杨钰蝶, 李承璋, 金 剑, 郑晶晶,4

(1. 浙江理工大学 服装学院, 浙江 杭州 310018; 2. 杭州市消防救援支队钱塘新区大队, 浙江 杭州 310018;3. 绍兴市消防救援支队, 浙江 绍兴 312400; 4. 浙江省服装工程技术研究中心, 浙江 杭州 310018)

根据现行标准GA 10—2014《消防员灭火防护服》定义,灭火防护服是消防员进行灭火救援时穿着的用来对躯干、头颈、手臂和腿部进行防护的专用服装。灭火防护服的热防护性能、热湿舒适性能、工效性能之间相互独立,又存在着促进、制约的关系[1],其舒适性与工效性在很大程度上影响着消防员的作业效率和职业安全。作为一种特殊防护服,灭火防护服的舒适性、工效性需达到更高的要求,包括其配件。

国内外学者从灭火防护服的防护性能、热湿舒适性、服装结构等方面展开研究,但是对其配件的研究较少且不深入。在配件中,灭火防护服背带承担了牵引及固定防护服下装的作用,是起重要作用的部件。在穿戴时,背带对肩部施加压力,对肩部活动有较大影响。在确保安全性与防护性的前提下,背带的合理改良能够减轻肩部不适感及上肢束缚感。

国内已有部分学者对灭火防护服背带提出改进设计。刘荣平等[2]提出将普通型、交叉型、工字型作为裤子背带的变款。崔琳琳[3]将灭火防护服背带调整成工字型,正面为调节扣,背面则在前后片背托上进行了定位;在后片裤腰与裤身间加入了育克设计,并将背托拉长,背托向两边凹入,降低防护服自重,同时降低裤子对背托和背带之间的拉力,从而实现缓解背带对肩部的压迫目的。杨子田等[4]为改善肩膀舒适度,采用了松紧带和织物复合的设计以减轻肩膀所受压迫,并运用人体工效学原理研制出2套新型的消防用灭火防护服:一款为改良H型,设防滑脱襻;另一款为Y型,采用松紧带和面料相结合的交叉式。然而,对灭火防护服背带变款的评价,都停留在主观层面,缺乏客观数据的支撑。

关节活动角度是量化肢体活动性的重要指标。利用角度尺[5-6]测量关节活动角度是较为常见且低成本的,但这种测量是静态且有限制的。三维动作捕捉技术的出现实现了对肢体活动过程的实时监控,为灭火防护服的动态研究[7]提供了技术支持,亦可应用于肩关节活动角度的获取[8]。郑雨陆[9]开发了低成本的肩部三维动态测量装置,该装置由承载样衣、测量系统和数据采集系统3个部分构成,提供了防护服活动舒适性客观评价的新方法。

本文以服装工效学为理论基础,结合消防员的真实需求,设计3款背带,通过客观的三维动作捕捉实验和主观评价实验对背带作出比较与评价,以期为灭火防护服及其配件的改进提供参考。

1 背带设计

1.1 设计需求调研

通过实地走访、访谈、问卷调查等形式在消防员群体中进行调研,调研内容为现役灭火防护服背带的性能评价与存在问题分析。本次调研对象集中于绍兴、杭州、宁波三地的消防人员,均为男性,共计回收问卷361 份,其中有效问卷356 份。受访者中,78.65%从事消防工作1年及以上,其中将近1成从业超过10年。接受调研的消防员大多具有丰富的工作经验,能够从理论与实战层面对现役灭火防护服作出评价,因此,调研结果具有参考性。

问卷调查结果如表1所示。作为特种防护服的配件,毋庸置疑的是,安全性被排在第1位,调研结果也显示出受访者对现役灭火防护服背带安全性的认可。同时,舒适性和便捷性也被关注,二者的评分分别为3.89和3.83,评分较低且低于总体满意度,存在较大的提升空间。根据一对一、一对多访谈内容,大致了解背带存在问题并编入问卷选项中。问卷调查结果显示,仅有37.08%的受访者认为背带设计完全不需要改进,其他受访者认为背带在穿脱便利度、连接牢固度、肩部灵活度上都存在一定问题,且比例相近。

表1 问卷调查结果分析

1.2 背带款式设计

现役灭火防护服为H型背带,背带可进行长度调节,可拆卸,且背带连接的后背处有护腰设计,面料结构为舒适层-防水透气层-外层[10]。图1为20式消防员灭火防护服的背带结构图。背带通体由2根两端带有自扣式魔术贴的编织带构成,中间另加入一小段编织带形成H型。背带通过金属环与裤腰连接,可调节、可拆卸。裤腰后背处设有护腰结构,使得使用时背带后部短于前部。

图1 20式灭火防护服背带结构图

本文基于调研中发现的问题,对背带结构进行改进设计,改后款式如图2所示。为增强穿脱便利性,防止交织错乱现象的发生,加入面料作为背带之间的连接;为减轻肩部压力过大造成的不适,加入富有弹性的氨纶面料,使用弹性更好的弹性织带代替弹性较差的编织带;为减小背带对肢体活动的限制,通过面料贴体或者减少背带根数的方式增强背带整体与身体的贴合度。这些设计在一定程度上增加了背带整体的弹力,减小了背带与裤腰的硬性拉扯,从而减少连接处断裂情况的发生。各款式的面料部分采用氨纶面料,背带采用锦纶与氨纶的混合弹性织带,具体设计特点如表2所示。

图2 3款灭火防护服背带款式图

表2 灭火防护服背带款式特点

2 实验方案

2.1 实验对象

选择11名消防员为实验对象,身体健康,心率血压均无异常。被试者的年龄、身高、体重及量体数据见表3。被试者的平均年龄为25岁,平均身高为174.9 cm,平均体重为65.9 kg,实验中所提供的服装号型为175/92A。被试者除穿着实验中提供的背带及灭火防护服下装长裤外,统一穿着短袖T恤、短裤与运动鞋。

表3 实验对象基本信息

2.2 实验环境

采用浙江理工大学服装学院恒温恒湿实验室中的实验设备及环境,实验设备为Qualisys 光学动作捕捉系统,环境温度为(25±2) ℃,相对湿度为(62±2)%,风速≤0.1 m/s。

2.3 实验动作

实验选取与肩关节活动相关的常见动作(如图3所示),包括常速步行(速度为2 km/h)时的上肢摆动,常速跑步(速度为5.5 km/h)时的上肢摆动以及手臂屈伸和手臂外展运动。实验前每位被试者需熟悉动作,实验过程中要求被试者达到自己感觉最舒适的活动程度。

图3 实验动作示意图

2.4 实验步骤

在被试者上肢的肩关节、肘关节部位粘贴捕捉反光marker球。通过动作捕捉仪获得肩关节点S(x,y,z)与肘关节点E(a,b,c)坐标,如图4所示。

图4 肩肘关节点坐标

实验共计5组,包括仅穿着T恤和短裤的对照组与穿戴原款和改进后的3款共4款背带的实验组。进行常速步行与常速跑步测试时,要求被试者手臂随运动速度自然摆动,进入稳定状态后,动作捕捉仪采集15 s的数据并保存。之后进行手臂前伸与外展测试,被试者按要求完成动作并重复5次,动作捕捉仪采集数据并保存。被试者穿着每款背带完成指定动作后,需对肩关节活动灵活性、整体舒适性和局部舒适性进行主观评价。

实验过程中,为避免上肢疲劳对实验结果产生影响,每位被试者测试的背带款式顺序是随机的,过程中可以随时要求休息,且完成一款背带的测试后需休息30 min。

2.5 实验指标

2.5.1 最大肩关节活动角度

通过三维动作捕捉实验,得到动态活动中每间隔0.01 s的肩关节与肘关节的三维点坐标。肩、肘关节点连线得到向量,每个时刻对应1个独立的向量,2个向量之间的夹角即为肩关节活动角度。

每个实验动作中肩肘关节活动存在周期性,如以2 km/h的速度步行时,被试者双臂规则性前后摆动,肘关节坐标在X轴上周期变化最为显著,且步行中身体整体的前移或后移造成的X数值变化不影响周期规律。根据肘关节坐标的波峰与波谷划分周期,得到每个周期内初始位置的坐标S(x,y,z)、E(a,b,c)和终止位置的坐标S′(x′,y′,z′)、E′(a′,b′,c′),从而确定计算最大肩关节活动角度所需要的2个向量。使用空间向量夹角公式计算出这2个向量的空间夹角余弦值cosα:

再根据反三角函数公式α=arcos(cosα)可得出肩关节活动角度α。每位被试者的最大肩关节活动角度取采集时间内所有周期的平均值。

2.5.2 动作时长

由于步行和跑步时的手臂活动速度受下肢步伐影响较大,因此,仅讨论手臂屈伸和外展的动作时长。为确定动作时长,需先划分动作周期,原理与2.5.1节相同。周期起点与终点之间的时长为每次上肢动作所需时间,实验结果取5次动作的平均值。

2.5.3 主观指标

主观评价应用5级标尺,对于活动灵活性,5级分为不灵活、较不灵活、灵活、较灵活、非常灵活;对于舒适性,5级分为不舒适、较不舒适、舒适、较舒适、非常舒适。

2.6 数据分析方法

使用IBM SPSS Statistics软件对数据进行分析。数据正态性通过Shapiro-Wild进行检验。采用单因素方差分析考察动作是否显著影响最大肩关节活动角度。若影响显著,则采用LSD检验法分析各款式的差异。采用肯德尔协同系数检验主观指标数据的一致性。所有数据分析的显著性设为p<0.05。

3 实验结果分析

3.1 肩关节活动角度

对最大肩关节活动角度结果进行方差分析,结果表明:不同被试者对于最大肩关节活动角度不会表现出显著性(p>0.05),说明不同被试者的最大肩关节活动角度表现出一致性。

表4示出被试者在穿着不同背带、不同动作下的最大肩关节活动角度。比较表中的数据可以发现,在4种动作下实验组的最大肩关节活动角度均小于对照组,说明任何一款背带都会限制被试者的肩关节活动。受人体骨骼特征影响,上肢在不同动作下的活动角度不同,且这些规律并不受背带款式的影响。相较于常速步行,常速跑步时肩关节的活动范围更大,即上臂的摆动幅度更大。手臂在矢状面的屈伸活动范围大于冠状面上的外展活动范围。

表4 穿着不同背带做4种动作时的最大肩关节活动角度

在同一动作下,最大肩关节活动范围越大代表上肢活动受到的限制越小。将受试者做4种动作的最大肩关节活动角度分别作单因素方差分析,结果如表5所示。常速跑步和手臂屈伸时最大肩关节活动角度有显著差异(p<0.05)。进一步进行LSD检验,结果表明:对照组与原款、对照组与款式3有显著差异,说明原款和款式3对肩关节活动的限制性最强。结合表4可得出:常速跑步时,穿着款式1的肩关节活动角度最大,穿着款式3的肩关节活动角度最小,说明H型与面料相结合的设计,对肩部的束缚更小,更能满足手臂自然摆动的需求;手臂屈伸时,穿着款式1和款式2的肩关节活动角度明显大于原款和款式3,说明加入弹性布料的设计减轻了背带对肩部的束缚,增强了肩部的活动舒适性。

表5 4种动作下肩关节活动角度的单因素方差分析结果

无论在哪种动作下,款式1都表现出最好的活动性,款式2次之。而对于款式3,被试者常速步行和常速跑步时,肩关节活动角度小于原款,手臂屈伸和外展时差别不大。由此看出,Y型背带款式对上肢活动性并无明显改善。原因可能是背带需满足牢固性、耐磨损性的要求,其硬度和强度较大,在与背部的合体度上有一定的欠缺,无法很好地分担肩部压力。

总体来说,款式3对肩关节的限制性与原款相当,无明显改进,而款式1和款式2在一定程度上缓解了对肩部的束缚。

3.2 动作效率

表6示出穿着不同背带下手臂屈伸和外展的动作时长、标准差和提升率。可以看出:手臂屈伸和外展时,样本数据的标准差较小,说明样本稳定性好,动作时长受被试者个体差异的影响小。

表6 手臂屈伸和外展的动作时长

不穿着任何背带时,被试者完成指定手臂动作耗时明显较少,说明背带在一定程度上会减缓完成手臂动作时的速度,对手臂活动存在限制作用。

相较于原款,穿着改进背带完成手臂动作的速度都有一定的提升,其中款式1的提升率最明显,手臂屈伸和外展动作时长分别提升12.39%和14.60%。结合上3.1节分析结果,以穿着款式1为例,即便肩关节活动角度更大,完成指定动作却需更少的时间,说明背带的改进设计有助于加快作业人员进行上肢动作的速率,有助于提高消防员的作业效率。总体来说,4款背带完成指定动作效率从高到低的排序为:款式1、款式2、款式3、原款。

3.3 主观评分

采用肯德尔协同系数检验法处理主观数据,以检验各被试者对各款背带的主观评价是否具有统一性,以及各评价者的评分结果间是否存在统一性。检验结果呈现出显著性(p<0.05),则表示各被试者的评判标准一致,即评分一致性比较好。

表7示出11名被试者对原款与3款改进款背带的活动灵活性、整体舒适性的主观评价结果。对于活动灵活性,由高到低优化后的排序为款式1、款式2、款式3、原款,与三维动作捕捉实验中获得的客观结果一致。款式1和款式2背带的活动灵活性评分均明显高于原款,且高于3分,处于灵活以上等级。由此可见,款式1和款式2的设计在很大程度上改善了上肢活动灵活性。对于整体舒适性,款式1和款式2背带亦明显优于原款与款式3。究其原因,背心式设计相较于普通肩带更有利于分散压力,且对上肢的束缚相对较小。

表7 主观评价结果

同时,实验要求对与背带密切相关的部位舒适性进行主观评价,用以评价背带设计的局部舒适性,便于做出针对性改进。图5示出4个部位的主观舒适性评价结果。肩部评分的差异最大且分数最低,肩部依然是最大的受力处,其中款式1和款式2的肩部主观舒适性较高,这可能与弹性面料的加入有关。胸部舒适性的评分集中且分数较高,说明各款式对胸部的限制较小。对于颈部,款式1和款式3的评分较低,其原因可能是款式1的背心设计与款式3的Y型设计过高,在后续的改进中考虑降低它们的高度,避免活动中背带与颈部摩擦。对背部来说,双根背带舒适度优于单根,背带与弹性面料结合设计优于纯背带设计。

图5 不同部位的舒适性主观评分

4 结 论

本文根据消防员现实需求,优化设计灭火防护服背带,通过客观三维动作捕捉实验和主观感受实验评价各款背带的工效性,得到以下相关结论。

客观上,穿着3款优化后背带的肩关节灵活性和动作效率均优于原款,优化后的设计减轻了背带结构对肩关节活动的限制,提高了作业效率,增强了肩部灵活性与舒适性。主观上,3款优化后的背带都表现出优于原款的活动灵活性,但款式3的整体舒适性低于原款。从具体部位来看,肩、颈部的舒适性需要更多关注。总体来说,款式1的改进效果最明显,款式2次之,款式3有一定效果,但舒适性不佳。

灭火防护服是消防员的专职作业服,细微部位的改变将对实际作业产生影响。本文3款背带在一定程度上改变了消防员的穿脱习惯,若予以应用需关注穿戴过程中的操作。尤其对于带有卡扣设计的款式1,为不影响出勤速度,初步穿戴仅需将背带和背心部分覆于肩背,之后上消防车调整着装时再进行连接卡扣这个动作。

今后的研究应综合考虑肢体活动性、热湿舒适性等多方面因素,在面料的材料、应用部位、背带的宽度等方面做出研究。同时,灭火防护服配件的改进需回归整体工效性,使灭火防护服的设计与评价更加完善。