新型多功能森林消防背包的設計研究

江楠，時新，郭園

（重慶交通大學，重慶 400074）

近年來，極端氣候事件頻現，所引發的災害與日俱增，其中森林火災風險總體呈上升趨勢。據媒體報道，2017 年美國加州舊金山灣區發生林火，2019 年澳洲發生叢林大火，2010、2021 年四川涼山州發生森林火災等，造成了財產損失和人員的傷亡。

森林防火裝備的水平一定程度上決定了森林火災撲救的成敗。先進的撲火裝備可以及時控制林火，盡可能地降低損失。西方發達國家在森林撲火方面主要采用空中大型滅火飛機、直升機噴灑滅劑或水滅火系統，地面則采用機動泵和人力水槍等配合。而我國目前面對突發的森林火災主要依靠人力和使用近距離滅火工具進行撲救工作。由于森林火災的地域性特征十分突出，消防人員滅火作業效率低下，且難以預判危險，承受著極大的考驗與風險。因此，立足于我國現代化建設發展，以及以人為本的科學發展觀，提出適合我國消防事業的新型撲火裝備概念，打造一套結構簡單有效的單兵撲火裝備非常有必要，以此來有效地降低森林災害中的經濟損失以及消防員的傷亡率。

1 現有森林消防背包產品分析

據相關文獻研究結果表明，森林撲火中常見的人身傷害事故有以下幾種：被林火直接燒傷甚至燒死；火災現場空氣一氧化碳含量過高，撲火人員吸入過量一氧化碳而導致窒息傷亡；消防員撲火中受斷木或滾石壓傷或砸殘等；因山林地勢等原因導致消防員跌落山崖摔傷甚至摔死；消防員滅火中操作失誤導致傷及自身或其他消防員。

隨著科學技術的發展和人類對森林火災認識的不斷深入，我國對消防事業高度重視起來，消防裝備的相關研究也日漸增多，但市場上的創新研發主要針對消防器械。與消防隔熱服和消防頭盔等消防裝備相比，消防背包的自主創新方面關注度較低。市場上現有的消防應急救援（逃生）包或森林消防背包，主要是基于普通運動背包或登山包改良而成，背包空間進行簡單功能分區，分類收納，主要容納水帶等基本滅火設備與工具。如某廠生產的DN25/40 型號的森林消防專用水帶背包、森林消防救援背包，尺寸為：44cm×24cm×53cm，包內主要容納30 米森林消防水帶四至五盤，左右側插分類放置水槍或管牙接口等小配件，材質采用耐磨且防撕裂的帆布。某款森林消防水帶便攜收納包，內部采用鋁管支撐結構，外觀造型更為方正，內部空間用于裝納水帶，背包頂部設計兩個小兜，用于放置消防員小型物品等。此外，如消防員背負風力滅火機，則配備斜挎包，用于攜帶些基本的物品，此類挎包與日常挎包無異。相關的理論研究主要偏重于森林防火管理與機制，時尚箱包與文化、背包中的人機工程學，以及防火材料等方面的研究。

總體而言，目前市場上的森林消防背包，僅具備簡單的裝載水帶為主的滅火工具的作用，功能單一，作用有限，并不符合野外作業的消防員對背包的基本功能需求。設計更是缺少人性化、美觀性以及智能化的創新。

2 新型多功能森林消防背包定位及功能設計

森林消防是一項應急處理工程，具有非常高的專業性，與一般工作相比，森林撲火作業處于極其復雜和危險的工作環境。隨著國家對保護大自然生態環境的重視，各類森林消防裝備不斷地推陳出新，消防員攜帶的小型裝備越來越微型且多樣化，方便工作人員背負裝備在林區內進行日常消防安全檢查，或者快速將相關設備帶到火場展開撲火工作，提升消防人員的救火戰斗力，可有效地減小因火災帶來的損失，降低救火人員的傷亡率。因此，設計精良的消防背包是森林消防員及林區相關工作人員隨身攜帶的必要裝備之一，除了具有裝納火場撲火所需各類裝備的功能之外，還要考慮收納日常火災預防工作中的防火林帶撫育和防火隔離帶開設所需要用到的砍刀、斧子、耙子、鋸和鍬等組合工具。

首先，分析了森林火場的環境特征，詳細研究了從消防員接到火情通知，到奔赴現場進行滅火的整個流程，尤其對背載物品需求進行了深入分析，接著比較分析了現有消防相關的背包設計。最后，提出一款用于森林場景具有一定智能功能的多功能消防背包設計。背包在森林救火過程中輔助消防員實施撲火作業，以及在救火過程中遇到大火包圍或風向改變導致爆燃等緊急情況，為消防員提供防護，提高消防員工作效率及生存率。

2.1 利用人機功能學分析，優化背包的用戶體驗

利用人機工程學原理對背包中的滅火裝備進行合理空間布局和規劃，背包設置三個工具包以及一個急救包，工具包分布在消防背包側面和正面，根據工具使用頻率合理規劃分區，方便消防員在作戰時快速選取、收納工具，提高工作效率。消防背包正面分布一個工具包和急救背包。工具包收納逃生繩、伐木斧、砍刀、手鋸等小型作戰工具。醫療急救包配置簡單的急救藥物如消毒棉棒、紗布、繃帶、冰袋、創可貼等，醫療急救包可拆卸，方便快速進行急救處理工作。背包兩側配置的工具包則一側收納撲火拍、兩節連桿，一側收納鐵鍬、五齒耙等作戰工具，因這兩兩組合的工具配合使用效果最佳，將其一并收納，方便消防員快速選擇工具，提高作戰效率。

該消防背包由于包含消防工具以及防護空間結構，具有一定的重量，因此考慮消防員背負時的舒適性和便攜性，且注意背包裝滿物品后的左右上下配重關系，在背包的結構上進行符合人機工程學的研究與設計。背包的背板形狀取決于人體背部類“S”型的曲線形狀，與人體背部貼合，能夠有效并且合理地支撐背包重量，拉近背包與人體的距離，方便行動。此外，背包設置肩部受力帶，可將部分重量轉移到人體的肩部，設置腰帶將背包部分重量分擔給腰部。該設計能夠使背包與人體很好地貼合，均勻分擔背包重量，適合長途步行，且在消防作戰時不會約束行動。

2.2 特殊防火材質和拓撲變形折疊結構的結合，給予安全保障

消防員如遇特殊地形等突發狀況，不得不暫時性采取躲避措施，一般使用防火袋進行防護。但是，防火袋的使用首先需要尋找平坦的地面，而且在火勢兇猛的緊急情況下要求消防員能迅速反應并準確鋪設，應用防火袋來躲避就顯得比較繁瑣且不可靠。在單兵作戰中，防火包又存在便攜性問題，防火斗篷在森林防火中保護效果有限。市場上未有將防護功能運用到消防背包上的設計，因此該背包運用人機工程學實驗和拓撲變形折疊結構，研究幾何圖形在連續改變形狀后仍然保持不變的性質，實現背包部分結構的變形功能，為消防人員提供一個小型的防護空間。考慮消防背包的負重以及人體在緊急事件下的躲避姿勢多是趨于放低重心的姿勢，例如蹲下、趴下等。該防護空間能夠容納成年男性蹲下所形成的體積以及留有一定的活動空間，根據我國成年男性的平均身高數據以及結合其或蹲或坐時活動范圍區間的分析，設定防護空間平展開的尺寸為1200 mm×2000 mm，立體空間大約為288 L。

防護空間所采取的材料強度高，耐磨耐折，材料在加工時進行特殊處理，使其具有固定的折痕，能夠規律地收折在背包內。消防員在遇到因風向改變等因素而突發的火場爆破情況時，可快速地取下背包，打開背包側面拉鏈使防護空間展開，再打開背部的防護空間入口進入躲避，消防員在空間內部可蹲、可坐，不局限姿勢。消防員在日常訓練時反復訓練此步驟，在火場上就能快速做出反應，縮短反應時間，提供安全保障。

2.3 可組裝模塊化智能部件，提升消防背包的智能性

造成消防員傷亡的其中一個原因是火場的偵察不明，因指揮員與消防員、消防員與消防員的不及時，以及對火場消防員救援時的溝通不及時造成。本項目的消防背包結合智能硬件設備實現定位、報警、信息采集功能，及時為消防團隊提供重要信息，方便團隊成員之間溝通合作，為消防員作戰提供智能化輔助功能。智能配件根據智能配件的尺寸及背包人機工程學要求,將兩部分進行合理分布。背包底部設置儲電模塊等體量較大、較重的模塊化裝置，這部分裝置在緊急需要減負時，便于拆卸丟棄；另一部分的定位、通訊、對講、照明和呼救，以及攝像等信息采集等電子裝置設置在左右肩帶內。這部分設備主要用于成員之間交換信息，在遇到危急情況時，向身邊及總部發出危險信號以及求助信號等，同時也可攝像，方便事后對撲火現場的各種情況進行分析研究，總結撲火經驗與教訓等。智能部件充分體現出了模塊化設計理念，根據每次火情偵察情況，選擇合適的智能功能模塊，組裝到消防背包中。

3 新型多功能森林消防背包造型設計

3.1 樣式設計

此款智能型多功能消防背包在造型上沿用傳統消防背包的方形造型。背包外表面造型簡潔大方，減小撲火過程中背包上各種卡扣、綁帶與森林中植物發生纏的繞機率，提升撲火與逃生效率。背包色彩采用橙色和黃色兩種警戒色為主體顏色，包的外側和左側均設置有反光條，可加強夜間視線不良或危急境況中的可見度。該背包的視覺形式追隨功能要求，背包將醫療急救包、工具包和防護空間有機結合，最小化狀態下的外形尺寸為400 mm×250 mm×600 mm，急救包可快速拆卸應急，防護空間常態下折疊在背包里，可通過拉鏈從背包側面及背部打開，形成一個小型的躲避空間，防護空間展開后，尺寸可以達到400 mm×1200 mm×600 mm。結構形態符合人體學要求，消防人員可快速準確地操作消防背包的各項功能。

3.2 材料選擇

背包主體材料使用PU 涂層帆布和有機硅布復合材料，防水耐磨、輕便、使用壽命長，適合野外作戰人員使用。防護空間的材料使用鋁合金阻燃纖維織物與真空鍍鋁膜的復合材料，其比重輕、強度高、阻燃、耐高溫、抗熱輻射、耐磨耐折，適合防護空間的折疊結構。反光帶使用反光熱貼膜，具有極佳的反光效果，因而可加強行動的人體在夜間視線不良時或危急境況中的可見度。

4 結語

本款智能型多功能背包是一款功能創新突出的新型消防背包產品。依據消防功能需求模塊，融入人性化設計理念，合理分配收納空間，優化了消防背包的功能及結構，加入智能化部件，以模塊化設計方法，賦予消防背包獨特的形式，提升消防員的綜合作戰能力，有效降低森林消防員的傷亡率，是一款實用性極強的產品。