（由3-4块尾椎融合而成）。每块椎骨主要由前方的椎体和后方的椎弓组成，椎体是椎骨的主要负重部分，承受着来自身体上部的压力负荷，其大小和形状在不同部位有所差异，腰椎椎体相对较大且宽厚，以适应更大的承重需求。椎弓则由椎弓根、椎板、棘突、横突和关节突等结构组成，这些结构相互连接，形成了椎管，为脊髓提供了重要的保护屏障。相邻椎骨之间通过椎间盘、韧带和关节等结构相互连接，椎间盘位于椎体之间，由中央的髓核和周围的纤维环组成，髓核富含水分，具有良好的弹性，能够吸收和分散来自身体的压力，起到缓冲减震的作用；纤维环则由多层纤维组织组成，环绕在髓核周围，限制髓核的过度位移，维持椎间盘的稳定性。韧带包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带和棘上韧带等，它们分别位于脊柱的不同部位，对脊柱的稳定性起着重要的加强作用。前纵韧带位于椎体前方，能够限制脊柱过度后伸；后纵韧带位于椎体后方，可防止脊柱过度前屈；黄韧带连接相邻椎板，在脊柱屈伸过程中发挥弹性作用，协助维持脊柱的正常形态。关节突关节则位于椎弓的后方，由相邻椎骨的上下关节突组成，其关节面的方向和结构特点决定了脊柱在不同方向上的运动范围和稳定性。在生物力学方面，脊柱具有多种力学特性，以适应人体的各种活动和载荷需求。脊柱能够承受较大的压力载荷，在站立和行走时，它将头部和躯干的重量传递到下肢，腰椎部位承受的压力最大。在日常活动中，腰椎椎