俞旭華，徐佳駿，劉文武，趙后雨，李慈，文宇坤，方以群

人因工程學(xué)是研究“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)中人、機(jī)、環(huán)境三大要素之間的關(guān)系，為解決系統(tǒng)中人的效能、健康問題提供理論與方法的科學(xué)，又被稱為人體工程學(xué)、工效學(xué)等［1］。隨著時代和技術(shù)的發(fā)展，人因工程學(xué)越來越多地應(yīng)用于不同領(lǐng)域［2-4］。國外發(fā)達(dá)國家將人因設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于水下閉式呼吸器的工程設(shè)計(jì)中，并在水下特種作業(yè)人員測評和培訓(xùn)中進(jìn)行了大量的人因工程學(xué)研究，大大提高了水下特種作業(yè)安全防護(hù)水平和作業(yè)效率［5-6］。人因工程學(xué)自引入國內(nèi)后，各高校和科研院所開展了大量的教學(xué)及研究工作。如今，以人為因素的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念也越來越普及，人因工程學(xué)在水下特種作戰(zhàn)武器研發(fā)和測評過程中得到重視和應(yīng)用，尤其是在閉式呼吸器的研發(fā)和測評中，人因工程學(xué)大量應(yīng)用于產(chǎn)品的升級迭代，在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［7］。

1 閉式呼吸器的組成

閉式呼吸器一般由氣瓶、呼吸轉(zhuǎn)換閥、呼吸袋、二氧化碳吸收罐、咬嘴和供氣流量閥等組成。氣體經(jīng)流量控制由儲氣瓶流入呼吸袋，并通過單向閥控制氣體在環(huán)路內(nèi)的循環(huán)；呼吸袋隨蛙人的呼吸膨脹或收縮，呼吸袋上設(shè)有排氣閥，在過度充盈時可排除過多氣體，尤其是在上浮過程中自動排氣；二氧化碳吸收劑可有效吸收二氧化碳，防止中毒。根據(jù)供氣方式不同，閉式呼吸器分為純氧閉式呼吸器和恒氧分壓閉式呼吸器。純氧閉式呼吸器采用純氧供氣，具有供氣時間長、隱蔽性好、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，但由于使用純氧供氣，深度一般不超過7 m，且需嚴(yán)格控制水下作業(yè)時間，防止發(fā)生氧中毒；恒氧分壓閉式呼吸器分別有純氧和混合氣2 個獨(dú)立氣源，并根據(jù)傳感器實(shí)時探測呼吸回路中的氧分壓進(jìn)行供氣，其氧氣利用效率更高，且潛水深度更大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對傳感器等電子元器件的質(zhì)量及性能要求較高［8］。

2 閉式呼吸器外形人因工程學(xué)設(shè)計(jì)

閉式呼吸器外形設(shè)計(jì)對水下作業(yè)效率的影響主要表現(xiàn)在：水下阻力過大，影響蛙人機(jī)動作業(yè)；水中浮力過大/過小，導(dǎo)致蛙人身體下潛/上浮困難，影響作業(yè)能力；水下身體穩(wěn)度不夠，蛙人難以完成水下精細(xì)動作［9］。

2.1 水下阻力 水下阻力是影響蛙人水下機(jī)動作業(yè)的關(guān)鍵指標(biāo)，它與相對運(yùn)動速度、接觸面積和水的密度成正比。一般作業(yè)時水下相對速度、水的密度變化不大。因此，水下阻力對蛙人作業(yè)能力影響的主要因素是水下接觸面積。在閉式呼吸器設(shè)計(jì)時，如果未充分考慮到水下阻力問題，蛙人進(jìn)行機(jī)動作業(yè)時就會受到較強(qiáng)的水下阻力影響，不僅妨礙蛙人水下活動，影響水下作業(yè)效率；同時蛙人為了克服水的阻力，還需額外消耗更多體力。因此，在閉式呼吸器外形設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮人因工程學(xué)，以減少水下阻力對蛙人機(jī)動作業(yè)的影響。

2.2 水中浮力 物體在水中的浮沉狀態(tài)取決于物體的密度與水的密度。通常情況下，蛙人在水中保持中性浮力或適度負(fù)浮力［10］。浮力過大，蛙人須攜帶過量的壓鉛，加速蛙人體能消耗；浮力不足，還需要額外增加正浮力配件，增加了潛水裝具的體積和阻力。因此，在設(shè)計(jì)閉式呼吸器時，應(yīng)充分理解并運(yùn)用好這一規(guī)律，最大程度地實(shí)現(xiàn)呼吸器自身的中性浮力狀態(tài)，以便蛙人能夠根據(jù)任務(wù)情況進(jìn)行配重，提高作業(yè)效率；此外，除呼吸器整體實(shí)現(xiàn)中性浮力外，在各部分設(shè)計(jì)時也應(yīng)充分考慮浮力問題，如供氣氣瓶、呼吸管路、面罩等，防止水中浮力過大/過小導(dǎo)致的牽拉，影響作業(yè)安全和作業(yè)時間。

2.3 水下穩(wěn)度 蛙人能夠自如地保持身體處于平衡穩(wěn)定的程度，稱為蛙人的穩(wěn)度，其主要取決于重心和浮心在人體軸

上的位置關(guān)系。蛙人需要采用不同姿勢進(jìn)行水下作業(yè)，如站姿、跪姿、臥姿等，無論采用哪種姿勢，蛙人均須保持水下自身的穩(wěn)態(tài)而不影響作業(yè)。閉式呼吸裝置外形設(shè)計(jì)時，需充分考慮不同作業(yè)姿勢下呼吸器的重心與人體重心的關(guān)系及水下穩(wěn)度。如在站姿時，閉式呼吸裝具的重心一般與人體保持平行，此時如果未充分考慮閉式呼吸裝具的水下穩(wěn)度，可能造成重心偏向一側(cè)或過高過低，造成蛙人水下處于失平衡狀態(tài)，需要額外消耗體力，這不僅影響作業(yè)效率，甚至可能導(dǎo)致潛水事故的發(fā)生。

2.4 背負(fù)系統(tǒng)適體性 閉式呼吸器背負(fù)系統(tǒng)適體性對蛙人水下保持作業(yè)姿勢、消耗較少體能、減輕疲勞具有重要意義。傳統(tǒng)的開式呼吸器在設(shè)計(jì)時充分考慮到人體脊柱結(jié)構(gòu)及水下姿勢對背負(fù)結(jié)構(gòu)的要求，因此水中適體性較強(qiáng)。我國閉式呼吸器的設(shè)計(jì)起步晚，與國外差距較大，尤其是水中適體性方面的研究；此外，閉式呼吸器使用時一般要求一人一裝，同一型號的呼吸器可能無法滿足所有隊(duì)員的體型，給實(shí)際使用人員帶來不便。因此，在呼吸器外形設(shè)計(jì)時需反復(fù)比測人因工程學(xué)來提升呼吸器背負(fù)系統(tǒng)適體性。

3 閉式呼吸器結(jié)構(gòu)人因工程學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 呼吸阻力 呼吸阻力分為外部阻力和內(nèi)部阻力，其中外部阻力（呼吸器咬嘴/面罩部位壓力和環(huán)境壓力之差）是閉式呼吸器結(jié)構(gòu)人因工程學(xué)設(shè)計(jì)時需充分考慮的因素［11-12］。呼吸阻力包括吸氣阻力和呼氣阻力，兩者是影響蛙人呼吸疲勞的重要參數(shù)，直接關(guān)系到閉式呼吸器的使用舒適性，須設(shè)定在一定范圍內(nèi)（控制在0.8 kPa 以下）。此外，在設(shè)計(jì)呼吸袋位置時還需要考慮靜水壓對呼吸阻力的影響。如果呼吸袋高于蛙人肺部，吸入氣體的壓力較小，吸氣阻力增大；反之如果呼吸袋低于蛙人肺部，供氣壓力大，呼氣阻力大。因此，閉式呼吸器設(shè)計(jì)時應(yīng)盡可能地使呼吸袋與蛙人肺部位于同一水平線，并盡量靠近蛙人肺部，以減少蛙人在水下不同體位時，由于靜水壓不平衡性導(dǎo)致呼吸阻力的增加。

3.2 呼吸死腔 呼吸死腔是指由呼吸器導(dǎo)致的不能有效換氣的容積。呼吸死腔增大，氣體交換率下降，出現(xiàn)二氧化碳積聚，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致二氧化碳中毒。使用全面罩閉式呼吸器進(jìn)行作業(yè)時，如果在口鼻處與呼吸管路之間形成較大呼吸死腔，呼出氣中二氧化碳可能無法得到充分吸收，導(dǎo)致二氧化碳中毒；此外，如果采用混合氣供氣，吸入氣中氧分壓會下降，出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象。因此，在閉式呼吸器結(jié)構(gòu)人因工程學(xué)設(shè)計(jì)時，須充分考慮呼吸死腔對提高潛水作業(yè)安全性的重要意義，可以考慮在全面罩內(nèi)增加口鼻面罩或采用咬嘴呼吸的方式來減少呼吸器的呼吸死腔。一般情況下，應(yīng)將呼吸死腔控制在230 ml 以下。

3.3 面罩密閉性能及視野 面罩密閉性能及視野關(guān)系到整個潛水過程的安全性［13］。著閉式潛水呼吸器作業(yè)時，蛙人一般佩戴全面罩。由于每個個體臉型的差異，在設(shè)計(jì)時必須考慮蛙人的臉型特點(diǎn)，使面罩能滿足大部分蛙人的臉型，提高面罩的適體性。通常情況下，面罩的漏氣系數(shù)應(yīng)不大于0.6。人員頭、眼不動，直視前方所能觀察到的全部空間稱為視野。由于水的影響，蛙人在水中會出現(xiàn)視力下降、視野縮小、空間視覺改變等情況。使用面罩可在蛙人眼部與水之間提供一個氣體空間。但是，使用這些裝具將一定程度地限制周邊的視野并存在一定的失真，影響潛水作業(yè)。

3.4 氧分壓與二氧化碳分壓 在設(shè)計(jì)閉式潛水裝具時，吸入氣中氧和二氧化碳分壓須維持在人體的安全閾值范圍內(nèi)，一般氧分壓控制在16～160 kPa，二氧化碳分壓控制在1.5 kPa 以下，否則將導(dǎo)致缺氧、氧中毒及二氧化碳中毒［14-16］。此外，設(shè)計(jì)閉式呼吸器時還需充分考慮勞動時間和強(qiáng)度對人體氧和二氧化碳負(fù)荷的影響。水下勞動強(qiáng)度較大時，需要采取相應(yīng)的補(bǔ)氧措施，使呼吸氣體中的氧分壓保持在安全范圍內(nèi)，并根據(jù)作業(yè)需要選擇恒定氧質(zhì)量、恒定氧比例和恒定氧分壓的供氣方式。隨著作業(yè)時間的延長，二氧化碳吸收劑的吸收效率可能出現(xiàn)下降，因此在進(jìn)行呼吸器設(shè)計(jì)時還需對吸收劑最大使用時間進(jìn)行測試，保證吸入氣中二氧化碳分壓始終保持在安全范圍內(nèi)［17］。

4 閉式呼吸器使用人因工程學(xué)設(shè)計(jì)

4.1 穿脫便捷性 特種作業(yè)條件下，閉式呼吸器設(shè)計(jì)需要兼顧水下作業(yè)、水下防護(hù)等，因此較休閑潛水使用的呼吸器更加復(fù)雜，模塊化配置更加繁多。在進(jìn)行閉式呼吸器設(shè)計(jì)時，須考慮到蛙人在使用時穿脫的便捷性，減少準(zhǔn)備時間，提高作業(yè)效率；同時，蛙人水下作業(yè)遇到突發(fā)情況時需要卸裝后進(jìn)行逃生，此時卸裝時間直接關(guān)系到蛙人的生命安全。因此，在設(shè)計(jì)閉式呼吸器的連接裝置時需要重點(diǎn)關(guān)注穿脫便捷性。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì) 閉式呼吸器的功能狀態(tài)對保持蛙人部隊(duì)的戰(zhàn)斗力具有重要影響，閉式呼吸器使用前后及長期封存期間均需要維護(hù)保養(yǎng)，保證其隨時能投入戰(zhàn)斗使用［18］。但是，閉式呼吸器中涉及的備品備件較開式呼吸器項(xiàng)目種類多，型號匹配難度大，甚至出現(xiàn)因備品備件無法及時供應(yīng)導(dǎo)致作業(yè)無法開展的情況。因此，在閉式呼吸器設(shè)計(jì)時需要兼顧蛙人部隊(duì)日常維護(hù)保養(yǎng)難的情況，盡量將備品備件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；如特殊部件無法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，需根據(jù)其使用年限及日常使用故障情況確定備品備件。

4.3 材料設(shè)計(jì) 使用閉式呼吸器進(jìn)行長時間水下作業(yè)時，一般使用全面罩，還需考慮與人體皮膚直接接觸的零部件是否親膚，對于與人體皮膚直接接觸的零部件，如呼吸咬嘴、面罩、鼓鼻裝置等，應(yīng)采用對人體皮膚無刺激且柔軟的材料，如硅橡膠等，以提高舒適度。在穿脫系統(tǒng)選材時，需要兼顧材料的耐磨性、耐海水腐蝕性及舒適性，選用耐磨、不易腐蝕且符合人體受力均衡的材料。

4.4 其他 蛙人水下作業(yè)能力不僅受到呼吸器設(shè)計(jì)的人因工程學(xué)影響，同時還與蛙人本身的能力素質(zhì)直接相關(guān)，包括觸覺敏感性、肌肉力量、穩(wěn)定性能力、手部敏捷性、追蹤與四肢協(xié)調(diào)平衡能力、反應(yīng)時間與警戒能力、認(rèn)知與情緒調(diào)控能力等。國外對蛙人各種能力的測試及相關(guān)測評工具的開發(fā)研究較為完善，國內(nèi)在這方面的研究尚缺乏，系統(tǒng)的測評工具也不足［19］。建立系統(tǒng)、全面的水下作業(yè)能力與蛙人素質(zhì)方面的測評系統(tǒng)，可以更好地預(yù)測水下作業(yè)人員的表現(xiàn)，同時對水下作業(yè)人員進(jìn)行職業(yè)訓(xùn)練也具有非常重要的作用。

5 結(jié)語

閉式呼吸器人因工程學(xué)設(shè)計(jì)是蛙人水下作業(yè)效率及安全的重要因素，國外在該領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量的研究，通過陸上適配性體驗(yàn)和水中實(shí)潛，進(jìn)行穿戴舒適性、視閾、視角和穩(wěn)定性等方面的檢測，實(shí)現(xiàn)了對水下呼吸器的科學(xué)客觀評價。目前我國水下閉式呼吸器設(shè)計(jì)研發(fā)尚處在起步階段，只是解決了水下呼吸的基本生理需求，在人因工程設(shè)計(jì)方面尚不完善，給實(shí)際使用人員帶來不便，易造成人員疲勞與水下事故的發(fā)生。因此，在未來閉式呼吸器設(shè)計(jì)研發(fā)中，需要將人因工程設(shè)計(jì)引入到閉式呼吸器研發(fā)的各個階段，通過大量的比測實(shí)現(xiàn)閉式呼吸器人因工程學(xué)的實(shí)踐突破，提高使用的安全性和舒適性。