一、前言
在消防、劳保等领域中, 人员防护都是一种重要的生命安全需求。从防护器材的防护等技术性能要求、对使用者的作用或影响。
在人——个人防护装备——作业环境所构成的特殊系统中, 防护需求对人员作业能力的影响非常突出, 并在一定程度上决定了系统的综合效能, 也是国外及我们评价实践活动的关键点, 其对于个人防护装备的发展、应用, 以及系统综合效能分析都具有实际意义和价值。借人——机——环境系统工程专业创立20 周年之际, 回顾和交流近10 年来我们在个人防护器材这一特定领域的科研实践工作更显特殊意义, 以企望能更深入地推动人一机一环境系统工程理论及方法在人员防护领域的广泛应用和发展。
二、个人防护装备效应因素分析
1.个人防护装备的组成
在生化战场威胁环境中, 对士兵可生存性需求是保证基本作战单元一定作战能力的根本因素, 使用个人防护装备就是对抗化学威胁、保障人员生存性的一种有效措施。从威胁的性质看, 防护必须是对人员全面的防护, 个人防护装备的有机组成便是实现人员全面防护的体现。目前, 通用的核生化个人防护装备包括: 用于保护人员呼吸及面部的过滤式防毒面具、
2 个人防护装备的效应因素
从人一机一环境系统工程的观点看, 人是系统的主体要素。使用个人防护装备后, 人成为一个处于防护状态的人, 因而改变了人与机和环境之间的直接联系和相互作用, 这种改变所产生的影响是极为重要的和不可忽视的。研究和评价个人防护装备对人的影响, 离不开对个人防护装备效应因素的分析, 也离不开相倚赖的环境条件, 即要从人一个人防护装备一作业环境系统的角度进行。
在一定的作业环境中, 个人防护装备对人的作用关系可以由图1 示意。
个人防护装备效应因素对人的作用和影响是问题的主要方面, 具体体现在3 个方面:
①生理效应— 个人防护装备增加了人的生理负荷, 如热应激、呼吸应激、额外体力负荷等; ②心理效应— 由于个人防护装备不舒适性和防护行为的压力, 增加了人的心理负荷;
③工效性— 人的工效性能下降, 包括佩戴防毒面具导致的人的感官功能( 视觉、听觉、通话、嗅觉等) 限制、
防毒服对躯体活动的机械性限制, 以及防毒手套引起的手的灵巧性损失等。实际上, 这些效应并不是孤立地出现, 它们之间存在着十分复杂的相互联系和作用。
环境因素, 尤其是热环境因素, 进一步加剧了个人防护装备对人的生理负荷、心理负荷, 以及工效性影响; 这种复合的影响常常严重地损害了人的作业能力, 其中复合热应激效应就是主要的表现形式。同时, 对人的特性及差异特性的分析研究, 在解决个人防护装备的宜人性设计和减轻其负荷也具有特别的意义。
三、个人防护装备效应的评价实践
我们开展个人防护这装备效应的评价科研实践有3 个重要的特点:
①有关工作主要发生在装备研制任务的过程中, 紧密结合了装各研制的需求;
②注重体现我军个人防护装备、人员群体, 以及军事作业环境的特点;
③积极借鉴国外相关研究工作的果, 以确定研究目标和方向, 减少工作的盲目性。
以下内容是我们将对近十年来开展个人防护装备部分科研实践的简要回顾和概括。
1．个人防护装备的热应激及其影响
个人防护装备的热应激源于装备自身的热阻和湿阻, 是个人防护装备最为严重的限制因素。人员着佩个人防护装备后, 人体与周围环境的热交换要通过个人防护装备构成“ 界面” 进行, 该“ 界面” 的热阻和湿阻极大地限制了人体与环境之间的显热和潜热交换能力。
在热环境中, 由于汗液蒸发成为人体散热的主要途径, 防毒服不良的透湿能力产生的影响度远大于热阻因素,是个久防护装备热应激的根本原因。
个人防护装备热应激作用于人体必然导致机体的生理应激反应, 即热应激反应; 热应激反应的典型症状包括: 体温升高( 身体蓄热)、心跳加速、剧烈出汗。防护人员热应激反应的程度取决于防毒服性质、防护状态、运动水平以及环境条件。
一般地, 温和环境中个人防护装备热应激不会导致人体过度的热应激反应, 但在热环境中个人防护装备的热应激是人员会出现强烈的热应激反应, 并且是人员作业能力的主要限制因素; 因此, 个人防护装备热应激效应的研究工作通常以热环境作为试验的环境条件。改变防毒服的内外层材料和功能性要求会影响到防毒服的通透性, 在实验室条件下进行的几种型号防毒服的比较试验`.2 31显示, 人员对不同防毒服的热应激反应能够产生显著性差异, 而区分了防毒服的热应激水平。
防护状态可分为预防护( 穿着防毒服) 和全防护( 着佩全部的个人防护装备)两种状态。
预防护状态时, 虽然限制了躯体的汗蒸发散热能力, 但头面颈部、手足的散热作用没有受到限制、甚至有所增强: 而全防护状态时, 只能依赖防毒服的通透性实现蒸发散热作用。因此, 全防护状态时人员的热应激反应要比预防护状态强烈的多, 可以从表1的试验结果得到充分的证实。运动负荷增加时, 人体的能耗水平相应地增大, 其中大部分要以热的形式出现, 实际上是导致增加内源性热应激的水平。因此, 防护人员执行不同强度的作业时, 所承受总热应激水平是不同的, 由热应激反应能够量化运动负荷引起热应激水平的变化, 表l 的试验结果也反映了这种变化。
2．个人防护装备的穿着时限及其判据
热环境中, 个人防护装备热应激的严重后果是防护人员强烈的热应激反应, 随着防护时间的延长, 人体的过度蓄热可能导致热衰竭等危险情况发生, 因此人员只能实施有限时间的防护, 也就是减少作业时间。个人防护装备的容许穿着时间( 穿着时限) 业已作为个人防护装备生理性能的重要评价指标, 我们把个人防护装备的穿着时限定义为“ 规定环境和运动负荷条件下、防护人员达到热耐受限度时持续( 防护) 作业的时间” 。人体热耐受限度是决定穿着时限的生理学依据, 但还应有具体的判据才能操作。在总结国内外采用的判据和分析大量验证试验数据的基础上, 依据可监测性、可观察性、生理安全和内在一致性等原则确定了实用性判据和试验方法升高达到2℃ 、册达到1 80 次m/ i n 持续5im n 、中暑先兆症状, 以及主诉坚决要求终止试验。
实验室模拟条件下个人防护装备穿着时限试验的特点是可控制试验条件、可充分设置和监测效应指标、费用小等, 但也存在受试人员体能水平和习服性的群体代表性较差的局限性; 而野外( 现场) 试验的特点和局限性则具有相逆性, 若能严格控制试验条件, 那么野外试验结果将会有很强的客观性、可靠性和实用性, 并为实现向模拟试验转换打下坚实的基础。
为此, 我们分别以40 一50 名受试人员( 部队战士) 的规模组织了湿热和干热环境、中等作业强度( 行军速度5 km/ h) 条件下新型个人防护装备的穿着时限野外部队试验, 考察了防护状态、负荷状态, 以及习服训练对穿着时限的影响。试验结果表明: 在典型湿( 干)热环境和中等作业强度下, 全防护状态人员的穿着时限均不足l h, 同时携行基本战斗装备时穿着时限要缩短约20 % ; 进一步热习服锻炼对改善人员的热应激反应水平和穿着时限没有明显的作用; 在预防护状态时, 干热和湿热环境中人员的穿着时限存在显著差异, 其原因可解释为干热环境人体的汗液蒸发散热能力较强的影响。
表2 为湿热、干热环境穿着时限试验的主要结果。
3．个人防护装备对人员能耗及运动耐力的影响
着佩个人防护装备后人体的能耗水平与行进速度、道路坡度、身体的负重量等有关。值得考虑的问题时个人防护装备是否额外地增加使用者的体能消耗, 试验的出了肯定的结论。
个人防护装备造成人员运动能耗增加的原因可能是装备额外重量; 防毒服膨体性及硬挺度引起的机械性摩擦和对肢体活动性的阻碍; 生理紧张引起体内机能消耗的增加等。个人防护装备导致人员能耗增加的后果主要有两个方面: 一方面是有效体能水平相对降低, 耐力作业的时间减小; 另一方面增大了内源性热应激。在亚极限运动时, 防毒面具不会导致人员能耗的明显增加刚; 但在极限运动时人员的最大能耗降低约8%, 即便处于高原环境中仍可观察到相似的结果。导致这种结果的生理机制尚不能完全阐明。
一般地, 耐力运动能力是体能评价的重要指标。表3 的试验结果表明, 个人防护装备限制人员的耐力运动能力, 尤以全防护状态的影响为甚, 其原因可以从上面的分析中得到基本解释。
4．个人防护装备的舒适性评价
个人防护装备的舒适性研究一直受到广泛的重视, 从广义的概念讲, 舒适性被认为个人防护装备使用性的重要限制因素。目前的个人防护装备远不能使人达到舒适水平, 客观地反映个人防护装备的舒适性水平和人员的耐受能力, 从而评判个人防护装备的舒适性程度是研究问题的重要出发点。结合装备研制工作的要求, 近年来我们着重研究了防毒面具的舒适性评价问题。防毒面具施加于人头面部的负荷有呼吸阻力、呼吸死腔、压力、重量等, 这些负荷因素的综合作用导致了佩戴者的不舒适性; 也有研究指出, 感官功能受到限制、面部遮蔽等因素增加了心理负荷, 部分人员可会出现严重的反应。
20 世纪90 年代初, 我们采用等级量表测试了几种防毒面具引起的头顶及面颊压痛、下领压痛、耳根及颈部压痛、呼气舒畅性和吸气舒畅性, 并有有用模糊数学方法对试验面具的舒适性水平进行综合评判, 取得较好效果。其后, 我们又采用40 项分类指标进行测试评价, 根据分析结果并结合防毒面具的设计难点, 筛选确定了n 项评估指标, 具有较高应用价值。
5．个人防护装备工效学研究
近年来, 我们针对新型个人防护装备开展了一些具体的工效评价试验。试验表明:
① 个人防护装备可阻碍肢体的活动性, 如对立定跳远、定位跳高、一步跨越、弯腰、下肢上曲、小腿后抬等活动有显著性影响, 对低头、仰头等动作影响最大, 对转头、偏头也有一定程度的影响;
②个人防护装备对标枪一类涉及全身各运动部位的战术作业有显著性影响, 对分解、组装枪支仅涉及手指灵活性, 手感一类的战术作业有非常显著的影响,而对卧姿射击一类准静态战术作业影响相对有限。可以认为, 个人防护装备对士兵战术作业工效的影响程度主要决定于个人防护装备造成的人体活动性的下降。
防护人员的感官功能能力也是影响工效的一类重要因素。如佩戴面具后通话能力严重下降, 部分防毒面具的有效通话距离不足20 m、约为正常通话距离的1/ 4 一1 3/。此类种种结果很难满足现代战场环境对人员综合能力的要求, 对军事作业效能的影响十分明显。
四、结论
个人防护装备的特殊性在于它对人员的直接、密切的作用; 一方面, 它解决了特定威
胁环境中人员的生存性问题, 另一方面它的种种负荷因素又降低了人的作业效能。因此,个人防护装备的发展需要不断解决这些相互矛盾的问题和方面, 实现新的平衡, 其根本目的在于提高防护人员的作业效能。
个人防护装备效应的评价实践已经成为装备科研的重要环节和内容, 上述回顾与总结,展示了我们在该专业方向的重要进展和成果, 此外, 我们还建立了一个较系统的试验方法体系。
未来个人防护装备评价科研工作仍然面临的主要问题主要有以下两个方面:
从装备研制需求来看, 个人防护装备的生理及工效研究结论应当转化为指导装备论证和设计的技术指标; 从军事应用需求来看, 个人防护装备的生理及工效研究结论应当转化为指导装备使用、训练及作战的方法及规程。
为此, 必须提高评价科研工作的广度和深度, 把基于试验的评价模式提高到基于模型的、理论的评价模式, 人一机一环境系统工程理论和方法必将对此起到重要的指导作用。
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