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(jì)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(shí)有發(fā)生，據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局統(tǒng)計(jì)2020年全年共接報(bào)火災(zāi)25.2萬起，死亡1183人，受傷775人，直接財(cái)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(huì)造成重大的人員傷亡以及財(cái)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(shí)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(qiáng)著裝者的作業(yè)效率；王麗[3]通過分析消防動(dòng)作改進(jìn)現(xiàn)役消防服的關(guān)鍵部位，優(yōu)化消防服的設(shè)計(jì)。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(shí)，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(fèi)者的需求。本文參考現(xiàn)役消防服款式設(shè)計(jì)研發(fā)了一款具有良好防護(hù)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(shí)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(jì)思路

針對應(yīng)急自救防火服的設(shè)計(jì)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(hù)性等功能，以有效保護(hù)著裝者在舒適穿著的同時(shí)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(shí)自救防火服的射頻識(shí)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(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification, RFID)實(shí)現(xiàn)定位功能；其次，采用拼接工藝將傳感元件與服裝進(jìn)行結(jié)合；最后進(jìn)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(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的火場救援。應(yīng)急自救防火服設(shè)計(jì)流程見圖1。

圖1 應(yīng)急自救防火服設(shè)計(jì)流程

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 射頻識(shí)別技術(shù)概述

射頻識(shí)別技術(shù)中是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID系統(tǒng)包含了閱讀器、標(biāo)簽以及后臺(tái)服務(wù)器3個(gè)部分。其工作原理是當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器天線的感應(yīng)范圍時(shí)，閱讀器發(fā)送電磁波，激勵(lì)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(jī)，完成信息處理，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)或自動(dòng)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(yuǎn)距離自動(dòng)識(shí)別功能。無源標(biāo)簽的自動(dòng)識(shí)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(shí)間工作。

RFID識(shí)別速度快，可穿越障礙物進(jìn)行標(biāo)簽識(shí)別，實(shí)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(qiáng)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(hào)不會(huì)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(jì)

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(yùn)動(dòng)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(gè)墻角分別放置1個(gè)電子標(biāo)簽。假設(shè)這3點(diǎn)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(diǎn)，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(shí)間(Time of Arrival, TOA)定位法可知[11]，計(jì)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(diǎn)W對被困人員位置關(guān)系的參考。RFID定位閱讀器點(diǎn)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(gè)標(biāo)簽與自救防火服距離的計(jì)算公式如下：

(3)

對式(3)進(jìn)行線性處理得：

(4)

設(shè)Z4=a2+b2,對式(4)進(jìn)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(shí)際運(yùn)用中為了方便計(jì)算，各點(diǎn)坐標(biāo)的單位取值為1 m，在得知墻角三點(diǎn)及閱讀器坐標(biāo)的情況下，只需對式(6)、式(9)中的a進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(dòng)報(bào)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(shí)閱讀器向標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)，標(biāo)簽在接收到射頻信號(hào)后向閱讀器發(fā)送含有著裝者位置信息的反向射頻信號(hào)，閱讀器再將這些位置信息反饋到消防指揮車平臺(tái)便于消防員在火場展開搜救。本文采取超高頻射頻識(shí)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(diǎn)，這使得讀取距離增大，可達(dá)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(jì)

應(yīng)急自救防火服旨在延長著裝者在火場的生存時(shí)間。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)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(shí)防火服在款式結(jié)構(gòu)要便于著裝者在火場中靈活行動(dòng)，且服裝在款式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要有較好封閉性，能夠保護(hù)肢體不受到傷害?？钍綀D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(jì)

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(jì)，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(gè)整體，插肩袖具有穿著方便且又能滿足著裝者運(yùn)動(dòng)需求的特點(diǎn)[13]。服裝下擺采用前短后長設(shè)計(jì)，前衣身長度蓋過腳踝，后衣身長度達(dá)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(shí)散發(fā)同樣會(huì)降低著裝者逃生效率甚至?xí)绊懙缴踩?。調(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(jì)，里層羅紋收口袖口，防止在活動(dòng)過程中因袖子滑動(dòng)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(jì)

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(jì)可調(diào)節(jié)抽繩，必要時(shí)可以收緊帽口以保護(hù)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(xiǎn)。在腰部設(shè)計(jì)較大容量的貼袋，可存放便攜水袋以便逃生時(shí)浸濕帽子門襟，減弱濃煙進(jìn)入口鼻的概率。服裝在小臂處、前胸、后背以及下擺處設(shè)計(jì)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(shí)也有利于消防員在結(jié)合射頻識(shí)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(jìn)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(jì)效果評價(jià)

3.1 性能評價(jià)

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(diǎn)。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(jìn)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?yàn)樽跃确系臉?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(chǔ)需求，所以本文選用存儲(chǔ)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(diǎn)在于當(dāng)其處于閱讀器的讀出范圍之內(nèi)時(shí)，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(shí)UHF RFID無源標(biāo)簽會(huì)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(jià)

因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的自救防火服受眾為普通大眾因此評價(jià)測試的對象隨機(jī)選取在校男女大學(xué)生各4名，分別編號(hào)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(shí)被困人員要能夠迅速穿上自救防火服，因此在評價(jià)中要對服裝的穿脫方便度進(jìn)行評價(jià)；一般會(huì)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(jìn)，人體運(yùn)動(dòng)基本上是由關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(jìn)行舒適性評價(jià)。通過用5級心理學(xué)標(biāo)尺將主觀評價(jià)進(jìn)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(qiáng)。穿著實(shí)驗(yàn)評價(jià)見表2，由表示出受試者在穿著實(shí)驗(yàn)服裝進(jìn)行跑步以及爬梯時(shí)體驗(yàn)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(dòng)。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(jià)中，受試者體驗(yàn)感都較好。產(chǎn)品圖見圖7。

表2 穿著實(shí)驗(yàn)評價(jià)

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(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過對服裝技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行研究。從安全智慧防護(hù)角度出發(fā)，首先，結(jié)合服裝結(jié)構(gòu)款式創(chuàng)新設(shè)計(jì)和功能織物的使用，設(shè)計(jì)服裝主體為穿脫方便的長款外套。其次，運(yùn)用射頻識(shí)別技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、算法設(shè)計(jì)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)被困人員在火場的位置追蹤、及時(shí)救援等功能。最后，對火災(zāi)被困人員緊急自救起到了切實(shí)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(shí)現(xiàn)傳感器件的集成化、微型化和柔性化，實(shí)現(xiàn)自救防火服的智能化、市場化是未來的發(fā)展方向。