操 凱,劉小勇,王 祥,蘭明強(qiáng),李亞運(yùn),郭 賢,宋輿涵

(1.安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院,安徽 合肥 230601;2.清華大學(xué)合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230601)

個(gè)體防護(hù)服裝的功能、性能發(fā)揮和環(huán)境條件有較大關(guān)系。同樣用途的防護(hù)服裝,會(huì)因?yàn)槭褂铆h(huán)境的差異出現(xiàn)不同的功能要求[1]。南方高溫潮濕、北方極端寒冷、高原空氣稀薄,許多情況下,防護(hù)服裝都受使用的溫度范圍、濕度范圍等條件限制[2]。在復(fù)雜的災(zāi)害環(huán)境下使用防護(hù)服裝,很可能會(huì)出現(xiàn)不能使用或者服裝性能下降的情況。消防部隊(duì)是發(fā)生森林火災(zāi)、燃?xì)庑孤?、爆炸等事故時(shí)應(yīng)急救援的主力軍[3]。消防服作為保護(hù)災(zāi)害救援人員生命安全的最后一道防線,其各項(xiàng)防護(hù)性能的可靠性是十分重要的。宗藝晶[4]提出了對(duì)消防服多層織物系統(tǒng)熱濕舒適性的評(píng)價(jià)方法。馬春杰[5]研究了相關(guān)環(huán)境因素對(duì)消防服織物性能的影響。劉林玉[6]研究了對(duì)于消防服多層織物熱防護(hù)性與舒適性的綜合評(píng)價(jià)。前人對(duì)于消防服單一環(huán)境下的研究較多,而在實(shí)際救援活動(dòng)中,消防人員所在的救援環(huán)境通常并不是單一的極端惡劣環(huán)境,往往面臨的是高低溫條件、強(qiáng)風(fēng)暴雨等多種復(fù)合災(zāi)害環(huán)境[7]。同時(shí),前人對(duì)于消防服的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)研究較少。因此,對(duì)消防服進(jìn)行災(zāi)害環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)是非常有必要的。筆者運(yùn)用層次分析法(AHP)和模糊理論相結(jié)合的方法,構(gòu)建高低溫環(huán)境下的消防服環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系模型,通過AHP由專家確定指標(biāo)權(quán)重,再使用模糊綜合理論來完成消防服環(huán)境適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)[8-9],并將該模型運(yùn)用到評(píng)價(jià)某一品牌消防服的高低溫環(huán)境適應(yīng)性上,以期為消防服的性能改良提供依據(jù)。

1 評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系

1.1 評(píng)價(jià)方法和流程

評(píng)價(jià)方法和流程為:①提煉消防服環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵性能指標(biāo),構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;②利用層次分析法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行權(quán)重分析和確定;③利用模糊綜合評(píng)價(jià),從上到下依次進(jìn)行逐層評(píng)價(jià);④獲得評(píng)價(jià)目標(biāo)的綜合性風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),評(píng)價(jià)其環(huán)境適應(yīng)性。

1.2 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GA 10-2014 消防員滅火防護(hù)服》、《GA 770-2008消防員化學(xué)防護(hù)服裝》和《GA 634-2015消防員隔熱防護(hù)服》中防護(hù)服檢測(cè)指標(biāo)[10],結(jié)合大量防護(hù)服高低溫環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果篩選出受高低溫環(huán)境影響較為嚴(yán)重的參數(shù)進(jìn)行分類,保證防護(hù)服環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)具有客觀性、公正性、科學(xué)性,最終形成消防服高低溫環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如圖1所示。

圖1 消防服環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(1)完備性。外觀作為服裝的一項(xiàng)基本屬性,是服裝完備性不可或缺的一項(xiàng)重要指標(biāo)。不同尺寸滿足不同體型個(gè)體可穿度和舒適性的要求。戰(zhàn)時(shí)消防員多處于惡劣的意外災(zāi)害環(huán)境下,消防服難免會(huì)受到一定程度的拉扯作用,因此抗拉性能也應(yīng)作為消防服完備性的一項(xiàng)重要指標(biāo),以保障消防服滿足其功能性的要求。紡織品撕破強(qiáng)力是常見的物理性能之一,也是生產(chǎn)生活中各種紡織品的必要檢測(cè)性能,反映消防服材料在戰(zhàn)時(shí)特殊環(huán)境下抗撕耐破的程度和水平。斷裂強(qiáng)力反映在惡劣環(huán)境下消防服的抗斷耐裂的程度和水平,也是消防服完備性的重要指標(biāo)。

(2)功能性。熱性能是反映消防服功能性的關(guān)鍵因素,包括隔熱性能、耐熱性能和阻燃性能。熱性能作為保衛(wèi)消防員生命安全最后防線的重要功能指標(biāo),是區(qū)分普通服裝和功能性消防服的重要因素之一。消防服作為消防員戰(zhàn)時(shí)功能性服裝還需要滿足防水透氣性能、防靜電性能、耐靜水壓性能和耐腐蝕性能。

(3)保障性。結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性能反映消防服手臂、腰部、大腿等各部分結(jié)構(gòu)的靈活與協(xié)調(diào)程度,判斷是否適于消防員戰(zhàn)時(shí)特殊活動(dòng)需求。消防員常工作于光線較暗的火場(chǎng)等惡劣救援環(huán)境當(dāng)中,消防服的反光可見性能的好壞反映消防員活動(dòng)蹤跡的可快速追蹤效率,成為消防服保障性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

2 AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)法

2.1 確定評(píng)價(jià)因素集

將消防服環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)作為模糊綜合評(píng)價(jià)的因素集,建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型,其中U={U1,U2,U3},分別表示一級(jí)指標(biāo)完備性、功能性和保障性,其中U1={U11,U12,U13,U14,U15},U2={U21,U22}={U211,U212,U213,U221,U222,U223,U224},U3={U31,U32}。

2.2 基于AHP確定權(quán)重

按照已建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,依據(jù)各指標(biāo)的重要性,采用1～9標(biāo)度表(如表1所示)比較各指標(biāo)的重要程度,形成判斷矩陣,再用方根法計(jì)算各元素的相應(yīng)權(quán)重,經(jīng)計(jì)算每個(gè)判斷矩陣隨機(jī)一致性比率CR均小于0.1,表明通過隨機(jī)一致性檢驗(yàn),最終得到各指標(biāo)權(quán)重。

表1 1～9標(biāo)度表

2.3 確定綜合評(píng)價(jià)的評(píng)語集

對(duì)于某個(gè)問題,根據(jù)其評(píng)價(jià)情況和評(píng)價(jià)需求將其劃分等級(jí)。將評(píng)價(jià)結(jié)論劃分為4個(gè)等級(jí),即V={V1,V2,V3,V4}={優(yōu),良,中,差}={90,70,50,30}。

2.4 單因素評(píng)價(jià)

通過專家調(diào)查法或者其他方法列出隸屬度,設(shè)有y個(gè)專家參與評(píng)價(jià),對(duì)因素集Ui={Ui1,Ui2,…,Uin}按照評(píng)語集V={V1,V2,V3,V4}進(jìn)行評(píng)價(jià),統(tǒng)計(jì)得到各個(gè)因素評(píng)語為vk的專家人數(shù)占所有專家總?cè)藬?shù)的比例,即可得各個(gè)因素對(duì)評(píng)語等級(jí)vk的隸屬度rjk[11],從而得到模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣Ri。

(1)

2.5 建立綜合評(píng)價(jià)模型

模糊綜合評(píng)價(jià)分為單層次評(píng)價(jià)和多層次評(píng)價(jià),本文的指標(biāo)體系有3層指標(biāo),因此需要使用多層次模糊綜合評(píng)價(jià)。

(1)一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)。在上述基礎(chǔ)上,可以得到指標(biāo)集中每個(gè)Ui的權(quán)重Ai和模糊評(píng)價(jià)矩陣Ri,將兩者相乘得到一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Bi(i=1,2,…,N),進(jìn)而得到U的一級(jí)模糊評(píng)價(jià)矩陣R=(B1,B2,…,BN)T。

Bi=Ai·Ri=(a1,a2,…,an)·

(2)

(2)多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)。將得到的一級(jí)指標(biāo)權(quán)重A和一級(jí)模糊評(píng)價(jià)矩陣R相乘可得到U的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B。

B=A·R=A·(B1,B2,…,BN)T=

(b1,b2,…,bm)

(3)

(3)計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值?；谀：C合評(píng)價(jià)結(jié)果B,并結(jié)合評(píng)語集V對(duì)應(yīng)的數(shù)值,由式(4)算出綜合評(píng)價(jià)分值P。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)分值確定對(duì)象所屬的評(píng)價(jià)等級(jí),給出評(píng)價(jià)結(jié)論。

P=V×B

(4)

3 案例分析

為驗(yàn)證所提評(píng)價(jià)體系的合理性,選取某一品牌型號(hào)的10套消防服進(jìn)行試驗(yàn)(如圖2所示),為了排除個(gè)例的影響,選取4套未作任何預(yù)處理作為空白對(duì)照組,3套進(jìn)行高溫70℃存放2 h處理,3套進(jìn)行低溫-20℃存放2 h處理,然后分別進(jìn)行功能性驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)預(yù)處理情況如圖3所示。

圖2 消防服樣品

圖3 環(huán)境艙中溫度處理

以驗(yàn)證高溫環(huán)境對(duì)消防服的整體熱防護(hù)性能的影響為例開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)利用燃燒假人測(cè)試系統(tǒng),通過皮膚燒傷模型評(píng)估熱消防服在高溫預(yù)處理前后的整體阻燃熱防護(hù)性能變化來研究高溫對(duì)防護(hù)服的整體熱防護(hù)性能的影響。設(shè)置環(huán)境溫度為24.2℃,環(huán)境濕度為61%RH,火焰平均熱流密度為81 kW/m2,火焰平均熱流密度熱流標(biāo)準(zhǔn)差為17.21 kW/m2,數(shù)據(jù)采集持續(xù)時(shí)間為120 s,轟燃時(shí)間為2 s,假人除頭盔未覆蓋,其余均覆蓋。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示,可知高溫預(yù)處理前后消防服經(jīng)過2 s火焰測(cè)試后服裝燒毀情況基本一致。經(jīng)假人皮膚燒傷預(yù)測(cè)結(jié)果可知,高溫預(yù)處理后服裝產(chǎn)生的燒傷區(qū)域及燒傷程度略大于未經(jīng)過高溫預(yù)處理的服裝產(chǎn)生的燒傷區(qū)域及燒傷程度。由此可見,此款消防服在70℃高溫環(huán)境下處理2 h后,經(jīng)2 s火焰測(cè)試,服裝熱防護(hù)性能略微有所衰減。

表2 高溫預(yù)處理前后消防服性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

最后,依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該消防服高低溫環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用層次分析法對(duì)消防服各指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算形成權(quán)重矩陣,然后采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)該品牌型號(hào)的10套消防服試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)形成評(píng)價(jià)矩陣,從而計(jì)算得到該防護(hù)服高低溫環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.1 指標(biāo)體系權(quán)重計(jì)算

綜合專家意見,基于層次分析法得出各個(gè)指標(biāo)權(quán)重,如表3所示。

表3 消防防護(hù)服環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

3.2 建立單因素評(píng)價(jià)矩陣

通過對(duì)各評(píng)價(jià)因素的分析,選取某品牌消防員滅火防護(hù)服10個(gè)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并對(duì)各樣本的參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),采用表格的形式對(duì)10個(gè)樣本的評(píng)分情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到各個(gè)因素的各個(gè)評(píng)分的頻數(shù),即為各評(píng)價(jià)因素對(duì)重要等級(jí)的隸屬度[12-13],如表4和表5所示。

表4 各二級(jí)指標(biāo)的隸屬度

表5 各三級(jí)指標(biāo)的隸屬度

3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)

將得到的權(quán)重向量和評(píng)價(jià)矩陣相乘,計(jì)算得到熱性能、其他性能的評(píng)價(jià)結(jié)果。利用式(2)計(jì)算出各一級(jí)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果:

B21=[0.421 1 0.318 3 0.118 3 0.142 4]

B22=[0.237 4 0.293 0 0.316 1 0.153 5]

進(jìn)而,依次計(jì)算出各二級(jí)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果Bi和三級(jí)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果B:

B1=[0.300 2 0.291 1 0.243 5 0.119 7]

B2=[0.366 2 0.310 7 0.177 4 0.145 7]

B3=[0.4 0.4 0.1 0.1]

B=[0.356 3 0.314 8 0.183 5 0.136 6]

再利用式(4)得到消防服環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)分值為:

P=B·VT=

[0.356 3 0.314 8 0.183 5 0.136 6]·

結(jié)果表明,該型號(hào)消防服的高低溫環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)得分為67.664分,屬于“良”等級(jí)。

3.4 消防服改良建議

消防員在救援時(shí)不僅要身著消防服,還需要背負(fù)特種救援裝備,這均增加了消防員戰(zhàn)時(shí)身體負(fù)擔(dān)。在保證消防服整體防護(hù)性能的條件下,消防服整體質(zhì)量的輕量化以及提高其舒適性都是消防服的重要改良方向,以期達(dá)到減輕消防員戰(zhàn)時(shí)身體負(fù)擔(dān)、增加其作業(yè)靈活度的目的。與此同時(shí),為消防服增加更多的現(xiàn)代技術(shù)功能也是一個(gè)重要的改良方向,比如消防員戰(zhàn)時(shí)定位功能、人體生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)功能和有害氣體的監(jiān)測(cè)等,為消防員提供全面的實(shí)時(shí)信息提醒和指引,提高救援效率等。

對(duì)于該型號(hào)消防服的高低溫環(huán)境適應(yīng)性中較薄弱性能,分別從完備性、功能性和保障性3個(gè)方面提出建議?；趯哟畏治龇ǖ玫酵陚湫詸?quán)重為0.194 7,功能性權(quán)重為0.717 2,保障性權(quán)重為0.088 1。因此,在改善消防服性能時(shí)應(yīng)將改善其功能性作為工作重點(diǎn),適當(dāng)改善其完備性和保障性。

(1)完備性。完備性包含外觀、性能、抗拉性能、撕破強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)力5個(gè)二級(jí)指標(biāo),其權(quán)重分別為0.035 9、0.056 1、0.161 3、0.291 2、0.455 5,故建議在改善消防服完備性時(shí)應(yīng)重點(diǎn)改善撕破強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)力。由模糊綜合評(píng)價(jià)的隸屬度得分結(jié)果可知,抗拉性能得分較低,可將其作為該型號(hào)消防服性能改善的一個(gè)方向。

(2)功能性。功能性包含熱能性和其他性能2個(gè)二級(jí)指標(biāo),其權(quán)重分別為0.701 0和0.299 0,故在改善消防服功能性時(shí)應(yīng)特別注意重點(diǎn)改善其熱能性,平衡適當(dāng)改善其他性能。消防服作為防護(hù)性功能服裝,熱能性要求始終是設(shè)計(jì)開發(fā)防護(hù)服時(shí)最主要的最基本的要求。熱能性包含3個(gè)三級(jí)指標(biāo),即隔熱性能、耐熱性能和阻燃性能,其權(quán)重分別為0.182 7、0.423 7、0.393 6,后續(xù)可利用燃燒假人開展轟然條件下消防服功能性阻燃性能整裝測(cè)試等研究。同時(shí),由模糊綜合評(píng)價(jià)的隸屬度得分結(jié)果可知,防靜電性能和耐靜水壓得分較低,可將這兩方面作為該型號(hào)消防服功能性改善的方向。

(3)保障性。保障性包含結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性能和反光可見性能2個(gè)二級(jí)指標(biāo),其權(quán)重均為0.500 0,故建議在改善消防服保障性時(shí)應(yīng)同時(shí)平衡改善其結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性能和反光可見性能。

4 結(jié)論

(1)提出了針對(duì)復(fù)合環(huán)境下消防服環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法,構(gòu)建了消防服風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,包括完備性、功能性和保障性3項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)及其9項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)和7項(xiàng)三級(jí)指標(biāo),較全面地反映了消防服環(huán)境適應(yīng)性能。根據(jù)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)確定環(huán)境行為狀況,共同提高了評(píng)價(jià)的可靠性與有效性。

(2)采用AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)消防服環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,運(yùn)用建立的防護(hù)服環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)模型對(duì)某品牌消防服進(jìn)行高低溫環(huán)境適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)。并選取某一品牌型號(hào)的10套消防服進(jìn)行試驗(yàn),得出該型號(hào)消防服高低溫環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)為“良”。

(3)根據(jù)指標(biāo)權(quán)重和模糊綜合評(píng)價(jià)得分,為消防服提出改良建議。為改善消防服的性能提供更加精確和全面的依據(jù),為需要進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)和可靠性測(cè)試的個(gè)體防護(hù)裝備等提供了一種重要思路和借鑒,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。