基于功能分析法的小型消防车设计

（重庆工商大学 艺术学院，重庆 400067）

0 引言

随着我国经济的快速发展，生产性车间、厂房越来越多，其发生火灾时的情况较为复杂，灭火工作的危险性越来越高。据公安部消防局统计，我国消防员目前面临的危险前所未有，牺牲、受伤、致残人数逐年上升，消防员已成为高危行业[1]。在此背景下，有必要进行用于车间厂房灭火抢险的小型消防车创新设计，尽量减少消防员进入火场的次数，并提高灭火效率。

1 基于功能分析法的产品设计过程

功能分析法由瑞士天文学家F.茨维克提出，又称“功能矩阵法”或“棋盘格法”[2,3]，其基本原理是按照系统论的思维方式（认为产品是由一系列实现特定功能的零部件构成的技术-物理系统），把产品必需具备的问题解决能力（总功能）分解为相互独立的构成要素（子功能/功能元），然后针对每个独立的要素提出不同的解决方案，再用图解法将这些解决方案进行排列组合，进而从众多的组合方案中寻求最优解，即为实现产品功能的最佳设计方案。由于在该方法中对产品的分析以“功能”或“子功能”的形式进行，而不考虑诸如造型、材料、尺寸等产品实物特性，因此可以在较为抽象的层面上对产品概念进行充分的分析，易于激发设计创意，并避免了直接采用所产生的第一个设计创意（……prevents you from “jumping to solutions”, ……elaborating on the first idea that comes to mind[4]）或受限于现有产品的局限。同时，因为不同的排列组合能产生众多可能的产品方案，所以功能分析法通常应用于产品概念设计阶段[5]。

图1描述了基于功能分析法的产品概念设计程序与方法，其中实线矩形框表示设计程序的不同阶段，虚线矩形框则为该阶段常用的设计分析方法。通过需求分析明确产品的功能定位，并从较为抽象的层面定义产品的总功能：“功能”是对产品所应具备的功用的抽象表达，通常用“动词+名词”的形式进行描述，比如消防车的功能是“灭火”；此阶段常用的方法是“黑箱”法：特定的输入经由黑箱后转化为特定的输出。明确产品的总功能后即对其进行分解，并对各子功能进行列表，此阶段常用的分析方法是“功能结构图”；随后列举各子功能可能的解决办法，此阶段常用的方法是“棋盘格”法。对各子功能可能的解决办法进行组合即可得到不同的产品设计方案，对其进行比较分析后可选定最后的设计定案，最后对各功能部件进行详细设计，并确定最终的产品方案。

图1 基于功能分析法的产品设计程序与方法

该程序与方法在实际的应用中应注意：1）在“功能分解”与“子功能求解”阶段，通过对各子功能的分析可能会产生某些附加的新功能，也可能会将某些类似的功能进行合并或删除，可能的操作包括：增加、拆分、合并、删除等；2）产品设计往往是一个反复迭代、渐进式创新的过程，该设计程序也是如此，在产生最终设计方案之前需要反复与需求分析进行对比，及时对产品子功能及相应的解决办法进行修改（图1中的虚线箭头）；3）在某些情况下，由于产品的功能过于复杂，很难为其定义唯一的一个总功能，此时可以跳过图1中的“总功能定义”阶段，直接由需求分析的结果进行子功能列表。

2 小型消防车需求分析与产品概念

传统的水罐消防车、泡沫消防车、云梯消防车等在扑救高楼火灾中发挥了重要作用，但生产性车间或仓库的特殊性表现为空间大且多为密闭或半密闭，窗户往往非常小，内部设备或货物极多且易燃易爆物多，燃烧时烟雾多，而且内部交通状况复杂，同时屋顶的防水措施很好，救援时需要消防员对其屋顶破拆后才能开始灭火，因此普通消防车并不能很好地适应此类灭火工作的需要。此外，由于厂房和仓库的金属框架结构在火场的高温下容易变软、甚至坍塌，所以工厂和仓库火灾往往会造成较大的集体伤害。

新的灭火救援形势需要新的消防车辆，上述火场环境特殊性与对应的消防车设计需求可总结为以下五点：1）屋顶不易破拆——为避免普通消防车不能对厂房内部火源进行直接扑灭的缺陷，要求新消防车具有小型化的特点，以便直接驶入起火的车间、厂房内部，并能自由转向；2）货物、设备多——新消防车应具有较好的通过能力，能够爬楼梯；3）低可见度——具有探测与成像功能，并克服浓烟带来的困难，使火场外的消防员能对其进行控制；4）缺氧环境——其动力装置必须少需氧或不需氧，故一般的内燃机不可用；5）爆炸与坍塌——新消防车结构的耐冲击性。总体而言，该小型消防车应能替代消防员进入密闭的火场进行灭火救援，具有较好的通过性与可视性，并具有较好的结构强度。

根据以上分析，对该新型消防车的总功能定义为图2所示。该功能黑箱的输入为灭火介质与消防员发出的指令（控制信号），输出为朝特定方向喷射的灭火介质，以实现“灭火”的总功能。在特殊的火场环境中，黑箱内部即为满足上述设计需求的各功能部件。

3 功能分解与设计求解

图2 小型消防车的总功能定义

从较为抽象的层面上确定了新产品的总功能之后，需要围绕具体的用户或环境需求、产品设计与制造的实际情况从物理/技术的层面对该总功能进行分解，并逐一提出相应的解决方案。依据现有消防车的构成零部件系统实际情况，将小型消防车的总功能分解为如图3所示的功能结构，其中功能元是对子功能的进一步细分，可以选择相应的技术、方法、零部件加以实现。

图3 小型消防车功能结构图

表1针对动力来源、行走方式、信息反馈方式、灭火介质、储存方式和喷射方式等六个功能元，分别提出了可能的解决方案。将各功能元的不同解决方案进行排列组合，可提供多种可能的产品方案，如本例中共有3072种可能的消防车设计方案。由于小型消防车工作环境的特殊性，本设计选择的功能元解决方案组合为“电动机-履带-紫外摄像-水-无水箱（引导水）-水枪”，而这些方面也是下一步详细设计的重点所在。

4 详细设计与产品方案

在明确了小型消防车的需求、功能与概念设计定位之后，需要用对其外观造型及关键部件进行详细设计，最终生成产品概念效果图，用图解化的方式对其进行表达。

1）造型、尺寸与动力来源设计

为满足小型化的要求，设计该消防车在水枪收起的状态下尺寸为1120×1750×900（mm），如图4所示，使得该消防车可以顺利通过一般的消防通道和工厂、仓库大门，并可以在通道内自由转向。

表1 小型消防车的功能求解分析（“棋盘格”分析）

图4 小型消防车尺寸图

小型化的体积也使该消防车可以利用改装后的大型消防车进行运输，而运输车同时还可以对其进行充电，并在没有消防栓的地区充当专业供水车使用，如图5所示。车体前部迎火部分为倾斜的耐火合金钢，比直面更耐冲击，优良的材料可以抵挡一般的碰撞而不被损坏。车体前部发动机机仓内安装两部电动机直接驱动履带，通过电流即可调节其速度和转向，并安装多部蓄电池，满足5小时以上工作使用。车体前部设计水循环空调蒸发散热系统，保持整车的仓内温度不超过100度，后部及履带保护隔板为石棉纤维隔热材料。此外，当整车车体温度过热时，水枪可对全车进行喷淋降温。

图5 小型消防车外观造型与运输

2）行走履带设计

建筑标准《商店建筑设计规范》（JGJ48-88）中规定，室内楼梯的每梯段净宽不应小于1.40m，踏步高度不应大于0.16m，踏步宽度不应小于0.28m；室外台阶的踏步高度不应大于0.15m，踏步宽度不应小于0.30m[6]。可见，为保证良好的通过性，消防车行走履带前端应设计满足攀爬台阶需要的辅助轮，其与水平行走轮之间的垂直高度应大于等于0.16m，如图6所示。

图6 小型消防车行走履带设计

3）成像系统设计

成像系统设计如图7所示，强化防爆玻璃罩内装两个摄像头，一个为可见光高清摄像头，另一个为紫外线成像仪，紫外线成像图像如图7右图所示。玻璃罩外的黄色部分为可360度转动的刷子，用于清除玻璃罩上的灰尘。

图7 小型消防车成像系统设计

4）水管收放系统与水枪设计

由于小型化的要求，该消防车不宜设计内置水箱，因此将通常用于放置水箱的部位用来存放水管，从而借助外部消防栓进行灭火。但如果消防车在行走过程拖着过长的水管，则会降低其速度，同时水管在拖动过程中也容易被卡住或损坏。因此设计水管收放系统如图8所示，可根据行驶距离远近控制水管长度，水管的材质为半硬式金属丝内衬塑料管，提高其耐磨及耐高温性能。水管直径50mm，长度为100m，并通过转轴轮盘与增压装置相连，以便喷射高压水进行灭火。在实际的应用中可根据需要在端头外接水管，并与大型消防车或消防栓相连。水枪采用机械臂结构（图8），可在平面上180度旋转，并可以在一定角度内上下调节，保证高压水能喷向任何着火点。

图8 小型消防车水管收放系统与水枪设计

5 结束语

通过对目前我国消防救火的实际需求出发，找到设计突破口，提出了小型消防车的概念；按照“需求分析→总功能定义→功能分解→子功能/功能元求解→造型设计→详细设计”的程序进行了设计实践工作。应用功能分析法对小型消防车的功能原理进行了分解，针对外观造型、行走履带系统、成像系统、水管收放系统、水枪系统等进行了详细设计，并对产品尺寸、功能设置、机械结构等问题进行了详细分析，实现了产品概念，满足了设计目标，验证了本文所提出的基于功能分析法的产品概念设计程序与方法的有效性。结果表明，对于概念明确、功能确定的产品创新设计而言，功能分析法是一种行之有效的方法，并可推广应用；在工业设计中应特别注意新技术、新材料的应用，并善于查找相关的行业标准，使产品的细节设计有据可依。

[1]文峰.全国年均牺牲消防员30人[N].重庆日报,2010-3-19(A03).

[2]蒋金辰,皮永生.产品设计程序与方法[M].重庆:西南师范大学出版社,2009,7:69.

[3]王峰,王智伟,陆有春,等.基于功能分析法的PVC扣板自动包装机设计[J].包装工程,2017,38(9):198-203.

[4]A.G.C. van Boeijen, J.J. Daalhuizen, J.J.M. Zijlstra and R.S.A.van der Schoor (eds.) Delft Design Guide[M].Amsterdam: BIS Publishers,2013.

[5]张建辉,檀润华,陈子顺.采用物质—场的功能分析法[J].机械设计与研究,2009,25(1):19-23.

[6]JGJ48-88,商店建筑设计规范（试行）[S].北京:中国建筑工业出版社,1989.9.