摘要：為應(yīng)對森林火災(zāi)復(fù)雜危險的工作環(huán)境，對智能森林消防頭盔進行設(shè)計與研究。將通信模塊、攝像頭等設(shè)備集成于森林消防頭盔中，基于5G通信技術(shù)和多模態(tài)信息檢測技術(shù)，實現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場信息的高效傳輸。運用計算機仿真模擬方法，參考國人頭部尺寸，對頭盔的造型及結(jié)構(gòu)展開設(shè)計。智能森林消防頭盔可實時監(jiān)測消防員的生命體征及其周圍環(huán)境，并將相關(guān)信息傳輸至后方指揮中心，實現(xiàn)指揮中心與救援現(xiàn)場的聯(lián)動。此款產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)，可顯著提升森林消防救援的信息化水平。指揮中心可實時獲取火場信息，以便對火情做出快速研判，進而增強救援工作的安全性、科學(xué)性和高效性。同時也為森林消防穿戴裝備的開發(fā)與升級提供了參考經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：森林消防；智能頭盔設(shè)計；5G傳輸技術(shù)；頭部數(shù)據(jù)；人機工程學(xué)

中圖分類號：TB472 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）23-0121-05

引言

近年來，氣候變化引發(fā)全球范圍內(nèi)森林火災(zāi)風(fēng)險增高，山火數(shù)量顯著增多，且山火季逐漸拉長[1]。我國森林廣袤，地形崎嶇復(fù)雜，森林消防員在繁雜惡劣的環(huán)境中作業(yè)，存在諸多不便[2]。在森林消防救援過程中，由于傳統(tǒng)通信設(shè)備功能欠佳，通信效率較為低下，致使后方指揮中心難以與救援人員實現(xiàn)高效的信息協(xié)同，無法及時對火情作出科學(xué)研判，這導(dǎo)致森林消防作業(yè)效率低，且人員生命安全面臨著較大風(fēng)險。為此，森林消防迫切需要更為先進的防護裝備。

森林消防頭盔是保護消防員頭面部和頸部的重要防護裝備，常見的消防救援頭盔主要由帽殼、面罩、披肩、泡沫墊、十字緩震帶、帽網(wǎng)、調(diào)節(jié)鈕和頸托等部件組成[3]，具備防火、防熱輻射、防電擊、防側(cè)向擠壓、防沖擊穿透、防有毒有害氣體、防化學(xué)腐蝕等功能[4][5]。在新技術(shù)快速發(fā)展的環(huán)境下，消防救援頭盔的研究方向主要為數(shù)字化、智能化，通過在頭盔中嵌入微型電子設(shè)備以實現(xiàn)信息傳輸、衛(wèi)星定位及生命體征監(jiān)測等功能。

一、森林消防救援活動概述

（一）森林火災(zāi)撲救流程分析

衛(wèi)星遙感、5G 通信等技術(shù)現(xiàn)今已廣泛應(yīng)用于林火監(jiān)測及預(yù)報、計劃燒除和火災(zāi)撲救等領(lǐng)域[6]，然而于實際工作中，火情的控制主要依靠消防員深入火場協(xié)同作業(yè)完成。圖1 為森林火災(zāi)撲救流程，在此過程中，控制火勢蔓延是山火撲救的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在指揮員的統(tǒng)一指揮下，通過不同分工，部分森林消防隊員分別從林火兩翼開始，由火場邊緣向中央地帶進行明火撲滅工作，其他消防員于火場外部延多方向修筑防火阻隔帶，以消滅火災(zāi)現(xiàn)場周圍區(qū)域的燃燒粒子。在撲滅山火后，需要專人看守火場，防止燃燒粒子因起風(fēng)復(fù)燃。

（二）森林火災(zāi)救援危險因素及消防員傷亡原因分析

受地形、可燃物、風(fēng)向、風(fēng)速等因素的影響，森林火災(zāi)具有突發(fā)性強、蔓延速度快、煙氣毒害性大等特性，存在多變性、多樣性和反復(fù)性。森林中積聚的大量可燃物以及復(fù)雜的地形環(huán)境會導(dǎo)致火情超常規(guī)變化[7]，造成人員傷亡。因此，在山火撲救過程中，消防指揮員須根據(jù)實際情況實時調(diào)整策略，以應(yīng)對山火變化。

調(diào)研結(jié)果表明，不完整的通信網(wǎng)絡(luò)和滯后的通信技術(shù)，會在多單位聯(lián)合作戰(zhàn)時引發(fā)同頻干擾或通信中斷等問題，致使后方指揮員對火情研判不足，進而產(chǎn)生對火行為的變化判斷失誤、對具體地形條件認(rèn)識不清和未能合理建立避火安全區(qū)等一系列問題，給森林消防人員的生命安全帶來了極大威脅。

二、智能消防頭盔的研究現(xiàn)狀與技術(shù)應(yīng)用

（一）智能消防頭盔的研究現(xiàn)狀

目前，國外對于智能消防頭盔的研究起步相對較早，在設(shè)計與應(yīng)用方面也更為成熟，且其相關(guān)應(yīng)用大多集中于城市消防領(lǐng)域，而針對森林消防的研究較少。英國早期推出的SOLOtic 全護式消防頭盔，集成了呼吸系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及頭盔式熱像儀，擁有免提通信和可視熱成像等功能，為用戶提供了全方位頭部保護。近年來美國加州開發(fā)的“C-THRU 超級消防頭盔”，具有實時通信、緊急呼救及熱成像等功能。該頭盔利用AR 技術(shù)，配合頭盔上的熱感攝像頭，可以將移動或靜止的物體以綠色圖框的形式投影在頭盔面罩上，幫助消防員在低能見度的環(huán)境下掌握救援現(xiàn)場情況。

現(xiàn)階段我國森林消防員使用的通信裝備主要包括350M 對講機、北斗終端、衛(wèi)星電話、短波電臺等，受森林中樹木和地形等因素影響，存在信息傳輸流暢度較低等問題，對此國內(nèi)多家研究機構(gòu)嘗試將5G技術(shù)應(yīng)用于智能消防頭盔中。當(dāng)前，我國正在積極推進5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，并已應(yīng)用于智能制造等多個領(lǐng)域。5G 通信技術(shù)具有高速率、低延時、穩(wěn)定性高、兼容性強等特點，能夠更好地滿足森林消防的通信需求。

圖2 是廣東省消防隊等單位研發(fā)的5G 智能雙光熱成像消防頭盔，內(nèi)置可見光攝像頭、蜂窩電話等多個模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)可見光和紅外光雙向視頻傳送。其雙光攝像頭的透煙和測溫功能，可準(zhǔn)確測溫成像，在濃煙和火焰中辨別被困人員。成像科技推出了靈曈F1 智能應(yīng)急救援頭盔，內(nèi)置有頭部計算機、空呼一體化面罩以及智能指揮系統(tǒng)等先進技術(shù)。該頭盔的前置高清攝像頭可實時視頻拍攝，遠(yuǎn)程錄像和抓拍，同時，可實現(xiàn)與指揮終端進行音視頻通話。

在理論研究方面，彭堅等提出從動態(tài)舒適性多目標(biāo)優(yōu)化研究、多通道類人感知和意圖協(xié)同交互研究、系統(tǒng)故障診斷及容錯控制研究3個方面研究和發(fā)展單兵智能消防頭盔，以提升其各方面性能[8]。

通過以上現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)消防頭盔相比，智能消防頭盔主要增設(shè)了通信和信息檢測兩大模塊，雖提升了功能性和對用戶的保護程度，但也存在重量大、動態(tài)舒適性較差等缺點。

三、消防頭盔市場調(diào)研與分析

（一）消防頭盔案例分析

為了更好地了解消防頭盔的設(shè)計趨勢，先后對現(xiàn)階段市場認(rèn)可度較高的幾款產(chǎn)品進行調(diào)研，并在組成部件、造型、材料、功能和使用感受等方面對其進行分析，如表1。

根據(jù)以上內(nèi)容可知，智能森林消防頭盔設(shè)計可從融合多功能部件、拓展智能功能、優(yōu)化造型設(shè)計、選用高性能材質(zhì)、提升佩戴舒適度以及考慮多場景適配性等方面進行思考。

（二）用戶訪談

本設(shè)計在桌面調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用半結(jié)構(gòu)式訪談的方法，分別與前線消防員、消防指揮員和頭盔生產(chǎn)企業(yè)負(fù)責(zé)人進行深度交流，訪談內(nèi)容根據(jù)訪談用戶的不同有所差別，內(nèi)容整理如表2。

從以上內(nèi)容可明顯看出，現(xiàn)階段國內(nèi)智能消防頭盔的設(shè)計層面存在諸多問題亟待解決。并且現(xiàn)有智能消防頭盔在森林消防領(lǐng)域的適用性較差。

（三）頭盔的人機工程學(xué)研究

人機工程學(xué)理念旨在以人為本，要求設(shè)計不光要高品質(zhì)，更要符合人的生理和心理需求，具有良好的舒適性、宜人性和安全性[9]。根據(jù)我國消防員頭部尺寸及特征對森林消防頭盔進行人機工程學(xué)設(shè)計研究，可以提升消防員佩戴舒適度，減少安全隱患[7]。本課題基于《中國漢族人體頭面測量及分析》[10] 中數(shù)據(jù)對頭盔進行人機工程學(xué)設(shè)計研究，所需數(shù)據(jù)從該文獻中摘錄，如表3。

研究表明，人的頭部負(fù)重1.5kg 可持續(xù)一至兩小時，影響消防頭盔舒適性的因素主要有3 個：頭盔重量、頭盔的重心位置、運動時頭盔的穩(wěn)定性[2]。這款頭盔的外觀尺寸參照GB/T2428—199816）中成年男性標(biāo)準(zhǔn)頭型尺寸的規(guī)定[11]，整體質(zhì)量參照GA44—2004《消防頭盔》標(biāo)準(zhǔn)，在不包括面罩和披肩等附件條件下不超過1kg。數(shù)字化消防頭盔由于盔上裝備增加，使其重心上移，為使頭盔重心盡量降低且與人頭部中心相吻合，需合理分配盔上各功能模塊位置，保持頭盔兩側(cè)的質(zhì)量平衡，提升佩戴穩(wěn)定性。

四、智能森林消防頭盔設(shè)計實踐

（一）設(shè)計目標(biāo)與思路

此課題設(shè)計的智能森林消防頭盔，借助5G 通信技術(shù)實現(xiàn)火場信息高效傳輸，通過心率傳感器、熱成像攝像頭等設(shè)備實時感知消防員及其周邊環(huán)境情況，以提升我國森林消防救援工作的安全性和科學(xué)性。根據(jù)以上調(diào)研結(jié)果得出，在頭盔設(shè)計過程中要注意的關(guān)鍵點如下：

1. 防護性；頭盔外形設(shè)計以簡潔的弧形為主，盔體采用一體成型工藝，以保證其良好的抗沖擊性能。

2. 舒適性：森林地域遼闊、地形繁雜，消防員在步入火場的過程中會耗費諸多體力，對于頭盔的輕量化與舒適性有較高要求。在頭盔設(shè)計過程中，需在確保其強度的前提下，通過對盔體材料的選擇、功能的取舍以及盔內(nèi)各模塊的布設(shè)，最大限度降低頭盔的整體質(zhì)量，并保持頭盔質(zhì)心平衡。

3. 功能性：在森林火災(zāi)撲救過程中，指揮員憑借衛(wèi)星遙感、無人機等工具勘析火情宏觀信息[12]，具體信息則需通過與前線消防員通信來獲取，所以消防頭盔應(yīng)配備可靠且高效的實時通信模塊。與此同時，還需考量該頭盔的普及率與通信兼容性，以及盔內(nèi)元器件在高溫下是否安全穩(wěn)定。頭盔的部分組件須嚴(yán)格遵循規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。

（二）頭盔功能設(shè)計

根據(jù)前期對森林火災(zāi)撲滅流程的分析與相關(guān)調(diào)研，確定智能森林消防頭盔將設(shè)有以下功能，如表4。

此款智能頭盔的功能設(shè)定與森林消防救援工作具有高度適配性，通過減少盔內(nèi)非必要元器件的布設(shè)，從而實現(xiàn)減輕重量、延長續(xù)航時間以及提高佩戴舒適度的目的。

（三）具體設(shè)計內(nèi)容

1. 頭盔造型設(shè)計

在頭盔的具體設(shè)計過程中，盔頂需設(shè)置加強筋，以強化盔體的強度。同時，需為盔內(nèi)元器件、內(nèi)襯、減震棉、緩沖層等部件預(yù)留合理的布設(shè)位置。通過與頭盔生產(chǎn)廠商的學(xué)習(xí)交流，明確了各模塊所需元器件，并梳理了有關(guān)尺寸和排布標(biāo)準(zhǔn)?；谝陨汐@取的相關(guān)數(shù)據(jù)與結(jié)論，展開智能森林消防頭盔的方案草圖繪制，如圖3，經(jīng)過討論分析，最終選擇方案4 進行二維渲染并深入研究，如圖4。

頭盔的外造型主要采用流暢的線條與圓潤的造型作為設(shè)計風(fēng)格，于視覺層面給用戶傳遞出堅固且輕便的直觀感受。殼體邊緣沿著曲線延伸出短帽檐，以此提升其防水性能，同時還加長了后部帽檐，以實現(xiàn)對消防員頸部的保護作用。此外，對頭盔兩側(cè)的按鈕進行了圓角處理，既方便操作又兼具美觀性。頭盔最終方案模型及渲染圖如圖5。

2. 頭盔顏色設(shè)計

鑒于森林消防頭盔的特殊性，可供選取的顏色有限。高飽和度、低明度的紅色和黃色在煙塵環(huán)境中辨識度較高，可發(fā)揮警示作用，并且契合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)[13]。故而頭盔外部殼體顏色依據(jù)佩戴人員的不同分工，分為黃色（#FFCC00）和紅色（#FF2400）兩種。按鍵為淺灰色，易于識別。該頭盔的導(dǎo)軌以及其他塑料配件顏色，與傳統(tǒng)主流消防頭盔相一致，呈黑色，并在前端配有可翻轉(zhuǎn)的透明防護面罩。

3. 頭盔結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖6 是頭盔的結(jié)構(gòu)爆炸圖。其中高清攝像頭和熱成像攝像頭集成于頭盔前端、帽檐上方的中線位置，以確保其良好的拍攝條件。將天線模塊嵌入頭盔頂部加強筋內(nèi)，旨在保證信號不受到干擾。鑒于視頻傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，5G 主板與天線模塊的間隔不宜過大，故將5G 主板設(shè)置于攝像頭與天線模塊之間，并在其下方貼合超薄鋁制散熱板以達到高效散熱的目的。運用平整的塑料殼予以固定，以確保用戶頭部的安全與舒適。

頭盔內(nèi)襯的前部與額頭貼合位置設(shè)有心率傳感器，用以對消防員生命體征進行監(jiān)測。在頭盔的兩側(cè)、用戶耳部上方位置分別裝有揚聲器，可針對用戶操作進行語音提示。頭盔內(nèi)部的電子設(shè)備由一節(jié)18650 圓柱形鋰電池提供電力支持，鑒于該電池重量較大，故而將其置于頭盔后方加長的帽檐位置，且處于頭盔的中軸線上，以便在壓低重心的同時，確保頭盔重心平衡。電池可拆卸更換，以滿足消防員長時間作戰(zhàn)需求。為防止進水，電池艙開口朝下設(shè)置。

頭盔尾端設(shè)有穿透力較強的白色光燈帶，可常亮或閃爍，具備照明、警示和SOS 呼救的作用。內(nèi)部裝配有阻燃泡沫緩沖墊和懸掛式內(nèi)襯，具有貼合消防員頭部、隔離元器件以及發(fā)揮緩震等作用，用戶佩戴頭盔時，可通過調(diào)節(jié)器讓內(nèi)襯達到最適尺寸。

4. 頭盔材質(zhì)選擇

這款頭盔的盔體材質(zhì)采用碳纖維復(fù)合材料，具有質(zhì)輕、強度高、抗沖擊性能良好等特性。此外，該材料還具有出色的耐高溫性、絕緣性和耐用性，能夠切實有效地保護消防員頭部安全。與盔體相連接的部分、按鍵以及頭盔內(nèi)部電子模塊的覆蓋件采用聚醚醚酮（PEEK）材質(zhì)，此材質(zhì)具有耐高溫、耐腐蝕、機械性能優(yōu)良、絕緣性能良好等特性。該頭盔還配備有與傳統(tǒng)頭盔通用的工程塑料導(dǎo)軌以及亞克力面罩，均為可替換的標(biāo)準(zhǔn)件，為頭盔的后續(xù)維護工作帶來了極大便利。

5. 頭盔使用說明

復(fù)雜的操作會引發(fā)用戶的負(fù)面情緒[14]。以人為本，盡可能保持消防員原有使用習(xí)慣是該頭盔交互設(shè)計的出發(fā)點。圖7 是頭盔的使用說明。頭盔操作按鍵共有3 個，分別為電源開關(guān)鍵、照明燈控制鍵和SOS 呼救鍵。在實際使用過程中，需首先開啟位于頭盔帽檐下方的電源開關(guān)以接通電源，此時頭盔將進入自檢模式。待自檢完成后，頭盔即進入工作狀態(tài)，其視頻傳輸、免提通信、衛(wèi)星定位、心率監(jiān)測、空氣監(jiān)測以及熱成像等功能隨之啟動。與此同時，消防員于工作進程中可依據(jù)自身實際需求，開啟照明、爆閃警示以及SOS 呼救等功能。具體而言，按動一下照明燈控制鍵，即可開啟照明功能，而連續(xù)按動兩下照明燈控制鍵，則可開啟爆閃警示功能。此外，按下頭盔左側(cè)的SOS 呼救鍵，可啟動SOS 呼救功能。

6. 智能森林消防頭盔交互界面設(shè)計

圖8 是智能森林消防頭盔交互界面。原型界面從左至右主要分為氣候狀況、地形概覽和消防員數(shù)據(jù)3 部分，以此實現(xiàn)對消防重點區(qū)域的位置、分布、面積的可視化呈現(xiàn)。其中氣候狀況顯示的內(nèi)容為森林氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括溫度、大氣濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等，借助專業(yè)的計算分析模型，可對異常數(shù)據(jù)自動預(yù)警。地形概覽借助全國地理信息系統(tǒng)對火災(zāi)區(qū)域的位置、面積和蔓延方向進行三維可視化呈現(xiàn)，協(xié)助指揮員科學(xué)高效指揮。

消防員數(shù)據(jù)部分主要包括消防設(shè)備數(shù)據(jù)以及消防員實時傳輸?shù)娜梭w狀態(tài)信息兩個部分，具體包含消防員心率、頭盔電量顯示以及SOS 求救信號等內(nèi)容。當(dāng)消防員發(fā)出SOS 呼救信號或其人體數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，界面下部會顯示該消防員的身體相關(guān)信息和設(shè)備使用情況，同時在地圖中標(biāo)記出其具體位置，便于及時開展救援行動。

（四）智能森林消防頭盔應(yīng)用優(yōu)勢

圖9 是智能森林消防頭盔的使用情境圖。與傳統(tǒng)頭盔相比，智能森林消防頭盔借助其安全防護與環(huán)境識別等功能，在森林消防工作中展現(xiàn)出了諸多顯著優(yōu)勢：

1. 早期預(yù)警能力可有效提升消防員安全性。通過熱成像攝像頭、氣壓傳感器等先進技術(shù)，消防員能夠更及時、更敏銳地感知周圍潛在危險，并在早期階段及時制訂科學(xué)的作戰(zhàn)計劃，可有效減少傷亡情況發(fā)生。

2. 高效清晰的通信是團隊協(xié)作的關(guān)鍵。借助5G 通信技術(shù)的智能頭盔確保了消防員之間以及與指揮中心之間的實時、無障礙溝通，使信息傳遞準(zhǔn)確迅速，有利于團隊成員之間的協(xié)調(diào)配合。

3. 森林中可燃物眾多，地形環(huán)境復(fù)雜，極易出現(xiàn)火行為超常規(guī)變化。此時，指揮員通過現(xiàn)場視頻實時傳輸，精確地獲取火場相關(guān)信息，根據(jù)實際情況靈活調(diào)整策略，確保消防員安全作業(yè)，同時提升了作業(yè)效率。

4. 智能頭盔減輕了消防員的工作負(fù)擔(dān)。消防員可以根據(jù)指揮中心實時反饋的火場宏觀信息，借助頭盔中定位功能，更好地了解火災(zāi)情況，如同拓展了“視野”，從而更精準(zhǔn)地開展工作。

5.實時數(shù)據(jù)記錄功能，為任務(wù)過程的記錄和后期分析提供了便利。有助于總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，不斷改進森林消防工作方法和策略。

綜上所述，智能森林消防頭盔憑借其多種優(yōu)勢，在森林消防工作中發(fā)揮著重要作用，為保障消防員安全高效地完成任務(wù)提供了有力支持。

（五）設(shè)計驗證

智能森林消防頭盔設(shè)計驗證采用線上問卷調(diào)查與線下訪談相結(jié)合的形式，分別對前期調(diào)研的消防隊員及企業(yè)負(fù)責(zé)人回訪，以評估該頭盔的安全性、舒適度和美觀性等。首先，運用3D 打印技術(shù)，制作出實體頭盔模型，如圖10。對其進行設(shè)計探討，并測試其重心及舒適度。然后，運用線上問卷調(diào)查法對消防隊員進行產(chǎn)品滿意度調(diào)查，評價等級分為五級，高等級表示認(rèn)可度高。運用線下訪談法，與頭盔生產(chǎn)制造廠商進行面對面交流。整理分析訪談及測評結(jié)果顯示，此款頭盔整體獲得了較高評價，但在材質(zhì)選擇、頭盔體積及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面仍有不足，后期將對其進行完善細(xì)化，并根據(jù)最新法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對頭盔進行迭代設(shè)計。

結(jié)語

微型熱成像探測器、攝像機及感知監(jiān)測系統(tǒng)等新技術(shù)的出現(xiàn)，使得智能消防頭盔的一體化成為可能，也使消防可穿戴智能裝備的研究成為熱點。與傳統(tǒng)的消防頭盔相比，智能森林消防頭盔針對長時間的森林、山地等野外使用環(huán)境進行了輕量化設(shè)計，通過整合5G 信息傳輸、多模態(tài)檢測等技術(shù)，實現(xiàn)救援現(xiàn)場與后方指揮中心的實時聯(lián)動，可大幅提升森林消防裝備的安全性。同時，借助森林智能消防頭盔采集的前端數(shù)據(jù)，我國森林消防系統(tǒng)將更加高效完善。

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