楊鈺蝶, 李承璋, 金 劍, 鄭晶晶,4

(1. 浙江理工大學(xué) 服裝學(xué)院, 浙江 杭州 310018; 2. 杭州市消防救援支隊錢塘新區(qū)大隊, 浙江 杭州 310018;3. 紹興市消防救援支隊, 浙江 紹興 312400; 4. 浙江省服裝工程技術(shù)研究中心, 浙江 杭州 310018)

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GA 10—2014《消防員滅火防護(hù)服》定義,滅火防護(hù)服是消防員進(jìn)行滅火救援時穿著的用來對軀干、頭頸、手臂和腿部進(jìn)行防護(hù)的專用服裝。滅火防護(hù)服的熱防護(hù)性能、熱濕舒適性能、工效性能之間相互獨立,又存在著促進(jìn)、制約的關(guān)系[1],其舒適性與工效性在很大程度上影響著消防員的作業(yè)效率和職業(yè)安全。作為一種特殊防護(hù)服,滅火防護(hù)服的舒適性、工效性需達(dá)到更高的要求,包括其配件。

國內(nèi)外學(xué)者從滅火防護(hù)服的防護(hù)性能、熱濕舒適性、服裝結(jié)構(gòu)等方面展開研究,但是對其配件的研究較少且不深入。在配件中,滅火防護(hù)服背帶承擔(dān)了牽引及固定防護(hù)服下裝的作用,是起重要作用的部件。在穿戴時,背帶對肩部施加壓力,對肩部活動有較大影響。在確保安全性與防護(hù)性的前提下,背帶的合理改良能夠減輕肩部不適感及上肢束縛感。

國內(nèi)已有部分學(xué)者對滅火防護(hù)服背帶提出改進(jìn)設(shè)計。劉榮平等[2]提出將普通型、交叉型、工字型作為褲子背帶的變款。崔琳琳[3]將滅火防護(hù)服背帶調(diào)整成工字型,正面為調(diào)節(jié)扣,背面則在前后片背托上進(jìn)行了定位;在后片褲腰與褲身間加入了育克設(shè)計,并將背托拉長,背托向兩邊凹入,降低防護(hù)服自重,同時降低褲子對背托和背帶之間的拉力,從而實現(xiàn)緩解背帶對肩部的壓迫目的。楊子田等[4]為改善肩膀舒適度,采用了松緊帶和織物復(fù)合的設(shè)計以減輕肩膀所受壓迫,并運用人體工效學(xué)原理研制出2套新型的消防用滅火防護(hù)服:一款為改良H型,設(shè)防滑脫襻;另一款為Y型,采用松緊帶和面料相結(jié)合的交叉式。然而,對滅火防護(hù)服背帶變款的評價,都停留在主觀層面,缺乏客觀數(shù)據(jù)的支撐。

關(guān)節(jié)活動角度是量化肢體活動性的重要指標(biāo)。利用角度尺[5-6]測量關(guān)節(jié)活動角度是較為常見且低成本的,但這種測量是靜態(tài)且有限制的。三維動作捕捉技術(shù)的出現(xiàn)實現(xiàn)了對肢體活動過程的實時監(jiān)控,為滅火防護(hù)服的動態(tài)研究[7]提供了技術(shù)支持,亦可應(yīng)用于肩關(guān)節(jié)活動角度的獲取[8]。鄭雨陸[9]開發(fā)了低成本的肩部三維動態(tài)測量裝置,該裝置由承載樣衣、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3個部分構(gòu)成,提供了防護(hù)服活動舒適性客觀評價的新方法。

本文以服裝工效學(xué)為理論基礎(chǔ),結(jié)合消防員的真實需求,設(shè)計3款背帶,通過客觀的三維動作捕捉實驗和主觀評價實驗對背帶作出比較與評價,以期為滅火防護(hù)服及其配件的改進(jìn)提供參考。

1 背帶設(shè)計

1.1 設(shè)計需求調(diào)研

通過實地走訪、訪談、問卷調(diào)查等形式在消防員群體中進(jìn)行調(diào)研,調(diào)研內(nèi)容為現(xiàn)役滅火防護(hù)服背帶的性能評價與存在問題分析。本次調(diào)研對象集中于紹興、杭州、寧波三地的消防人員,均為男性,共計回收問卷361 份,其中有效問卷356 份。受訪者中,78.65%從事消防工作1年及以上,其中將近1成從業(yè)超過10年。接受調(diào)研的消防員大多具有豐富的工作經(jīng)驗,能夠從理論與實戰(zhàn)層面對現(xiàn)役滅火防護(hù)服作出評價,因此,調(diào)研結(jié)果具有參考性。

問卷調(diào)查結(jié)果如表1所示。作為特種防護(hù)服的配件,毋庸置疑的是,安全性被排在第1位,調(diào)研結(jié)果也顯示出受訪者對現(xiàn)役滅火防護(hù)服背帶安全性的認(rèn)可。同時,舒適性和便捷性也被關(guān)注,二者的評分分別為3.89和3.83,評分較低且低于總體滿意度,存在較大的提升空間。根據(jù)一對一、一對多訪談內(nèi)容,大致了解背帶存在問題并編入問卷選項中。問卷調(diào)查結(jié)果顯示,僅有37.08%的受訪者認(rèn)為背帶設(shè)計完全不需要改進(jìn),其他受訪者認(rèn)為背帶在穿脫便利度、連接牢固度、肩部靈活度上都存在一定問題,且比例相近。

表1 問卷調(diào)查結(jié)果分析

1.2 背帶款式設(shè)計

現(xiàn)役滅火防護(hù)服為H型背帶,背帶可進(jìn)行長度調(diào)節(jié),可拆卸,且背帶連接的后背處有護(hù)腰設(shè)計,面料結(jié)構(gòu)為舒適層-防水透氣層-外層[10]。圖1為20式消防員滅火防護(hù)服的背帶結(jié)構(gòu)圖。背帶通體由2根兩端帶有自扣式魔術(shù)貼的編織帶構(gòu)成,中間另加入一小段編織帶形成H型。背帶通過金屬環(huán)與褲腰連接,可調(diào)節(jié)、可拆卸。褲腰后背處設(shè)有護(hù)腰結(jié)構(gòu),使得使用時背帶后部短于前部。

圖1 20式滅火防護(hù)服背帶結(jié)構(gòu)圖

本文基于調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的問題,對背帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計,改后款式如圖2所示。為增強穿脫便利性,防止交織錯亂現(xiàn)象的發(fā)生,加入面料作為背帶之間的連接;為減輕肩部壓力過大造成的不適,加入富有彈性的氨綸面料,使用彈性更好的彈性織帶代替彈性較差的編織帶;為減小背帶對肢體活動的限制,通過面料貼體或者減少背帶根數(shù)的方式增強背帶整體與身體的貼合度。這些設(shè)計在一定程度上增加了背帶整體的彈力,減小了背帶與褲腰的硬性拉扯,從而減少連接處斷裂情況的發(fā)生。各款式的面料部分采用氨綸面料,背帶采用錦綸與氨綸的混合彈性織帶,具體設(shè)計特點如表2所示。

圖2 3款滅火防護(hù)服背帶款式圖

表2 滅火防護(hù)服背帶款式特點

2 實驗方案

2.1 實驗對象

選擇11名消防員為實驗對象,身體健康,心率血壓均無異常。被試者的年齡、身高、體重及量體數(shù)據(jù)見表3。被試者的平均年齡為25歲,平均身高為174.9 cm,平均體重為65.9 kg,實驗中所提供的服裝號型為175/92A。被試者除穿著實驗中提供的背帶及滅火防護(hù)服下裝長褲外,統(tǒng)一穿著短袖T恤、短褲與運動鞋。

表3 實驗對象基本信息

2.2 實驗環(huán)境

采用浙江理工大學(xué)服裝學(xué)院恒溫恒濕實驗室中的實驗設(shè)備及環(huán)境,實驗設(shè)備為Qualisys 光學(xué)動作捕捉系統(tǒng),環(huán)境溫度為(25±2) ℃,相對濕度為(62±2)%,風(fēng)速≤0.1 m/s。

2.3 實驗動作

實驗選取與肩關(guān)節(jié)活動相關(guān)的常見動作(如圖3所示),包括常速步行(速度為2 km/h)時的上肢擺動,常速跑步(速度為5.5 km/h)時的上肢擺動以及手臂屈伸和手臂外展運動。實驗前每位被試者需熟悉動作,實驗過程中要求被試者達(dá)到自己感覺最舒適的活動程度。

圖3 實驗動作示意圖

2.4 實驗步驟

在被試者上肢的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)部位粘貼捕捉反光marker球。通過動作捕捉儀獲得肩關(guān)節(jié)點S(x,y,z)與肘關(guān)節(jié)點E(a,b,c)坐標(biāo),如圖4所示。

圖4 肩肘關(guān)節(jié)點坐標(biāo)

實驗共計5組,包括僅穿著T恤和短褲的對照組與穿戴原款和改進(jìn)后的3款共4款背帶的實驗組。進(jìn)行常速步行與常速跑步測試時,要求被試者手臂隨運動速度自然擺動,進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后,動作捕捉儀采集15 s的數(shù)據(jù)并保存。之后進(jìn)行手臂前伸與外展測試,被試者按要求完成動作并重復(fù)5次,動作捕捉儀采集數(shù)據(jù)并保存。被試者穿著每款背帶完成指定動作后,需對肩關(guān)節(jié)活動靈活性、整體舒適性和局部舒適性進(jìn)行主觀評價。

實驗過程中,為避免上肢疲勞對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響,每位被試者測試的背帶款式順序是隨機(jī)的,過程中可以隨時要求休息,且完成一款背帶的測試后需休息30 min。

2.5 實驗指標(biāo)

2.5.1 最大肩關(guān)節(jié)活動角度

通過三維動作捕捉實驗,得到動態(tài)活動中每間隔0.01 s的肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)的三維點坐標(biāo)。肩、肘關(guān)節(jié)點連線得到向量,每個時刻對應(yīng)1個獨立的向量,2個向量之間的夾角即為肩關(guān)節(jié)活動角度。

每個實驗動作中肩肘關(guān)節(jié)活動存在周期性,如以2 km/h的速度步行時,被試者雙臂規(guī)則性前后擺動,肘關(guān)節(jié)坐標(biāo)在X軸上周期變化最為顯著,且步行中身體整體的前移或后移造成的X數(shù)值變化不影響周期規(guī)律。根據(jù)肘關(guān)節(jié)坐標(biāo)的波峰與波谷劃分周期,得到每個周期內(nèi)初始位置的坐標(biāo)S(x,y,z)、E(a,b,c)和終止位置的坐標(biāo)S′(x′,y′,z′)、E′(a′,b′,c′),從而確定計算最大肩關(guān)節(jié)活動角度所需要的2個向量。使用空間向量夾角公式計算出這2個向量的空間夾角余弦值cosα:

再根據(jù)反三角函數(shù)公式α=arcos(cosα)可得出肩關(guān)節(jié)活動角度α。每位被試者的最大肩關(guān)節(jié)活動角度取采集時間內(nèi)所有周期的平均值。

2.5.2 動作時長

由于步行和跑步時的手臂活動速度受下肢步伐影響較大,因此,僅討論手臂屈伸和外展的動作時長。為確定動作時長,需先劃分動作周期,原理與2.5.1節(jié)相同。周期起點與終點之間的時長為每次上肢動作所需時間,實驗結(jié)果取5次動作的平均值。

2.5.3 主觀指標(biāo)

主觀評價應(yīng)用5級標(biāo)尺,對于活動靈活性,5級分為不靈活、較不靈活、靈活、較靈活、非常靈活;對于舒適性,5級分為不舒適、較不舒適、舒適、較舒適、非常舒適。

2.6 數(shù)據(jù)分析方法

使用IBM SPSS Statistics軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)正態(tài)性通過Shapiro-Wild進(jìn)行檢驗。采用單因素方差分析考察動作是否顯著影響最大肩關(guān)節(jié)活動角度。若影響顯著,則采用LSD檢驗法分析各款式的差異。采用肯德爾協(xié)同系數(shù)檢驗主觀指標(biāo)數(shù)據(jù)的一致性。所有數(shù)據(jù)分析的顯著性設(shè)為p<0.05。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 肩關(guān)節(jié)活動角度

對最大肩關(guān)節(jié)活動角度結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果表明:不同被試者對于最大肩關(guān)節(jié)活動角度不會表現(xiàn)出顯著性(p>0.05),說明不同被試者的最大肩關(guān)節(jié)活動角度表現(xiàn)出一致性。

表4示出被試者在穿著不同背帶、不同動作下的最大肩關(guān)節(jié)活動角度。比較表中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),在4種動作下實驗組的最大肩關(guān)節(jié)活動角度均小于對照組,說明任何一款背帶都會限制被試者的肩關(guān)節(jié)活動。受人體骨骼特征影響,上肢在不同動作下的活動角度不同,且這些規(guī)律并不受背帶款式的影響。相較于常速步行,常速跑步時肩關(guān)節(jié)的活動范圍更大,即上臂的擺動幅度更大。手臂在矢狀面的屈伸活動范圍大于冠狀面上的外展活動范圍。

表4 穿著不同背帶做4種動作時的最大肩關(guān)節(jié)活動角度

在同一動作下,最大肩關(guān)節(jié)活動范圍越大代表上肢活動受到的限制越小。將受試者做4種動作的最大肩關(guān)節(jié)活動角度分別作單因素方差分析,結(jié)果如表5所示。常速跑步和手臂屈伸時最大肩關(guān)節(jié)活動角度有顯著差異(p<0.05)。進(jìn)一步進(jìn)行LSD檢驗,結(jié)果表明:對照組與原款、對照組與款式3有顯著差異,說明原款和款式3對肩關(guān)節(jié)活動的限制性最強。結(jié)合表4可得出:常速跑步時,穿著款式1的肩關(guān)節(jié)活動角度最大,穿著款式3的肩關(guān)節(jié)活動角度最小,說明H型與面料相結(jié)合的設(shè)計,對肩部的束縛更小,更能滿足手臂自然擺動的需求;手臂屈伸時,穿著款式1和款式2的肩關(guān)節(jié)活動角度明顯大于原款和款式3,說明加入彈性布料的設(shè)計減輕了背帶對肩部的束縛,增強了肩部的活動舒適性。

表5 4種動作下肩關(guān)節(jié)活動角度的單因素方差分析結(jié)果

無論在哪種動作下,款式1都表現(xiàn)出最好的活動性,款式2次之。而對于款式3,被試者常速步行和常速跑步時,肩關(guān)節(jié)活動角度小于原款,手臂屈伸和外展時差別不大。由此看出,Y型背帶款式對上肢活動性并無明顯改善。原因可能是背帶需滿足牢固性、耐磨損性的要求,其硬度和強度較大,在與背部的合體度上有一定的欠缺,無法很好地分擔(dān)肩部壓力。

總體來說,款式3對肩關(guān)節(jié)的限制性與原款相當(dāng),無明顯改進(jìn),而款式1和款式2在一定程度上緩解了對肩部的束縛。

3.2 動作效率

表6示出穿著不同背帶下手臂屈伸和外展的動作時長、標(biāo)準(zhǔn)差和提升率?？梢钥闯?手臂屈伸和外展時,樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差較小,說明樣本穩(wěn)定性好,動作時長受被試者個體差異的影響小。

表6 手臂屈伸和外展的動作時長

不穿著任何背帶時,被試者完成指定手臂動作耗時明顯較少,說明背帶在一定程度上會減緩?fù)瓿墒直蹌幼鲿r的速度,對手臂活動存在限制作用。

相較于原款,穿著改進(jìn)背帶完成手臂動作的速度都有一定的提升,其中款式1的提升率最明顯,手臂屈伸和外展動作時長分別提升12.39%和14.60%。結(jié)合上3.1節(jié)分析結(jié)果,以穿著款式1為例,即便肩關(guān)節(jié)活動角度更大,完成指定動作卻需更少的時間,說明背帶的改進(jìn)設(shè)計有助于加快作業(yè)人員進(jìn)行上肢動作的速率,有助于提高消防員的作業(yè)效率。總體來說,4款背帶完成指定動作效率從高到低的排序為:款式1、款式2、款式3、原款。

3.3 主觀評分

采用肯德爾協(xié)同系數(shù)檢驗法處理主觀數(shù)據(jù),以檢驗各被試者對各款背帶的主觀評價是否具有統(tǒng)一性,以及各評價者的評分結(jié)果間是否存在統(tǒng)一性。檢驗結(jié)果呈現(xiàn)出顯著性(p<0.05),則表示各被試者的評判標(biāo)準(zhǔn)一致,即評分一致性比較好。

表7示出11名被試者對原款與3款改進(jìn)款背帶的活動靈活性、整體舒適性的主觀評價結(jié)果。對于活動靈活性,由高到低優(yōu)化后的排序為款式1、款式2、款式3、原款,與三維動作捕捉實驗中獲得的客觀結(jié)果一致?？钍?和款式2背帶的活動靈活性評分均明顯高于原款,且高于3分,處于靈活以上等級。由此可見,款式1和款式2的設(shè)計在很大程度上改善了上肢活動靈活性。對于整體舒適性,款式1和款式2背帶亦明顯優(yōu)于原款與款式3。究其原因,背心式設(shè)計相較于普通肩帶更有利于分散壓力,且對上肢的束縛相對較小。

表7 主觀評價結(jié)果

同時,實驗要求對與背帶密切相關(guān)的部位舒適性進(jìn)行主觀評價,用以評價背帶設(shè)計的局部舒適性,便于做出針對性改進(jìn)。圖5示出4個部位的主觀舒適性評價結(jié)果。肩部評分的差異最大且分?jǐn)?shù)最低,肩部依然是最大的受力處,其中款式1和款式2的肩部主觀舒適性較高,這可能與彈性面料的加入有關(guān)。胸部舒適性的評分集中且分?jǐn)?shù)較高,說明各款式對胸部的限制較小。對于頸部,款式1和款式3的評分較低,其原因可能是款式1的背心設(shè)計與款式3的Y型設(shè)計過高,在后續(xù)的改進(jìn)中考慮降低它們的高度,避免活動中背帶與頸部摩擦。對背部來說,雙根背帶舒適度優(yōu)于單根,背帶與彈性面料結(jié)合設(shè)計優(yōu)于純背帶設(shè)計。

圖5 不同部位的舒適性主觀評分

4 結(jié) 論

本文根據(jù)消防員現(xiàn)實需求,優(yōu)化設(shè)計滅火防護(hù)服背帶,通過客觀三維動作捕捉實驗和主觀感受實驗評價各款背帶的工效性,得到以下相關(guān)結(jié)論。

客觀上,穿著3款優(yōu)化后背帶的肩關(guān)節(jié)靈活性和動作效率均優(yōu)于原款,優(yōu)化后的設(shè)計減輕了背帶結(jié)構(gòu)對肩關(guān)節(jié)活動的限制,提高了作業(yè)效率,增強了肩部靈活性與舒適性。主觀上,3款優(yōu)化后的背帶都表現(xiàn)出優(yōu)于原款的活動靈活性,但款式3的整體舒適性低于原款。從具體部位來看,肩、頸部的舒適性需要更多關(guān)注?？傮w來說,款式1的改進(jìn)效果最明顯,款式2次之,款式3有一定效果,但舒適性不佳。

滅火防護(hù)服是消防員的專職作業(yè)服,細(xì)微部位的改變將對實際作業(yè)產(chǎn)生影響。本文3款背帶在一定程度上改變了消防員的穿脫習(xí)慣,若予以應(yīng)用需關(guān)注穿戴過程中的操作。尤其對于帶有卡扣設(shè)計的款式1,為不影響出勤速度,初步穿戴僅需將背帶和背心部分覆于肩背,之后上消防車調(diào)整著裝時再進(jìn)行連接卡扣這個動作。

今后的研究應(yīng)綜合考慮肢體活動性、熱濕舒適性等多方面因素,在面料的材料、應(yīng)用部位、背帶的寬度等方面做出研究。同時,滅火防護(hù)服配件的改進(jìn)需回歸整體工效性,使滅火防護(hù)服的設(shè)計與評價更加完善。