水下呼吸器載人試驗評價技術

顧靖華

（海軍軍醫大學海軍醫學研究所，上海 200433）

1 引言

隨著國家海洋開發戰略的不斷深入，民用潛水和軍事潛水的重要性越來越凸顯出來。水下呼吸器是為潛水員從事水下潛水活動提供合適的呼吸氣體，以保障其生命安全的一種必須裝備，其性能的優劣直接影響潛水人員在水下的生命安全和作業能力。為保證水下呼吸器使用的安全性，需要對其開展性能評價，通常包括無人性能檢測和載人試驗評價。無人性能檢測通過特殊的檢測設備，測試水下呼吸器各個閥件的功能、性能及整機系統的性能是否滿足指標要求，可從實現基本功能、性能的角度對水下呼吸器進行評價，具有安全、快速、重復性好的特點，但不能真實地反映潛水過程中處于應激狀態下潛水員所受的心理、生理等因素的影響，而載人試驗評價能從人機交互的角度全面反映水下呼吸器的實際使用性能。隨著科技的發展和以人為本理念的深入，對水下呼吸器的要求不僅局限于滿足功能、性能方面，對使用的安全性、舒適性的要求也越來越高。因此，國際上通常認為水下呼吸器在經過無人性能測試合格后，還必須要經過載人試驗評價。

2 載人試驗評價方法和評價因素

對于水下呼吸器的載人試驗評價，多數潛水發達國家如美國、英國、法國等都根據自己的特點建立了相關的評價方法。歸納起來，載人試驗評價可分為工效學評定、載人性能測試和操作用戶試驗3個部分。

2.1 工效學評定

工效學評定是指潛水員在特定的環境下，通過特定的操作，評價水下呼吸器的適體性、操作性、便捷性和調節性等性能。世界上潛水發達國家對水下呼吸器的工效學評定非常重視，其中尤以美國海軍較為完善，要求其水下呼吸器均需經過海軍實驗潛水隊的工效學評定，并對不同類型的水下呼吸器設置了特定的評價因素和方法。例如，針對M21、suplite17、KM37等水面按需供氣式潛水頭盔，在工效學評價時，其評價焦點集中在潛水員水下工作時的舒適性、使用性和操作性，主要評價指標包括著卸裝時間、潛水時的可操作性、潛水時的視野、休息和勞動時的呼吸阻力、通信時的噪聲等；針對MBS2000閉式氧氣呼吸器及MK16閉式循環呼吸器，著重于呼吸器在水下時電子控制元器件及電子顯示屏的工效學評價。英國要求對其所用的水下呼吸器進行工效評定，包括常壓環境和水環境及模擬英國海上平均溫度下（15℃）的評定。法國海軍也有水下介入中心等對水下呼吸器進行工效學檢測的機構。歐洲的EN250標準明確規定自攜開放式水下呼吸器需經過工效學評定，評價因素包括潛水員在水下使用背托的舒適性、壓力表的可達性、面罩的視野、潛水中產生的氣泡對視覺的影響、全范圍頭部和手臂運動時呼吸器的性能、微量調節閥對呼吸阻力的調節性等。在受試者的數量方面，EN250要求至少需要5名受試者，且每名受試者需進行2次潛水試驗；英國針對較復雜的呼吸器，推薦至少需要8名受試者。在評價尺度方面，各國通常采用量表的方式進行評價，如美國將評價尺度分為優秀、好、中等、中等偏下、差、極差6個等級，分別對應6分、5分、4分、3分、2分和1分。我國在研制水下呼吸器的過程中，通常也會涉及部分工效學評價內容，但尚未形成明確的評定要求和評定方法。

綜合國內外情況，水下呼吸器的工效學評定通常包括常壓環境試驗和水下環境試驗。常壓環境試驗主要是評價水下呼吸器在陸上的著裝和卸裝能力，水下環境試驗主要是評價水下呼吸器在水中的工效性能。水下環境試驗通常在可控淺水環境中進行，根據被測呼吸器的使用環境設定相應的水溫，受試者佩戴被測呼吸器，分別穿著干式服、濕式服、加熱服或與被測呼吸器配套的潛水服進行試驗。考慮到實際使用過程中不同海域的能見度不同，以及夜間潛水的需要，還應在模擬水下能見度為零的情況下開展工效學評定。在受試者的數量方面，對于較簡單的自攜開放式水下呼吸器，至少需要5名受試者；對于較復雜的水下呼吸器，如循環式呼吸器等，建議適當增加受試者的數量。工效學評定因素根據水下呼吸器的類型不同而不同，通常包括陸上和水下的著卸裝能力、水下活動能力、舒適性、靈活性、穩性、背帶的安全性和調節性能、浮力調整能力、面罩排水能力、調壓能力、水下操作和控制閥件的能力、視野清晰度及視野范圍、使用附屬器材（如腳蹼、潛水手表、深度表、潛水刀、指北針等）的便利性、拋卸壓鉛的便捷性等。

2.2 載人性能測試

載人試驗評價的另一個重要內容是載人性能測試，主要是通過測試受試者在水下不同運動負荷、不同姿態下水下呼吸器的性能指標和潛水員的生理指標，擴展無人試驗結果，評價在高壓水環境中浸泡、靜水壓等造成潛水員的生理和行為變化及對呼吸器使用性能的影響。如美國海軍結合飽和潛水試驗，開展了對KM37的載人性能測試，并測試了水下直立、仰臥、俯臥、跑步、爬梯子情況下潛水員的呼吸功和耗氧量；針對MK16閉式呼吸器，在海洋環境模擬艙內開展了載人性能測試，測試了不同工作負荷下吸收劑罐的持續時間，從而評估吸收劑罐的使用效能。英國在完成水下呼吸器工效學評定后，也要求開展載人性能測試，包括呼吸器吸收劑罐的持續時間、呼吸阻力、吸氣溫度、呼氣溫度等。我國在水下呼吸器投入使用前，也需要開展載人性能測試，但目前僅局限于設計單位在加壓艙或水池內開展的特定深度下的模擬試驗，主要用來驗證是否滿足設計深度指標，難以全面反映水下呼吸器的性能，也無明確的評定方法和評定要求，與發達國家還存在一定的差距。

綜合國內外情況，載人性能測試通常是在受控環境（如高壓水艙）中模擬最大設計深度的潛水，包括加壓階段、模擬水下停留階段和減壓階段的整個潛水過程。測試指標不僅包括水下呼吸器的性能指標，還包括受試者的生理學指標。性能指標主要包括吸入氣中氧分壓、CO2分壓、吸收罐持續時間、呼吸阻力、呼吸功等，對這些指標進行測試可以反映水下呼吸器的機械性能、呼吸效能和生命支持能力；受試者的生理學指標包括皮膚溫度、核心體溫、心率、通氣量等，通過監測生理學指標，不僅可以對受試者的生理狀態進行監護，還可評估受試者的勞動能力。為保證受試者在載人性能測試期間的安全，通常需要預先設定一些關鍵指標的安全范圍，如果測得的指標超過這個范圍，需立即終止試驗。例如，吸入氣中的CO2分壓不能超過1.5kPa，以防止CO2中毒；吸入氣中氧分壓一般應控制在16～160kPa之間，以保證安全用氧；中等勞動強度下，開放式呼吸器的呼吸阻力不能超過0.5kPa、循環式呼吸器的呼吸阻力不能超過0.8kPa等。

2.3 操作用戶試驗

載人試驗評價的第三部分是操作用戶試驗。該試驗是對水下呼吸器在工作狀態下的全過程進行測試，一般在開放水域進行，主要是評價水下呼吸器在實際工作環境和實際使用過程中的性能，如受風、浪和水流影響后的穩性，設計水深下的通信情況，是否有水下絞纏，上浮速度和上浮姿態的控制情況等。英國在進行水下呼吸器的操作使用試驗時，要求在開放水域，按照水下呼吸器設定的工作負荷進行耐力游，從而識別呼吸器是否有呼吸軟管塌陷、過度拖曳及潛水員是否有背部和頸部疼痛等問題。我國在水下呼吸器投入使用前，需要進行湖上試驗或海上試驗，也屬于操作用戶試驗范疇。

3 結束語

載人試驗評價可從人機匹配的角度對水下呼吸器作出比較全面的評價，并能反映不同個體在使用呼吸器過程中由生理學和行為習性上的差異導致的不同，為水下呼吸器的研制和改進提供人因素依據，有利于提高水下呼吸器的安全性和作業效率。我國在水下呼吸器的載人試驗評價方面尚處于初級階段，為縮小與發達國家的差距，提出以下建議：

（1）建設載人試驗設備。為開展載人性能測試，世界上潛水較發達國家如美國、挪威、日本等均研制了載人性能測試設備，而我國目前僅研制了無人性能試驗設備，尚無專用的載人性能測試設備。我國水下呼吸器的載人性能測試一般在高壓水艙內進行，只能在進艙前和進艙后對水下呼吸器的性能和潛水員的生理指標進行測試，無法實時檢測使用過程中呼吸器的性能和潛水員的生理指標，無法實現載人性能測試的目標。因此，建議盡快建設完善的水下呼吸器載人性能試驗設備，為水下呼吸器的載人性能測試提供基礎條件，提高我國水下呼吸器載人性能測試水平。

（2）完善載人試驗評價體系。目前我國水下呼吸器的載人試驗評價處于初級階段，尚未形成載人試驗評價體系。建議開展這方面的研究，系統提出載人試驗評價因素和評價方法，并針對不同類型的呼吸器，建立不同的評價因素和指標，從而形成完善的載人試驗評價體系。