自救防火服的設(shè)計開發(fā)

王嘉誠，李艷梅，王樂樂

(上海工程技術(shù)大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，上海 201600)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人口密度和建筑密度不斷增加，住宅民房火災(zāi)時有發(fā)生，據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局統(tǒng)計2020年全年共接報火災(zāi)25.2萬起，死亡1183人，受傷775人，直接財產(chǎn)損失40.09億元；其中居民住宅火災(zāi)防范將長期面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，全年共發(fā)生居民住宅火災(zāi)10.9萬起，占火災(zāi)總數(shù)的43.4%[1]。這些火災(zāi)多會造成重大的人員傷亡以及財產(chǎn)損失，目前對防火服的研究主要集中在研發(fā)新型阻燃織物和改良消防戰(zhàn)斗服的款式結(jié)構(gòu)方面，提高消防戰(zhàn)斗人員作業(yè)效率的同時為消防員的人身安全提供保障。李俊等[2]通過調(diào)整消防服上下裝的長度，提高消防服的舒適性，增強著裝者的作業(yè)效率；王麗[3]通過分析消防動作改進現(xiàn)役消防服的關(guān)鍵部位，優(yōu)化消防服的設(shè)計。但提升人們的逃生能力也是極為重要的，目前很多家庭還未形成配備火災(zāi)應(yīng)急救援物資的意識，且當(dāng)前市場上售賣的家用消防用品種類較少且同質(zhì)化較為嚴(yán)重，難以滿足消費者的需求。本文參考現(xiàn)役消防服款式設(shè)計研發(fā)了一款具有良好防護性能的自救防火服，該套防火服能夠通過快速定位被困人員的位置，縮短救援時間，提高被困人員生還概率，滿足多場景民用防火逃生需求，為未來民用自救防火服的發(fā)展提供借鑒。

1 設(shè)計思路

針對應(yīng)急自救防火服的設(shè)計研發(fā)應(yīng)符合人體工效學(xué)，服裝織物既要具有良好的吸濕性、散熱性、透氣性、舒適性等服用性能[4]，也要具有良好的阻燃性、防護性等功能，以有效保護著裝者在舒適穿著的同時不被燒傷。自救防火服應(yīng)具備良好的可穿脫性因此服裝結(jié)構(gòu)不宜過于復(fù)雜。同時自救防火服的射頻識別標(biāo)簽的放置應(yīng)符合人體工效學(xué)要求，不易受到服裝形變的影響[5]。

首先基于所需的功能選擇傳感元件，服裝選擇射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification, RFID)實現(xiàn)定位功能；其次，采用拼接工藝將傳感元件與服裝進行結(jié)合；最后進行射頻標(biāo)簽和讀寫器的匹配，從而救援人員可根據(jù)讀寫器感知的信息實現(xiàn)快速精準(zhǔn)的火場救援。應(yīng)急自救防火服設(shè)計流程見圖1。

圖1 應(yīng)急自救防火服設(shè)計流程

2 設(shè)計原理

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 射頻識別技術(shù)概述

射頻識別技術(shù)中是一種非接觸式自動識別技術(shù)。RFID系統(tǒng)包含了閱讀器、標(biāo)簽以及后臺服務(wù)器3個部分。其工作原理是當(dāng)標(biāo)簽進入閱讀器天線的感應(yīng)范圍時，閱讀器發(fā)送電磁波，激勵無線通信鏈路，標(biāo)簽向閱讀器發(fā)送信息，閱讀器接收到信息后解碼，然后傳送給上位機，完成信息處理，從而實現(xiàn)自動識別目標(biāo)或自動收集標(biāo)志信息的功能[6]。RFID根據(jù)電子標(biāo)簽是否配備電源可分為有源標(biāo)簽、無源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽。有源標(biāo)簽因其自身具有電源，可以提供遠距離自動識別功能。無源標(biāo)簽的自動識別距離相對較近，但是該標(biāo)簽無需電源，其成本較低而且可長時間工作。

RFID識別速度快，可穿越障礙物進行標(biāo)簽識別，實現(xiàn)非視距離通信[7],且RFID閱讀器具有微功耗特性, 適用于易燃、易爆等場合, RFID技術(shù)還有著很強的抗污染、耐高溫、防磁、防水、防污損、抗破壞能力, 標(biāo)簽體積小，易于安置在服裝上，并且射頻信號不會干擾到其他儀器設(shè)備, 非常適用于火場搜救工作[8]。RFID系統(tǒng)工作原理圖見圖2。

圖2 RFID系統(tǒng)工作原理圖

2.1.2 算法設(shè)計

Fang算法是利用二維空間坐標(biāo)的算法，本研究基于Fang算法的三維空間定位法獲取在空間內(nèi)運動的標(biāo)簽位置，由此確定被困人員的位置信息[9-10]。

先在室內(nèi)的二維模擬地圖的3個墻角分別放置1個電子標(biāo)簽。假設(shè)這3點的位置分別為(0,0)、(a2,0)、(a2,b3)，RFID定位閱讀器的位置信息為(A4,B4)且不在X-Y平面內(nèi)，分別對應(yīng)二維空間模擬地圖中R1、R2、R3、W這4點，設(shè)自救防火服上攜帶的電子標(biāo)簽為(a,b)。本服裝結(jié)合室內(nèi)火場環(huán)境構(gòu)建的二維模擬地圖見圖3。

圖3 二維模擬地圖

由收信時間(Time of Arrival, TOA)定位法可知[11]，計算閱讀器與標(biāo)簽之間的直線距離算法見式(1)。

(1)

式中：S4為閱讀器與標(biāo)簽之間的直線距離，m；A4為閱讀器的橫坐標(biāo)，m；B4為閱讀器的縱坐標(biāo)，m；a為電子標(biāo)簽的橫坐標(biāo)，m；b為電子標(biāo)簽的縱坐標(biāo)，m。

以R2為例的三維空間坐標(biāo)系圖見圖4,以供空間中點W對被困人員位置關(guān)系的參考。RFID定位閱讀器點W與自救防火服上的電子標(biāo)簽之間的距離為S4,1，算法見式(2)。

圖4 三維空間坐標(biāo)系圖

S4,1=kd4,1=S4-S1

(2)

式中：S1為自救防火服上的標(biāo)簽與X-Y平面的距離，m；k為斜率，d為在X-Y平面的直線距離，m。

得到閱讀器與自救防火服標(biāo)簽的水平距離和垂直距離以及R2、R32個標(biāo)簽與自救防火服距離的計算公式如下：

(3)

對式(3)進行線性處理得：

(4)

設(shè)Z4=a2+b2,對式(4)進行化簡得：

(5)

消去S1得：

b=c·a+h

(6)

式(6)中的c、h可以表示為：

(7)

由式(4)～(7)可得到最終關(guān)系式，見式(8):

d·a2+g·a+f=0

(8)

式(8)中d、g、f可表示為：

(9)

在火場環(huán)境的實際運用中為了方便計算，各點坐標(biāo)的單位取值為1 m，在得知墻角三點及閱讀器坐標(biāo)的情況下，只需對式(6)、式(9)中的a進行求解，再代入對應(yīng)公式即可求出對應(yīng)的b值，則可以求出在應(yīng)急救援服上的RFID標(biāo)簽運動位置(a,b)。

2.1.3 RFID定位在服裝上的配置

RFID定位技術(shù)在應(yīng)急自救防火中應(yīng)用的基本思想在于將無源標(biāo)簽嵌入到服裝中，閱讀器可以與火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的探測器連用。當(dāng)著裝者逃生經(jīng)過感應(yīng)區(qū)時閱讀器向標(biāo)簽發(fā)送信號，標(biāo)簽在接收到射頻信號后向閱讀器發(fā)送含有著裝者位置信息的反向射頻信號，閱讀器再將這些位置信息反饋到消防指揮車平臺便于消防員在火場展開搜救。本文采取超高頻射頻識別標(biāo)簽(Ultra High Frequency Radio Frequency Identification, UHF RFID), UHF RFID的工作頻段為860～960 MHz，具有頻率高、波長短、輻射效果好等特點，這使得讀取距離增大，可達到數(shù)米[12]。RFID定位系統(tǒng)應(yīng)用見圖5。

圖5 RFID定位系統(tǒng)示意圖

2.2 款式結(jié)構(gòu)設(shè)計

應(yīng)急自救防火服旨在延長著裝者在火場的生存時間。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時被困人員能夠迅速找到并穿上，因此服裝體積不宜過大且應(yīng)便于存放；同時防火服在款式結(jié)構(gòu)要便于著裝者在火場中靈活行動，且服裝在款式結(jié)構(gòu)設(shè)計上要有較好封閉性，能夠保護肢體不受到傷害。款式圖見圖6。

1—衣身；2—插肩袖；3—雙袖口；4—貼袋；5—反光條；6—連身帽；7—UHF RFID無源標(biāo)簽；8—多層織物結(jié)構(gòu)門襟；9—可調(diào)節(jié)抽繩。圖6 自救防火服款式圖

2.2.1 衣身設(shè)計

應(yīng)急自救防火服主體為長款外套，便于穿著。服裝整體呈H廓形。衣袖選用插肩袖設(shè)計，插肩袖屬于連袖結(jié)構(gòu)，是將袖身和衣身在肩部連接，將袖身的袖山延伸至肩部，使袖子和衣身在肩部區(qū)域連接成為一個整體，插肩袖具有穿著方便且又能滿足著裝者運動需求的特點[13]。服裝下擺采用前短后長設(shè)計，前衣身長度蓋過腳踝，后衣身長度達到腳跟，前衣身下衣擺以圓順的弧線過渡到側(cè)縫處。在逃生過程中，產(chǎn)生大量的熱量。若產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)同樣會降低著裝者逃生效率甚至?xí)绊懙缴踩Ｕ{(diào)整服裝的長度可以在一定程度上提高服裝的通風(fēng)性，加快散熱速率，改善服裝的舒適性。袖口采用雙袖口設(shè)計，里層羅紋收口袖口，防止在活動過程中因袖子滑動使手臂裸露在外造成燙傷燒傷。服裝的規(guī)格尺寸參考了現(xiàn)役消防戰(zhàn)斗服主要部位的規(guī)格尺寸。具體規(guī)格為衣長152 cm，胸圍120 cm，肩寬51 cm，袖長61 cm，領(lǐng)圍51 cm，袖口寬19 cm，領(lǐng)高15 cm。

2.2.2 部件設(shè)計

防火服的領(lǐng)子采用消防戰(zhàn)斗服的封閉式高領(lǐng)，在一定程度上防火、隔熱；防火服的帽子與衣身相連，帽檐處設(shè)計可調(diào)節(jié)抽繩，必要時可以收緊帽口以保護頭部不受傷害。

在火場中，很多被困人員是由于火場中的濃煙窒息而死，因此為提高被困人員的生還概率，在帽子門襟處選用由外層、過濾層以及吸附層組成的多結(jié)構(gòu)織物夾層遮掩口鼻，以降低濃煙吸入的危險。在腰部設(shè)計較大容量的貼袋，可存放便攜水袋以便逃生時浸濕帽子門襟，減弱濃煙進入口鼻的概率。服裝在小臂處、前胸、后背以及下擺處設(shè)計了耐高溫反光條，一方面是為了被困者在火災(zāi)發(fā)生后迅速確定防火服的位置；另一方面可以在火場環(huán)境中警示自身位置避免發(fā)生踩踏事件，同時也有利于消防員在結(jié)合射頻識別的基礎(chǔ)上快速掌握被困者的位置。

2.2.3 織物選擇

阻燃織物根據(jù)其工藝不同可分為后整理阻燃織物和本質(zhì)阻燃織物。本質(zhì)阻燃織物相較于后整理阻燃織物性能更加穩(wěn)定，具有更加良好的阻燃、隔熱以及耐熱性能。目前市場上比較常見的阻燃織物有芳綸1414、芳綸1313、TWARON/芳綸1313、芳綸/腈綸/粘膠、PBO。王晶晶等[14]對常用的阻燃織物進行阻燃性能測試，得出這5種織物的阻燃性能從高到低依次為PBO、芳綸1414、TWARON/芳綸1313、芳綸1313、芳綸/腈綸/粘膠。且PBO織物輕薄，質(zhì)地柔軟，可作為應(yīng)急自救防火服的織物。5種阻燃織物基本參數(shù)[14]見表1。

表1 5種阻燃織物基本參數(shù)

3 整體設(shè)計效果評價

3.1 性能評價

RFID是市場應(yīng)用廣泛的較成熟的產(chǎn)品，相較于其他定位技術(shù)具備非接觸、高精度和低成本等優(yōu)點。RFID定位技術(shù)只需要標(biāo)簽與閱讀器處在感應(yīng)范圍內(nèi)就可進行信息交流，這種“盲選”的“握手”方式對于獲悉被困火場中著裝者的位置十分有利。因為自救服上的標(biāo)簽只需要采集著裝者的位置信息，256字節(jié)的數(shù)據(jù)量就完全可滿足存儲需求，所以本文選用存儲器容量為256字節(jié)的高頻UHF RFID無源標(biāo)簽。UHF RFID無源標(biāo)簽的特點在于當(dāng)其處于閱讀器的讀出范圍之內(nèi)時，電子標(biāo)簽從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電源；而當(dāng)其在閱讀器的讀出范圍之外時UHF RFID無源標(biāo)簽會一直處于“休眠”狀態(tài)。因此理論上UHF RFID無源標(biāo)簽的使用壽命是無限長。

3.2 著裝舒適性評價

因為本文設(shè)計的自救防火服受眾為普通大眾因此評價測試的對象隨機選取在校男女大學(xué)生各4名，分別編號為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#，其中男性大學(xué)生平均年齡、身高、體重、身體質(zhì)量指數(shù)(Body Mass Index, BMI)分別為21.7歲、177.6 cm、66.5 kg、21.1；女性大學(xué)生平均年齡、身高、體重、身體質(zhì)量指數(shù)(Body Mass Index, BMI)分別為21.7歲、160.3 cm、50.5 kg、20.1。發(fā)生火情時被困人員要能夠迅速穿上自救防火服，因此在評價中要對服裝的穿脫方便度進行評價；一般會選擇相對安全的樓梯通道快速逃生，在逃生過程中要捂住口鼻，降低重心或匍匐前進，人體運動基本上是由關(guān)節(jié)運動產(chǎn)生的，因此要對行走靈活度、跑步靈活度、爬梯靈活度、肘部靈活舒適度、腋下靈活舒適度這幾方面進行舒適性評價。通過用5級心理學(xué)標(biāo)尺將主觀評價進行量化，數(shù)值越低表示著裝者感覺越不舒適，數(shù)值越高表示著裝者舒適感越強。穿著實驗評價見表2，由表示出受試者在穿著實驗服裝進行跑步以及爬梯時體驗感較差，其主要原因在于較長的衣下擺阻礙了膝關(guān)節(jié)大幅的屈曲活動。在行走、肘關(guān)節(jié)靈活舒適感、腋下靈活舒適感以及穿脫方便度的評價中，受試者體驗感都較好。產(chǎn)品圖見圖7。

表2 穿著實驗評價

圖7 自救防火服成品圖

4 結(jié)束語

本文針對火場環(huán)境應(yīng)急自救的需求，在傳統(tǒng)消防服結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行了改進設(shè)計。通過對服裝技術(shù)、傳感技術(shù)和計算機技術(shù)的結(jié)合進行研究。從安全智慧防護角度出發(fā)，首先，結(jié)合服裝結(jié)構(gòu)款式創(chuàng)新設(shè)計和功能織物的使用，設(shè)計服裝主體為穿脫方便的長款外套。其次，運用射頻識別技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、算法設(shè)計技術(shù)等實現(xiàn)被困人員在火場的位置追蹤、及時救援等功能。最后，對火災(zāi)被困人員緊急自救起到了切實可行的作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著人工智能、可穿戴技術(shù)等多學(xué)科在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用，實現(xiàn)傳感器件的集成化、微型化和柔性化，實現(xiàn)自救防火服的智能化、市場化是未來的發(fā)展方向。