通过建模技术解决入职消防员倍力拉升系统室内教学难题

卞先华 林静

摘要：倍力拉升系统是高空山地救援中的重要绳索救援系统，也是绝大多数从下至上绳索救援中的必需组成部分和重要的教学内容。由于入职消防员理论基础和动手能力都十分薄弱，因此教员主要依靠户外的实景教学来达到教学效果。尤其是针对拉升角度这一重要理论和技术环节，教学基本以实景结合器材展示的方式来进行。本文立足消防救援队伍在高空山地救援的实战、竞赛和教学经验，阐述在外部疫情严峻或自然环境不利、无法开展实景教学时，通过室内建模的手段来达到与实景教学相似的学习效果并提出相关解决对策。

关键词：室内建模; 拉升角度; 教学

1   倍力拉升系统的主要教学内容

1.1  两项关键因素

倍力拉升系统设置在锚固系统上，根据难易程度，一般包括：滑轮组、抓绳器、系统控制器、绳索和安全钩、复位绳或简单复位滑轮组;倍力拉升系统有两项影响其效率的关键因素：一是倍力比，也就是通常说的“几比几”，比如最简易的Z-Rig系统就是3比1;二是拉升角度，即担负拉升的救援人员（一般称“操作手”或拉升组）与最近一个滑轮之间的夹角。拉升角度决定了倍力拉升的动力损耗。甚至在输入力度不变、倍力比不变的前提下，不改变倍力拉升系统的形态，通过调整拉升小组与被困人员、协助手之间的夹角便可以将整个救援效率大幅提升。

1.2  倍力比

倍力比分两种：一是真实比（AMA），它是由于热、摩擦等损失造成输入力度大于输出力度的现象。如一个2人制的拉升组，它包括1名操作手和1名确保手。理想状态下按每人30Kg力的输入力度，会在Z-RIG系统中产生180Kg力，也就是输入力三倍输出。但在实际中，由于绳索的张力、与滑轮的摩擦力、滑轮滚轴的热损失等，可能只会在末端产生120Kg力，损失了1/3的输入力。因此这个案例的真实比是1比2，而理论比（TMA）是1比3。当一个5人编制的绳索救援分队在救援现场准备装备器材之后，那么它的真实比就是一个定值，虽然实战中仍以其理论比估算，但真实比不变，可将其视为一个常量。

1.3  拉升角度

和倍力比不同的是拉升角度却是一个变量。由于在拉升过程中，操作手或确保手不可能精确地沿某一直线位移，角度时大时小，产生变化。如在位于悬崖边的一处斜坡开展拉升救援时，通过一个COD（转向滑轮）去拉一个位于悬崖底端的担架系统，在斜坡上可利用自身的重量充当“配重”，反而降低了拉升所需的力量。这就是0°和90°拉升放在同一定滑轮上的理论值（相等）和实际值（不等）的变化。

2   户外教学方法应用于室内的问题

2.1  难以列举子系统

倍力拉升系统的教学不仅是针对拉升这一部分需要让学员领悟它的结构，还必须介绍其它子系统。户外场景开阔，地理条件得天独厚，教学时可利用的天然或人工物体很多，而室内教室能利用的物体少，即便放在消防站的车库中开展教学，如以消防车作高锚点介绍V型救援，其直观性较天然的峡谷是无法比拟的。重要的是，室内教学受锚点影响，无法一一列举，这让经验较少的入职消防员很难真正掌握这些子系统。

2.2  难以展示两项关键因素

倍力拉升系统的工作原理是掌握其制作方法的基础，如果入职消防员不能正确地掌握其工作原理，就无法正确制作一个安全的拉升系统。室内空间狭窄，很多需要架空、紧绳之后才能展现出来的系统只能放在地面或离地一两米的空中，无法进行原理展示，只能通过口述讲解，对入职消防员而言，这样无法展示“倍力比”和“拉升角度”的平面教学方式如同天马行空，教学效果也大打折扣。

2.3  难以为小“教学比”创造独立环境

入职消防员的绳索救援技术教学要求教员和学员的比例控制在1比4（教练以上级别可带最多不超过8名学员），也就是“教学比”允许1个教员带4名学员。每个讲解场地一般在15㎡以内。按一个教室50㎡计算，最多能容纳3组进行分组练习，也就是12名学员，连同3名教员，总共15人。除15人所产生的噪音干扰外，狭小的操作空间是制约学员学习和观察的最大问题。

3   利用建模技术阐述倍力拉升系统

3.1  地面快速建模

3.1.1  倍力比教学

地面快速建模是建模技术的一种，主要解决倍力比的教学难题。它是以地面为“沙盘”，用学员“充当”器材进行推演。通过让多名学员手持绳索和相关器材并站在各个器材的关键节点上进行模拟系统工作，使其身临其境，更加直观地掌握倍力拉升系统的比例。教学时，教员可以让学员交换位置来体验不同器材的功能和运动轨迹。地面快速建模基本上是国际消防救援界进行镜像系统的标准演示手段。

3.1.2  教学方法

4名学员1组，以1～2组在15㎡的车库划定一个矩形训练教学区。教员在地面选择锚点区域后，利用1名学员的腿制作锚点，然后制作1个Z-RIG3比1SM倍力拉升系统（制作方法可查看《入职消防员绳索救援技术》）。这个3比1倍力拉升系统将作为所有倍力拉升系統基础，其长度可视车库面积而定，一般不小于5m。制作完后，将学员分配到每一个器材节点上去。比如，在抓绳器位置的器材为“抓绳器”、“安全钩”、“单滑轮”，那么这是可忽略安全钩而视其只有抓绳器和单滑轮，以2名学员模拟，走到器材位置，手持器材等待。所有学员都到相应位置之后，教员先简要讲解系统工作原理，然后让1名学员到负重端模拟伤员，其余学员操作，感受系统运动轨迹和拉升复位操作。操作完一组之后，学员交换位置再进行体验。待所有学员轮过每一个位置节点之后，教员在Z-RIG系统的基础上改5比1或SM9比1，继续相同方法直至授课结束讲评。

3.1.3  理论基础

3比1倍力拉升系统是所有倍力拉升系统的基础，也是入职消防员绳索救援技术的必修课程。将其抓绳器所在的单滑轮替换为双滑轮之后即改为5比1SM倍力拉升系统，将其所在的拉升端增加1个3比1拉升系统即改为3x3=9比1SM倍力拉升系统。同样，CX5比1等复杂系统也是在其基础上制作的。

3.2  物理法则建模

3.2.1  拉升角度教学

物理法则建模主要是利用能量守恒定律解决拉升角度的理解难题。我们知道，倍力拉升系统的构成有两种。在早期，尤其是传统美式山地救援技术采用一套单独的拉升系统去拉另一根吊着被困人员的绳索，这根绳在每次拉升后都由1名救援人员收紧，然后拉升小组操作单独的倍力拉升系统复位，然后继续相同步骤。这种系统需要2根绳，一根拉升复位，一根收紧，因此也叫附加倍力拉升系统（Ratchet in Front）。但救援技术发展至今，早就使用了当今绝大多数消防、救援机构惯用的单绳倍力拉升系统（Piggyback system），采用两套系统就形成所谓的“镜像系统”（Mirror System）。对附加倍力拉升系统，会存在一个系统与负重端之间的夹角，也就是“拉升角度”。这个概念在教学中很好描述，但难点在于它是变量，入职消防员难以有直观的理解。

3.2.2  教学方法

向学员简述拉升角度产生的原因后仍以3比1倍力拉升系统的地面快速建模来说明。让学员站成3比1拉升系统后，以同等负重让每名学员感受角度单增（减）时的受力大小。

3.2.3  理论基础

拉升角度的理论基础是热力学第一定律。先从定滑轮夹角开始介绍：

（1）定滑轮夹角

经典物理学告诉我们，定滑轮改变力的方向而不改变力的大小，也就是图中的G（负重）和F（拉力）之间的角度如何变幻，其大小在理论上等于G。但实战中会出现两个因素，一是滑轮与绳索接触的长度和滑轮受压迫的强度，它导致了图中的两个F在现实中是不可能相等的。左边图中GF绳段与滑轮的摩擦面积大，摩擦力更大。若左边的锚点受力为2G，而右边大致在1.4G左右，因此，单从这点分析，若要提升，似乎右侧的方式更轻松，拉升效率更高。第二点是右侧可以通过技术手段，使得拉升所需绳索只用大概左侧的一半，比如人在站高处，拉一端，而不是站在低处吊拉另一端消耗了两倍的绳长。所以无论怎么看，右边的示意图所采取的方式更科学。

在天平系统当中，左边示意图的方式却更加科学，这是因为救援人员发挥了体重配重的优势，在节省体能的基础上，虽然增加了摩擦力，但增加了拉升强度。这是右侧系统所无法达到的效果，尤其是在多站点的洞穴SRT救援中，天平系统的优势和实用性非常大。所以我们得出关于定滑轮夹角的结论：通常情况下，拉力与负重之间的夹角越大效率越高;之所以加上通常情况这个前提，就是考虑到天平系统所适用的一些特殊场景。

（2）动滑轮夹角

动滑轮的特点是省力而不改变的力的方向。至于省力是省多少呢？从图片中，可以看到在相同负重下，有两种角度的拉升，一是F方向的拉升，二是f方向的拉升。显而易见，F为G/2，而f我们暂不清楚具体数值，但可以推导出f与G之间存在的关系：按照平行四边形法则，我们可以把f分解为向上的f1和相对水平的f2。f1与G同线异向，f2是向右侧的一个力。

当f与F重合时，f=G/2，换句话说，在理想状态下，要提升G，至少f要达到G/2的力度。而当f向右侧某个角度发生偏移时，要产生同样效果（功），其分力f1也必须达到G/2。根据能量守恒定律，f做了2个功，一个是f1所做的功，一个是f2所做的功，这样就有：Ef=Ef1+Ef2;当f1=G/2时，那么Ef=EG/2+Ef2，Ef-Ef2=EG/2。不难看出，要达到相同的效果，就必须多付出f2所做的无用功。因此应尽可能减小动滑轮夹角以获得更高的拉升效率，即尽可能让动滑轮的受力与拉升方向在一条直线上。在此忽略天平等特殊系统，针对新入职消防员，一句话对理论基础进行总结：动滑轮的夹角尽量小，定滑轮的夹角尽量大。

參考文献：

[1]   林  静.快速建模在消防战训工作中的综合应用——017年度灭火与应急救援技术学术讨论会论文集[M].北京：中国石化出版社，2017：631-633.

[2]   James A.Frank.CMC Rope Rescue Manual 5th Edition[M].Silverander Communications，2017.