消防员火场工作效率变化的研究

张维诚

摘要：随着制造业、工业的不断发展，人们的日常生活環境变得日趋多样化、复杂化，高速发展的物质环境带来便捷高效的同时也蕴藏着越来越多的火灾隐患，增大了灭火救援任务的难度。尽管一直备受多方高度重视，但消防员在出勤作战过程中的伤亡仍然不断发生。文章选取一线的消防战斗员作为实验对象，按照实战化装备后，在模拟火灾环境下进行模拟体力运动，达到指定的状态标准后再进行相关的消防项目作业，分析比较不同环境状态下人员的体征状态随着疲劳度的增加，变化情况有什么差异，分别在不同环境和不同疲劳状态下测试消防员作业能力的变化，探索疲劳度和作业能力之间的关联，寻找消防员在什么状态下效率最优，什么状态下作业能力开始减弱。

关键词：自疲劳;工作效率;最大心率;烟热

一、研究目的

主观判断人员的疲劳程度很可能存在误差，作战时消防员常常用强烈的责任心掩盖了自身的疲劳感，其实现实中每一次奋不顾身的决定通常都是充满风险的。

目前国内的消防救援并没有明确的指导手册或者规程来规范指挥员要在消防员投入战斗多久后进行轮替更换，实战中只有根据空气呼吸器的使用时长限定消防员进入火灾现场内部作业的时间，一线消防中队主流的战备用空气呼吸器配备的压缩空气钢瓶都是6.8升容量，建议使用时长30分钟，此时需要后方提示战斗员准备撤离火灾现场，更换气瓶。但这个轮换机制显然并不完全合理，灭火救援中起到核心作用的依旧是人，持续的高强度作业可能导致人在空气呼吸器失效前就达到疲劳状态，因此为了确保人员安全，提高灭火作战效能，需要科学的轮替制度。

二、作业效率实验测试

（一）实验思路

实验主要通过在烟热和普通两种不同环境下模拟体力运动，研究比较人员在达到不同疲劳程度时，体征状态的变化情况，分析环境对于消防员运动疲劳产生的影响，在疲劳程度与体征数据间建立关联，体征数据主要采集心率、呼吸频率、体温和脑电。再以体征数据为基准测试不同体征状态下人员作业能力的变化程度，寻找疲劳程度对于消防员作业能力的影响，作业能力主要测试消防员的力量、脑力和消防器材操作效率。

（二）实验人员选取

本次实验的主体是在灭火救援行动中担任核心作用的人员，业务成熟的一线的消防员，足够的火场作业经验可以最大程度地减少心理因素对实验结果造成的偏差，抽选执勤中队战斗员15人，均在职业鉴定考核中体能、技能达到及格标准，健康无伤病，从事消防战斗岗位工作3年以上，出勤次数在1000次以上，所有人员在实验前参与了最大心率测试。

（三）实验场地的设置

为贴近现实，试验场地选取了一栋砖木结构的废用民房，房屋整体结构完整。取其中一个面积为12m2的卧室作为烟热室，长度3m，宽度4m。在卧室的西北角墙角处设置燃烧点，放置一个燃烧铁桶，直径60cm。

在东南角近门处设置一个踏步台阶，按照中国成年人体质测定标准设定高度40cm，宽度60cm，踏步台阶距离燃烧桶3m。在踏步台阶正上方1.2m处设置一个热电偶测温器，高度位于测试人员腰间。房门东侧连通着一条宽1.5m、长4m的走道，走道北侧墙面上有一扇窗户，采光良好，用这一走道作为测试区，测试者在烟热室内完成模拟运动后到达测试区完成指定任务，采集相应数据。试验场地示意图如图1所示。

（四）作业疲劳的模拟

消防员作业疲劳通过台阶踏步的方式来模拟完成，台阶测试的标准根据《中国成年人体质测定标准手册》设定。踏步所用台阶平台为40cm高的标准测试高度，测试人员在模拟期间需要保持2s/次的频率进行踏步运动，相当于国家劳动强度分级中的体力劳动强度4级，属于强体力劳动。

（五）作业能力的测试

作业能力主要包括脑力、力量和器材操作效率三个方面。研究在不同的环境下，消防员的救援效能与疲劳程度变化间的关系。脑力的测试采用舒尔特方格测试、Extreme Test和Mind Wave头戴脑波记录仪，分别测试人员的集中度、反应速度和脑电数据。力量通过电子握力器采集瞬时握力。器材操作采集消防员在火场使用最频繁的器材：液压剪、无齿锯、水枪，液压剪夹运乒乓球，无齿锯切割螺纹钢筋分别记录时效，水枪结合陀螺仪测试射水的稳定性。

（六）烟热环境的模拟

高温烟热通过真火燃烧得到，燃烧物混合有木材、棉麻、塑料、压缩板，都是些民用家具的主要材料，确保实时温度保持在100℃±20℃。

（七）疲劳的判定

为了减少不必要的数据采集和更加贴近实际情况，需要模拟整个战斗准备和战斗展开的情况，实测15名实验人员静态心率平均为最大心率的37%，整装搬运两盘65mm口径水带，奔跑50m并成功建立分水阵地后，平均心率为个人最大心率的73%。因此文章中实验心率的记录起点设在个人最大心率70%处。

实验步骤按照设计流程，运动中断点以心率指标为标准，结合RPE量表设置初始状态为静止状态，第一个测试点设为个人最大心率的70%处，之后测试人员心率每提高最大心率的5%记录一次测试数据。

（八）实验流程的设计

第一，确保人员状态良好，休息充足，调整实验室温度，常温下保持室内正常通风采光。

第二，实验人员穿戴全套实战用防护装备，佩戴心率传感器和运动相机。保证各类检测设备的运行正常。实验者完成着装要求后，静止休息。

第三，实验者进入试验区进行台阶踏步运动，在节拍器的辅助下，保持2s/次的频率。

第四，在完成规定量的运动后，停止运动，移动到测试区，运动中断点以达到规定的体征数据为标准。

第五，在测试区内，实验人员按照测试要求完成对应的测试项目，记录实验数据。

第六，测试结束后实验人员重新返回试验区，重复步骤三、四、五。

第七，实验过程中如果出现以下情况立即中断实验：空气呼吸器报警、实验人员因体力不支无法在测试区完成规定项目或者实验人员因体力不支自行宣告中断。

第八，结束测试后的实验人员卸去防护装备，在正常環境温度下静坐休息，期间继续保持心率的动态记录。

三、疲劳对消防员作业能力的影响

（一）集中度和反应速度的变化

在注意力集中的舒尔特方格测试中，常温环境下人员在到达最大心率的90%时注意力有明显的下滑，烟热状态下人员在达到最大心率的85%时，注意力就开始呈现衰减，在70%～80%心率区间内时，常温环境下的测试数据要优于烟热环境下，由此可得出烟热环境不利于人员的注意力集中。

在前两个心率区间内，反应速度测试的数据，烟热环境下要优于常温环境，从最大心率的80%后开始反转，常温环境下人员的反应速度要优于烟热环境，常温环境下人员的反应速度最差值出现在最大心率的85%至力竭之间，烟热环境下出现在最大心率的80%至力竭之间。

（二）握力的变化

消防员的内场作业绝大部分都是靠上肢完成，力量自然也是衡量一个消防员作业能力的重要指标。

整理比较每一名测试人员实验数据中握力的最大值发现，烟热环境下，2人的握力最大值出现在最大心率的70%时，3人的握力最大值出现在最大心率的75%时，2人的握力最大值出现在最大心率的85%时，5人的握力最大值出现在最大心率的90%时，3人的握力最大值出现在最大心率的95%时。常温环境下，2人的握力最大值出现在最大心率的75%时，3人的握力最大值出现在最大心率的80%时，6人握力最大值出现在最大心率的85%时，4人握力最大值出现在最大心率的90%时。

总结可得出，测试人员手臂的爆发力并不随着心率的变化而线性变化，疲劳度的增加与瞬时爆发力没有直接的线性关系，总体上握力的最大值出现在人员最大心率的75%～90%之间。

（三）射水稳定性的变化

射水是消防员灭火救援中最常见的作业方式，文章中动作稳定性的试验记录测试者在达到指定心率后，30s内目标射水时的水枪摆动轨迹。

常温环境下，人员操作水枪的偏移量随着心率的增大而增大，有2人的水枪偏移增量达到初始状态的3倍以上，烟热环境下15人中13人保持相同的趋势，有两人在达到最大心率90%时，位移量有所增加，有6人的最终偏移量达到第一次的3倍以上。分析原因是因为这两名测试人员在最大心率90%后，无法坚持标准的水枪握姿，而改用腰带借力支撑。

人员的动作稳定性受烟热环境影响较大，相同心率时烟热环境下人员操作水枪时的稳定性要低于常温环境下，稳定性都随着人员心率的增长而下降。

（四）操作器材效率的变化

液压剪的操作实验中，出现了34次失误，6次发生在常温环境测试时，28次发生在烟热环境测试时，其中3次发生在测试者最大心率的75%时，4次发生在测试者最大心率的80%时，7次发生在测试者最大心率的85%时，9次发生在测试者最大心率的90%时，12次发生在测试者最大心率的95%时。器材操作的失误次数随着心率的升高而增加。烟热环境下的失误次数要大于常温下。液压剪操作的过程中出现失误的次数要大于无齿锯操作。

从测试的数据来看，烟热环境下无齿锯操作效率的均值在最大心率的80%之前要优于常温环境下，其中最低效率1人出现在最大心率的70%时，3人出现在最大心率的80%时，3人出现在最大心率的85%时，4人出现在最大心率的90%时，2人出现在最大心率的95%时，2人出现在力竭时，常温状态下效率的最低值3人出现在最大心率的70%时，4人出现在最大心率的85%时，5人出现在最大心率的90%时，2人出现在最大心率的95%时，1人出现在力竭时。

常温环境下液压剪的操作效率的总体均值要高于烟热环境下，常温环境下当人员心率达到最大心率的90%后，所有测试者的效率都发生衰减;在烟热环境下时，在心率达到最大心率的85%时，所有测试者的效率开始衰减。

测试人员不同心率状态下作业能力的变化如图2所示。

四、结论

文章以消防员在烟热环境下体征及作业效率的变化为研究对象，设计了烟热、常温两种不同环境的试验测试，分别比较了人员在运动到力竭的过程中作业能力的变化，结合百分比心率实验探索人员的作业效率最优区间。文章所研究的内容对于掌握参战消防员体征状态和指导实战调度有一定实用价值，主要结论如下：

第一，在达到最大心率的83%之前，不同环境下消防员对于疲劳的感知保持相同，最大心率的83%之后，烟热环境下的疲劳感知比常温环境下迟钝。

第二，消防员的动作稳定性随着心率的增长而下降，失误率随着心率的增高而增高。与常温环境下比较，烟热环境下的人反应速度更快，但是集中程度要差。消防员的反应力和集中程度对器械操作的效率产生影响。

第三，消防员作业效率的最优值均出现在最大心率的75%～85%之间，可以认定在这个心率区间内人的作业效率最高。各项作业能力指标在到达最大心率85%后开始下滑，部分作业在达到最大心率90%后无法顺利完成，因此在现场救援过程中，可以将最大心率的85%设定为作业人员的预警心率。

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