水下呼吸器载人试验评价技术

顾靖华

（海军军医大学海军医学研究所，上海 200433）

1 引言

随着国家海洋开发战略的不断深入，民用潜水和军事潜水的重要性越来越凸显出来。水下呼吸器是为潜水员从事水下潜水活动提供合适的呼吸气体，以保障其生命安全的一种必须装备，其性能的优劣直接影响潜水人员在水下的生命安全和作业能力。为保证水下呼吸器使用的安全性，需要对其开展性能评价，通常包括无人性能检测和载人试验评价。无人性能检测通过特殊的检测设备，测试水下呼吸器各个阀件的功能、性能及整机系统的性能是否满足指标要求，可从实现基本功能、性能的角度对水下呼吸器进行评价，具有安全、快速、重复性好的特点，但不能真实地反映潜水过程中处于应激状态下潜水员所受的心理、生理等因素的影响，而载人试验评价能从人机交互的角度全面反映水下呼吸器的实际使用性能。随着科技的发展和以人为本理念的深入，对水下呼吸器的要求不仅局限于满足功能、性能方面，对使用的安全性、舒适性的要求也越来越高。因此，国际上通常认为水下呼吸器在经过无人性能测试合格后，还必须要经过载人试验评价。

2 载人试验评价方法和评价因素

对于水下呼吸器的载人试验评价，多数潜水发达国家如美国、英国、法国等都根据自己的特点建立了相关的评价方法。归纳起来，载人试验评价可分为工效学评定、载人性能测试和操作用户试验3个部分。

2.1 工效学评定

工效学评定是指潜水员在特定的环境下，通过特定的操作，评价水下呼吸器的适体性、操作性、便捷性和调节性等性能。世界上潜水发达国家对水下呼吸器的工效学评定非常重视，其中尤以美国海军较为完善，要求其水下呼吸器均需经过海军实验潜水队的工效学评定，并对不同类型的水下呼吸器设置了特定的评价因素和方法。例如，针对M21、suplite17、KM37等水面按需供气式潜水头盔，在工效学评价时，其评价焦点集中在潜水员水下工作时的舒适性、使用性和操作性，主要评价指标包括着卸装时间、潜水时的可操作性、潜水时的视野、休息和劳动时的呼吸阻力、通信时的噪声等；针对MBS2000闭式氧气呼吸器及MK16闭式循环呼吸器，着重于呼吸器在水下时电子控制元器件及电子显示屏的工效学评价。英国要求对其所用的水下呼吸器进行工效评定，包括常压环境和水环境及模拟英国海上平均温度下（15℃）的评定。法国海军也有水下介入中心等对水下呼吸器进行工效学检测的机构。欧洲的EN250标准明确规定自携开放式水下呼吸器需经过工效学评定，评价因素包括潜水员在水下使用背托的舒适性、压力表的可达性、面罩的视野、潜水中产生的气泡对视觉的影响、全范围头部和手臂运动时呼吸器的性能、微量调节阀对呼吸阻力的调节性等。在受试者的数量方面，EN250要求至少需要5名受试者，且每名受试者需进行2次潜水试验；英国针对较复杂的呼吸器，推荐至少需要8名受试者。在评价尺度方面，各国通常采用量表的方式进行评价，如美国将评价尺度分为优秀、好、中等、中等偏下、差、极差6个等级，分别对应6分、5分、4分、3分、2分和1分。我国在研制水下呼吸器的过程中，通常也会涉及部分工效学评价内容，但尚未形成明确的评定要求和评定方法。

综合国内外情况，水下呼吸器的工效学评定通常包括常压环境试验和水下环境试验。常压环境试验主要是评价水下呼吸器在陆上的着装和卸装能力，水下环境试验主要是评价水下呼吸器在水中的工效性能。水下环境试验通常在可控浅水环境中进行，根据被测呼吸器的使用环境设定相应的水温，受试者佩戴被测呼吸器，分别穿着干式服、湿式服、加热服或与被测呼吸器配套的潜水服进行试验。考虑到实际使用过程中不同海域的能见度不同，以及夜间潜水的需要，还应在模拟水下能见度为零的情况下开展工效学评定。在受试者的数量方面，对于较简单的自携开放式水下呼吸器，至少需要5名受试者；对于较复杂的水下呼吸器，如循环式呼吸器等，建议适当增加受试者的数量。工效学评定因素根据水下呼吸器的类型不同而不同，通常包括陆上和水下的着卸装能力、水下活动能力、舒适性、灵活性、稳性、背带的安全性和调节性能、浮力调整能力、面罩排水能力、调压能力、水下操作和控制阀件的能力、视野清晰度及视野范围、使用附属器材（如脚蹼、潜水手表、深度表、潜水刀、指北针等）的便利性、抛卸压铅的便捷性等。

2.2 载人性能测试

载人试验评价的另一个重要内容是载人性能测试，主要是通过测试受试者在水下不同运动负荷、不同姿态下水下呼吸器的性能指标和潜水员的生理指标，扩展无人试验结果，评价在高压水环境中浸泡、静水压等造成潜水员的生理和行为变化及对呼吸器使用性能的影响。如美国海军结合饱和潜水试验，开展了对KM37的载人性能测试，并测试了水下直立、仰卧、俯卧、跑步、爬梯子情况下潜水员的呼吸功和耗氧量；针对MK16闭式呼吸器，在海洋环境模拟舱内开展了载人性能测试，测试了不同工作负荷下吸收剂罐的持续时间，从而评估吸收剂罐的使用效能。英国在完成水下呼吸器工效学评定后，也要求开展载人性能测试，包括呼吸器吸收剂罐的持续时间、呼吸阻力、吸气温度、呼气温度等。我国在水下呼吸器投入使用前，也需要开展载人性能测试，但目前仅局限于设计单位在加压舱或水池内开展的特定深度下的模拟试验，主要用来验证是否满足设计深度指标，难以全面反映水下呼吸器的性能，也无明确的评定方法和评定要求，与发达国家还存在一定的差距。

综合国内外情况，载人性能测试通常是在受控环境（如高压水舱）中模拟最大设计深度的潜水，包括加压阶段、模拟水下停留阶段和减压阶段的整个潜水过程。测试指标不仅包括水下呼吸器的性能指标，还包括受试者的生理学指标。性能指标主要包括吸入气中氧分压、CO2分压、吸收罐持续时间、呼吸阻力、呼吸功等，对这些指标进行测试可以反映水下呼吸器的机械性能、呼吸效能和生命支持能力；受试者的生理学指标包括皮肤温度、核心体温、心率、通气量等，通过监测生理学指标，不仅可以对受试者的生理状态进行监护，还可评估受试者的劳动能力。为保证受试者在载人性能测试期间的安全，通常需要预先设定一些关键指标的安全范围，如果测得的指标超过这个范围，需立即终止试验。例如，吸入气中的CO2分压不能超过1.5kPa，以防止CO2中毒；吸入气中氧分压一般应控制在16～160kPa之间，以保证安全用氧；中等劳动强度下，开放式呼吸器的呼吸阻力不能超过0.5kPa、循环式呼吸器的呼吸阻力不能超过0.8kPa等。

2.3 操作用户试验

载人试验评价的第三部分是操作用户试验。该试验是对水下呼吸器在工作状态下的全过程进行测试，一般在开放水域进行，主要是评价水下呼吸器在实际工作环境和实际使用过程中的性能，如受风、浪和水流影响后的稳性，设计水深下的通信情况，是否有水下绞缠，上浮速度和上浮姿态的控制情况等。英国在进行水下呼吸器的操作使用试验时，要求在开放水域，按照水下呼吸器设定的工作负荷进行耐力游，从而识别呼吸器是否有呼吸软管塌陷、过度拖曳及潜水员是否有背部和颈部疼痛等问题。我国在水下呼吸器投入使用前，需要进行湖上试验或海上试验，也属于操作用户试验范畴。

3 结束语

载人试验评价可从人机匹配的角度对水下呼吸器作出比较全面的评价，并能反映不同个体在使用呼吸器过程中由生理学和行为习性上的差异导致的不同，为水下呼吸器的研制和改进提供人因素依据，有利于提高水下呼吸器的安全性和作业效率。我国在水下呼吸器的载人试验评价方面尚处于初级阶段，为缩小与发达国家的差距，提出以下建议：

（1）建设载人试验设备。为开展载人性能测试，世界上潜水较发达国家如美国、挪威、日本等均研制了载人性能测试设备，而我国目前仅研制了无人性能试验设备，尚无专用的载人性能测试设备。我国水下呼吸器的载人性能测试一般在高压水舱内进行，只能在进舱前和进舱后对水下呼吸器的性能和潜水员的生理指标进行测试，无法实时检测使用过程中呼吸器的性能和潜水员的生理指标，无法实现载人性能测试的目标。因此，建议尽快建设完善的水下呼吸器载人性能试验设备，为水下呼吸器的载人性能测试提供基础条件，提高我国水下呼吸器载人性能测试水平。

（2）完善载人试验评价体系。目前我国水下呼吸器的载人试验评价处于初级阶段，尚未形成载人试验评价体系。建议开展这方面的研究，系统提出载人试验评价因素和评价方法，并针对不同类型的呼吸器，建立不同的评价因素和指标，从而形成完善的载人试验评价体系。