消防員火場工作效率變化的研究

■張維誠 上海市消防救援總隊楊浦支隊

一、研究目的

主觀判斷人員的疲勞程度很可能存在誤差，作戰時消防員常常用強烈的責任心掩蓋了自身的疲勞感，其實現實中每一次奮不顧身的決定通常都是充滿風險的。

目前國內的消防救援并沒有明確的指導手冊或者規程來規范指揮員要在消防員投入戰斗多久后進行輪替更換，實戰中只有根據空氣呼吸器的使用時長限定消防員進入火災現場內部作業的時間，一線消防中隊主流的戰備用空氣呼吸器配備的壓縮空氣鋼瓶都是6.8 升容量，建議使用時長30 分鐘，此時需要后方提示戰斗員準備撤離火災現場，更換氣瓶。但這個輪換機制顯然并不完全合理，滅火救援中起到核心作用的依舊是人，持續的高強度作業可能導致人在空氣呼吸器失效前就達到疲勞狀態，因此為了確保人員安全，提高滅火作戰效能，需要科學的輪替制度。

二、作業效率實驗測試

（一）實驗思路

實驗主要通過在煙熱和普通兩種不同環境下模擬體力運動，研究比較人員在達到不同疲勞程度時，體征狀態的變化情況，分析環境對于消防員運動疲勞產生的影響，在疲勞程度與體征數據間建立關聯，體征數據主要采集心率、呼吸頻率、體溫和腦電。再以體征數據為基準測試不同體征狀態下人員作業能力的變化程度，尋找疲勞程度對于消防員作業能力的影響，作業能力主要測試消防員的力量、腦力和消防器材操作效率。

（二）實驗人員選取

本次實驗的主體是在滅火救援行動中擔任核心作用的人員，業務成熟的一線的消防員，足夠的火場作業經驗可以最大程度地減少心理因素對實驗結果造成的偏差，抽選執勤中隊戰斗員15 人，均在職業鑒定考核中體能、技能達到及格標準，健康無傷病，從事消防戰斗崗位工作3年以上，出勤次數在1000 次以上，所有人員在實驗前參與了最大心率測試。

（三）實驗場地的設置

為貼近現實，試驗場地選取了一棟磚木結構的廢用民房，房屋整體結構完整。取其中一個面積為12m2的臥室作為煙熱室，長度3m，寬度4m。在臥室的西北角墻角處設置燃燒點，放置一個燃燒鐵桶，直徑60cm。

在東南角近門處設置一個踏步臺階，按照中國成年人體質測定標準設定高度40cm，寬度60cm，踏步臺階距離燃燒桶3m。在踏步臺階正上方1.2m 處設置一個熱電偶測溫器，高度位于測試人員腰間。房門東側連通著一條寬1.5m、長4m 的走道，走道北側墻面上有一扇窗戶，采光良好，用這一走道作為測試區，測試者在煙熱室內完成模擬運動后到達測試區完成指定任務，采集相應數據。試驗場地示意圖如圖1所示。

（四）作業疲勞的模擬

消防員作業疲勞通過臺階踏步的方式來模擬完成，臺階測試的標準根據《中國成年人體質測定標準手冊》設定。踏步所用臺階平臺為40cm 高的標準測試高度，測試人員在模擬期間需要保持2s/次的頻率進行踏步運動，相當于國家勞動強度分級中的體力勞動強度4 級，屬于強體力勞動。

（五）作業能力的測試

作業能力主要包括腦力、力量和器材操作效率三個方面。研究在不同的環境下，消防員的救援效能與疲勞程度變化間的關系。腦力的測試采用舒爾特方格測試、Extreme Test 和Mind Wave 頭戴腦波記錄儀，分別測試人員的集中度、反應速度和腦電數據。力量通過電子握力器采集瞬時握力。器材操作采集消防員在火場使用最頻繁的器材：液壓剪、無齒鋸、水槍，液壓剪夾運乒乓球，無齒鋸切割螺紋鋼筋分別記錄時效，水槍結合陀螺儀測試射水的穩定性。

（六）煙熱環境的模擬

高溫煙熱通過真火燃燒得到，燃燒物混合有木材、棉麻、塑料、壓縮板，都是些民用家具的主要材料，確保實時溫度保持在100℃±20℃。

（七）疲勞的判定

為了減少不必要的數據采集和更加貼近實際情況，需要模擬整個戰斗準備和戰斗展開的情況，實測15 名實驗人員靜態心率平均為最大心率的37%，整裝搬運兩盤65mm 口徑水帶，奔跑50m 并成功建立分水陣地后，平均心率為個人最大心率的73%。因此文章中實驗心率的記錄起點設在個人最大心率70%處。

實驗步驟按照設計流程，運動中斷點以心率指標為標準，結合RPE 量表設置初始狀態為靜止狀態，第一個測試點設為個人最大心率的70% 處，之后測試人員心率每提高最大心率的5%記錄一次測試數據。

（八）實驗流程的設計

第一，確保人員狀態良好，休息充足，調整實驗室溫度，常溫下保持室內正常通風采光。

第二，實驗人員穿戴全套實戰用防護裝備，佩戴心率傳感器和運動相機。保證各類檢測設備的運行正常。實驗者完成著裝要求后，靜止休息。

第三，實驗者進入試驗區進行臺階踏步運動，在節拍器的輔助下，保持2s/次的頻率。

第四，在完成規定量的運動后，停止運動，移動到測試區，運動中斷點以達到規定的體征數據為標準。

第五，在測試區內，實驗人員按照測試要求完成對應的測試項目，記錄實驗數據。

第六，測試結束后實驗人員重新返回試驗區，重復步驟三、四、五。

第七，實驗過程中如果出現以下情況立即中斷實驗：空氣呼吸器報警、實驗人員因體力不支無法在測試區完成規定項目或者實驗人員因體力不支自行宣告中斷。

第八，結束測試后的實驗人員卸去防護裝備，在正常環境溫度下靜坐休息，期間繼續保持心率的動態記錄。

三、疲勞對消防員作業能力的影響

（一）集中度和反應速度的變化

在注意力集中的舒爾特方格測試中，常溫環境下人員在到達最大心率的90% 時注意力有明顯的下滑，煙熱狀態下人員在達到最大心率的85% 時，注意力就開始呈現衰減，在70% ～80% 心率區間內時，常溫環境下的測試數據要優于煙熱環境下，由此可得出煙熱環境不利于人員的注意力集中。

在前兩個心率區間內，反應速度測試的數據，煙熱環境下要優于常溫環境，從最大心率的80%后開始反轉，常溫環境下人員的反應速度要優于煙熱環境，常溫環境下人員的反應速度最差值出現在最大心率的85% 至力竭之間，煙熱環境下出現在最大心率的80% 至力竭之間。

（二）握力的變化

消防員的內場作業絕大部分都是靠上肢完成，力量自然也是衡量一個消防員作業能力的重要指標。

整理比較每一名測試人員實驗數據中握力的最大值發現，煙熱環境下，2 人的握力最大值出現在最大心率的70%時，3 人的握力最大值出現在最大心率的75%時，2 人的握力最大值出現在最大心率的85% 時，5 人的握力最大值出現在最大心率的90% 時，3 人的握力最大值出現在最大心率的95% 時。常溫環境下，2 人的握力最大值出現在最大心率的75% 時，3 人的握力最大值出現在最大心率的80% 時，6 人握力最大值出現在最大心率的85% 時，4 人握力最大值出現在最大心率的90%時。

總結可得出，測試人員手臂的爆發力并不隨著心率的變化而線性變化，疲勞度的增加與瞬時爆發力沒有直接的線性關系，總體上握力的最大值出現在人員最大心率的75% ～90% 之間。

（三）射水穩定性的變化

射水是消防員滅火救援中最常見的作業方式，文章中動作穩定性的試驗記錄測試者在達到指定心率后，30s 內目標射水時的水槍擺動軌跡。

常溫環境下，人員操作水槍的偏移量隨著心率的增大而增大，有2 人的水槍偏移增量達到初始狀態的3 倍以上，煙熱環境下15 人中13 人保持相同的趨勢，有兩人在達到最大心率90% 時，位移量有所增加，有6 人的最終偏移量達到第一次的3 倍以上。分析原因是因為這兩名測試人員在最大心率90% 后，無法堅持標準的水槍握姿，而改用腰帶借力支撐。

人員的動作穩定性受煙熱環境影響較大，相同心率時煙熱環境下人員操作水槍時的穩定性要低于常溫環境下，穩定性都隨著人員心率的增長而下降。

（四）操作器材效率的變化

液壓剪的操作實驗中，出現了34 次失誤，6 次發生在常溫環境測試時，28 次發生在煙熱環境測試時，其中3 次發生在測試者最大心率的75%時，4 次發生在測試者最大心率的80%時，7 次發生在測試者最大心率的85%時，9 次發生在測試者最大心率的90%時，12 次發生在測試者最大心率的95%時。器材操作的失誤次數隨著心率的升高而增加。煙熱環境下的失誤次數要大于常溫下。液壓剪操作的過程中出現失誤的次數要大于無齒鋸操作。

從測試的數據來看，煙熱環境下無齒鋸操作效率的均值在最大心率的80% 之前要優于常溫環境下，其中最低效率1 人出現在最大心率的70% 時，3 人出現在最大心率的80% 時，3 人出現在最大心率的85% 時，4 人出現在最大心率的90%時，2 人出現在最大心率的95%時，2 人出現在力竭時，常溫狀態下效率的最低值3 人出現在最大心率的70% 時，4 人出現在最大心率的85% 時，5 人出現在最大心率的90% 時，2 人出現在最大心率的95%時，1 人出現在力竭時。

常溫環境下液壓剪的操作效率的總體均值要高于煙熱環境下，常溫環境下當人員心率達到最大心率的90%后，所有測試者的效率都發生衰減；在煙熱環境下時，在心率達到最大心率的85%時，所有測試者的效率開始衰減。

測試人員不同心率狀態下作業能力的變化如圖2所示。

四、結論

文章以消防員在煙熱環境下體征及作業效率的變化為研究對象，設計了煙熱、常溫兩種不同環境的試驗測試，分別比較了人員在運動到力竭的過程中作業能力的變化，結合百分比心率實驗探索人員的作業效率最優區間。文章所研究的內容對于掌握參戰消防員體征狀態和指導實戰調度有一定實用價值，主要結論如下：

第一，在達到最大心率的83% 之前，不同環境下消防員對于疲勞的感知保持相同，最大心率的83% 之后，煙熱環境下的疲勞感知比常溫環境下遲鈍。

第二，消防員的動作穩定性隨著心率的增長而下降，失誤率隨著心率的增高而增高。與常溫環境下比較，煙熱環境下的人反應速度更快，但是集中程度要差。消防員的反應力和集中程度對器械操作的效率產生影響。

第三，消防員作業效率的最優值均出現在最大心率的75% ～85% 之間，可以認定在這個心率區間內人的作業效率最高。各項作業能力指標在到達最大心率85% 后開始下滑，部分作業在達到最大心率90% 后無法順利完成，因此在現場救援過程中，可以將最大心率的85% 設定為作業人員的預警心率。