消防戰訓工作中負荷監控方法應用研究

作者簡介：劉天鷺（1999— ），女，漢族，遼寧昌圖人，碩士研究生，研究方向：特種行業體能訓練。

通訊作者：鄒曉峰（1976— ），男，漢族，四川渠縣人，教授，研究方向：運動生物力學。

基金項目：吉林大學研究生創新基金資助項目（項目編號：2024CX160）。

摘要：負荷監控方法多應用于訓練學、人體工效學等領域，是對機體在負荷刺激下產生的生理、心理變化的量化。消防救援人員訓練強度大，任務要求高，工作環境復雜，通過負荷監控可以有效識別機體狀態，減少消防員傷亡。本文針對國內外消防員負荷監控開展研究，從負荷監控的方法學視角，論述了以采集心率、體溫等指標為代表的運動負荷監控和機體熱應變情況等客觀評定方法以及以RPE量表和NASA-TLX量表為代表的主觀評定方法在消防員群體中的應用，總結了相關評定方法在消防應用中的特點與局限性，為消防救援人員負荷監控提供建議。

關鍵詞：負荷監控；消防員；客觀評定；主觀評定

引言

消防戰訓工作是一項具有挑戰性和高風險的工作。如何科學、高效、安全地組織消防訓練，從而提高消防救援人員工作能力，滿足消防員職業化需求，是當前消防戰訓工作需要關注的焦點。科學訓練具有漸進性、周期性、特異性等特點，其本質是通過適宜的負荷刺激機體以產生最佳適應。消防戰訓工作不僅使消防救援人員產生大量的生理負荷，也累積了很多心理負荷。當前研究主要針對消防員訓練和出警中體力活動產生的運動負荷、消防工作特殊性產生的心理負荷以及滅火救援等極端環境帶來的生理負荷改變等問題，采用以心率、體溫為主的客觀指標和通過主觀用力評價（Rating of Perceived Exertion，RPE）、NASA-TLX（Task Load Index）任務負荷指數量表、狀態焦慮量表等獲得的主觀指標對消防員負荷進行描述和研究。本文研究了負荷監控手段在消防救援中的應用現狀，提出優化整合現有負荷監控方法的模式策略，為高效、安全地組織訓練提供參考。

一、客觀評定方法在消防員負荷監控中的應用

根據監控的方法屬性，負荷監控手段可被分為客觀評定和主觀評定兩種。客觀評定為不以主觀意志為轉移的評定，通常通過測定心率、體溫等生理指標，睪酮、皮質醇等生化指標以及速度、距離等時空指標對個體所承受的負荷進行量化。生化指標采集和分析較為煩瑣，在消防救援群體中應用較少。速度、距離等指標多通過GPS數據進行分析，受到空間條件限制，多見于對林火消防員（Wildland Firefighter）的研究。心率和體溫是負荷評定中常用的客觀指標。心率與時間相結合計算得到的負荷沖量（Training Impulse，TRIMP）可以反映負荷量和負荷強度對機體的實際刺激；心率與核心溫度、時間相結合計算得到的生理應變指數可以反映熱環境對機體的影響。

（一）心率在消防員運動負荷監控中的應用

消防員的運動負荷主要來自體能訓練和出警中的體力活動。消防員體能訓練作為特種行業體能訓練的重要部分，越來越受到重視。許多學者嘗試將運動訓練學方法引入消防員訓練中，以促進消防員訓練計劃的科學化。心率是運動訓練中評定負荷強度的常用指標，可以通過實時心率反映負荷強度，也可以通過運動結束一段時間內心率恢復情況來反映機體恢復情況。隨著TRIMP的提出和不斷發展，基于心率和時間的內部負荷算法更加精細化，針對不同專項的TRIMP算法也陸續被研究應用，其被證實具有較好的信效度。

消防員群體負荷的相關研究既包括對瞬時心率的研究，也包括對實時心率的研究。特定時間點的心率可以反映機體狀態的變化。Muth等對消防員潛水訓練時潛入水中一分鐘、浮出水面前最后一分鐘的心率進行測量，以反映水溫、潛水深度等變量對訓練的影響，并證實其能有效反映消防員訓練時的負荷情況^[1]。部分學者嘗試將TRIMP作為負荷監控的手段應用于消防員的真實工作場景或模擬訓練，以探索最符合消防救援行動的負荷監控手段。研究中使用了LUCIA TRIMP^[2-3]和Banister TRIMP^[4]算法，均可以反映不同場景下消防員機體負荷的變化。此外，心率恢復（Heart Rate Recovery，HRR）或心率變異性（Heart Rate Variability，HRV）等的計算可以有效反映機體運動后的恢復情況。Smith等分析了198名消防員模擬滅火任務結束后15分鐘的HRR，發現15分鐘后其心率為126±23bpm。可以認定，15分鐘的恢復時間不足以使消防員恢復至可以再次參與救援^[5]。Marcel-Millet等嘗試使用消防員在模擬救援后5分鐘的HRV來反映消防員穿著不同防護裝備的疲勞情況，發現HRV不能較好地反映消防員的恢復情況。有研究認為：運動中測得的HRV準確度較低，在運動訓練中，應針對運動員清晨測得的HRV數據進行分析，以觀測機體對每個訓練日的負荷反應，這樣可有效防止運動員訓練過度。HRV被認為是監控運動員疲勞與恢復情況的有效指標，但尚未有關于消防員的持續HRV監測研究。

（二）生理應變指數在消防員熱安全預警中的應用

消防員主要承擔火災撲救等工作，需要在極端熱壓力下工作，承受來自工作環境的外部壓力、劇烈體力活動時身體產生的熱量內部壓力和防護服對身體熱量損失的限制。較高的負荷水平和較大的生理壓力使得消防員在火場中不僅會產生疲勞，還會發生熱衰竭等疾病。通過實時生理監測手段獲得的心率和體溫等指標可用于計算熱應變指數等，進而監測消防員在工作中的熱生理響應。熱應變指數（Physiological Strain Index，PSI）是通過計算心率和核心溫度得到的0—10之間的值，可描述無應變到非常高應變的狀態，被廣泛應用于消防、軍事等領域。測溫膠囊的發展使得便捷獲取機體核心溫度成為可能。測溫膠囊可以對體溫進行1天—2天的監測，其獲得的體溫與直腸溫度高度接近。研究人員不僅對心率進行監測以評估運動負荷，還通過使用測溫膠囊獲取受試消防員的核心體溫，共同分析消防員在滅火救援等工作中的生理需求和熱應變。研究中，通常采用PSI結合心率水平或TRIMP共同對消防員滅火救援工作中的負荷進行評定。Rodriguez-Marroyo等結合PSI和TRIMP分析了滅火過程中不同類型工作的負荷特點；Joseph等使用心率、PSI，并結合尿比重和加速度計數據評估了不同地理條件和天氣條件下消防員的負荷情況^[6]。有研究認為，使用累積熱應變指數（Cumulative Heat Strain Index， CHSI）可以更準確地獲得消防員在工作中的熱應變情況，但缺少相關證據支撐。由于測溫膠囊成本較高，因此未被廣泛應用。有的研究人員使用皮膚溫度計算改良的PSI即自適應生理應變指數（Adaptive Physiological Strain Index，APSI），認定穿著防護服會限制皮膚的散熱，導致皮膚血流量增加，加劇熱相關的疲勞產生。因此，APSI更能反映消防員實際工作時的熱應變情況^[7]。我國學者設計消防員可穿戴設備時，對于體溫的采集多為膚溫度^[8]或環境溫度^[9]。因此，對于消防員皮膚溫度的監測數據的處理與算法實現應當成為研究的重點。

二、主觀評定方法在消防員負荷監控中的應用

主觀評定方法是指以個體心理活動為主，受心理影響的評定。在消防人員的評估應用中，常用的主觀評定方法包括通過RPE量表或NASA-TLX評估生理負荷或整體工作負荷；通過心理學量表和NASA-TLX量表的子分數評估消防員工作時的心理負荷；通過心理學量表監控消防員階段性心理健康等。由于消防工作常常需要在高溫等復雜環境進行，對可穿戴設備的材質具有較高要求。與之相比，主觀指標方便獲取，可以較好地反映受試者對負荷的主觀感受。

（一）RPE量表在消防員負荷監控中的應用

訓練或任務結束后對訓練進行評分，可以得到主觀疲勞感覺分數，即RPE值，用以描述負荷強度。在針對消防人員的研究中，RPE還可以通過與熱感覺投票（Thermal Sensation Vote，TSV）共同計算得到知覺應變指數（Perceptua-Based Strain Index，PeSI），在不使用測溫設備的情況下獲取消防員火災撲救等工作中機體熱應變情況，可評估消防員熱環境的生理應變，反映消防員的熱應變情況^[10]。PeSI并不能及時、準確地反映消防員機體熱應變情況，PeSI不應作為高溫工作時消防員工作的唯一衡量標準。Foster等結合TRIMP理論，提出session-RPE（s-RPE）方法，通過統計訓練時間和訓練后的RPE值計算得到總體負荷水平。s-RPE法簡單易行，不需要其他裝置就可以量化負荷；該方法還可以反映團隊成員對同一外部負荷的不同反應，實現個性化監控。因此，針對消防員負荷的研究，需要使用RPE分數來評估訓練或作戰的負荷強度。部分研究還將s-RPE方法應用于消防員群體負荷研究中，基于主觀指標對消防員負荷加以量化。s-RPE作為一種較為成熟的運動負荷監控方法，在消防員訓練負荷監控中的應用具有良好效果。Bouzigon等使用基于心率的TRIMP和s-RPE對消防員體能訓練和救援的工作負荷進行量化，證明s-RPE方法可以良好地反映出消防員工作負荷波動情況^[11]。

（二）NASA-TLX在消防員負荷監控中的應用

NASA-TLX量表被廣泛應用于工作負荷評估的主觀評價量表，多用于人體工效學領域的研究。該量表包含腦力需求、體力需求、時間需求、努力程度、績效水平、受挫程度等六方面。使用NASA-TLX量表獲取工作負荷，可以對受試者整體工作負荷及構成情況進行分析，也可以對子負荷進行單獨分析。例如，Laal等通過分析伊朗消防員的NASA-TLX分數情況，發現伊朗消防員承受著較大的體力負荷和心理負荷，并證實了較高心理負荷與消防員工作失誤增加的關聯^[12]。若將其應用于我國消防員群體，應對NASA-TLX的漢化量表進行文化調適，并進行信效度檢驗，使其更具科學性。

NASA-TLX量表的腦力負荷維度也是研究人員重點關注的內容。腦力需求是指完成任務過程中需要付出的腦力活動，相較于使用腦電等進行生理測量，主觀測量方法操作簡單，不對任務產生侵入性，是最不受環境影響的腦力負荷測量方法。NASA-TLX量表作為多維量表，在腦力負荷的測量方面具有敏感性和診斷性。在消防救援工作中，為了成功完成工作，消防員需要詳細了解建筑物結構、危險信息位置等，將會產生一定的腦力負荷。Chen 等在研究中通過NASA-TLX量表量化了消防員的腦力負荷情況，證實腦力負荷與尋路需求相關聯^[13]。因此，亟須優化消防隊伍滅火救援作戰指揮體系，準確、科學地制定滅火救援行動方案并下達作戰指揮指令，降低消防員作戰中的腦力負荷，減少工作失誤。

三、負荷監控在消防救援人員中應用的展望

（一）提高消防員戰訓工作中的負荷監控意識

消防救援隊伍一直以來承擔著防范化解重大安全風險、應對處置各類災害事故的重要職責。轉制后，面對從“單一災種”向“全災種，大應急”的轉變，消防員的職業安全與健康面臨更高的挑戰。一些消防指戰員能力素質與轉型升級的要求還有差距，一些單位仍然遵循“三從一大”原則，導致消防員訓練傷發病率較高。過往的研究證實了負荷監控手段在描述消防員對訓練的反應和實戰中的危險情況等方面非常有效。為提高消防戰訓工作的科學性，更好應對新階段的挑戰，應將負荷監控理念融入專業化訓練中，作為訓練方案設計與調整的重要依據，降低消防員傷亡率。

（二）促進消防員體征監測設備設計

消防員工作環境具有危險性，因此需要通過獲取心率、體溫等客觀指標對消防員工作負荷進行量化。客觀指標的獲取通常需要佩戴心率帶、測溫膠囊等體征監測設備。目前在對消防員群體的研究中，一般采用運動監控設備進行監控，通常在腕部佩戴心率表或在胸前佩戴心率帶，獲取以心率為主的指標。然而，消防員訓練任務較重，持續穿著體征監測設備應確保其舒適性。同時，消防員需要面對隨時出警的情況，相應的設備應具備快速的穿脫結構。如需獲得消防員作戰時的生理指標，應確保體征監測設備的工作溫度、濕度可以滿足消防員工作場景以及穿戴位置不會對消防員穿戴個人防護裝備等產生影響。體征監測設備是負荷監控的重要物質基礎，相關學者需要研究設計符合消防員工作特點的體征監測設備。

（三）加強消防員負荷監控指標的篩選與分析

許多指標都可以反映機體對負荷的影響。對于消防人員這類具有鮮明工作特點的群體，應對指標進行篩選，以有效反映消防戰訓工作時的負荷變化。對于所采集指標的分析，不應局限于對指標本身的分析，應探索對指標進行二次計算或對多指標進行共同分析。例如，在訓練學領域的研究中證實，通過近一周的TRIMP值和前4周TRIMP值計算急/慢性負荷比率是判斷運動員疲勞及損傷程度的敏感性指標。此外，對負荷監控數據進行統計學分析時，通過對消防員負荷數據的縱向比較和歷史情況的橫向分析，有利于識別消防員訓練效果和消防員訓練計劃的個性化調整。篩選消防員負荷監控指標，精進指標分析算法，形成消防員負荷監控指標體系，是未來相關研究的重點。

結語

本文介紹了過往對于消防人員負荷監控的相關研究，從監控的方法屬性視角，總結了客觀評定方法和主觀評定方法在消防人員負荷監控中的應用現狀，對我國消防救援人員負荷監控實施進行展望。為增強我國消防救援人員訓練效能，降低消防員職業損傷，應將負荷監控理念融入消防戰訓工作中，加強消防戰訓工作的科學化實施。同時，應結合過往研究，加強消防員體征監測設備的設計，篩選針對性指標和算法，建立消防員負荷監控指標體系，促進消防員負荷監控實施常態化。

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