基于信息技术的灭火救援模拟训练应用研究

摘要：灭火救援模拟训练在消防训练中占据较大比重，而灭火救援体能训练的发展变化也给消防员的职业训练带来了许多问题，如训练强度高但效果差、训练姿势不足、长期身体损伤等。为了帮助消防员在体能训练中取得更好的成绩，降低受伤概率，本文以短跑训练为例，通过人工智能技术和大数据技术，采用较好的消防员运动的身体数据，从生物力学角度建立了人体运动模型，并对消防员进行了相应试验。实验结果表明，阻力跑可以提高消防员短跑专项力量素质，同时，在使用阻力负荷进行训练时，最大速度不应超过无阻力时最大速度的90%。在阻力负荷下训练时，平均水平最大速度下降了约9%，在这个范围内训练消防员可以获得最佳的训练效果。

关键词：信息技术；灭火救援；模拟训练；消防员

一、引言

灭火救援模拟训练是提高消防员专项表现和灭火能力的重要训练内容之一。如何在灭火救援模拟训练中提高消防员的表现并降低受伤率，是消防灭火中的重点问题。传统的研究方法是让消防员通过各种体能训练方法进行重复练习，但这种方法存在训练结果不确定和训练损伤率高的风险。随着数字时代的到来，大数据已经成为分析和比较密集数据的有力工具^[1]，能够为体能训练提供大量的数据支持。大数据可以收集消防员训练前后身体的关键信息，并结合相应的体能训练进行数字化^[2]，将其应用于训练，以提高消防员的成绩。同时，大数据可以收集大量消防员的身体和训练信息，以指导消防员进行相应的运动训练。但这项工作所需的数据量太大，给培训参考带来了一定的挑战^[3]。目前，学术界对数字体能训练的研究较少，主要集中在现代智能运动装备的应用以及消防员训练和比赛的数据分析。

智能大数据可以分析消防员的技术和身体状况，并结合生物力学来提高消防员的训练水平，以达到良好的训练效果^[4]。本文的创新之处在于进一步简化智能大数据分析的数量，在收集消防员的数据信息后，构建一个独特的人体模型来评估比较消防员的表现，以进一步取得良好的实验结果。

二、智能大数据下运动员体能数据的整理过程

首先，进行数理统计。在对包括生化指标、负荷强度、负荷等在内的相关指标数据进行整理汇总的基础上，检测消防员各训练过程的具体数据，并采用灰色关联分析法和渐进评分法对相关数据进行分析，采用SPSS19.0數据处理软件确定各项指标，此外，建立体能指标评价与监测体系，并完善反馈体系，其中Excel表格处理器中的相关功能用于分析监测数据。

其次，采用灰色关联分析方法对各体能指标的相关系数和权重值进行分析，验证指标筛选结果和因素分析结果的有效性^[5]，并结合其特殊性和普遍性。具体操作过程及计算公式如下。

确定生成函数X₀和子函数X₁、X₂、X₃、X_n，得到X_i（k）如下：

三、从生物力学角度计算学员的动作

为了进一步提高消防员在短跑中的表现，降低消防员受伤的可能性，本节使用Visual对人体进行建模和计算，便于在信息技术数据采集后总结出最佳训练模式的运动姿势和动作，并提取正确的动作姿势和角度，为消防员的体能训练提供参考。该软件的人体建模计算需要捕捉人体的运动形式。

首先，受试者穿着专业的消防服，分别通过Vicon红外运动捕捉系统、Kistler力板和Delsys无线肌电图采集系统采集短跑的运动学、动力学和肌电图数据。在训练开始前，消防员像往常一样充分热身15分钟，热身运动包括静态肌肉伸展（如压腿）、动态肌肉伸展（如高抬腿、慢跑和加速跑）。然后正式的消防灭火救援模拟训练开始。图1为消防员灭火训练的短跑周期划分示意图。

根据图1，消防员灭火救援过程可以分为加速和落地等阶段，包括地面支撑和反应、人体腾空和加速。为了获取消防员的动作数据，使用了Vicon处理软件来处理捕捉到的标记点，需要完整地收集整个动作过程才能有效地进行分析。抓握动作的持续时间包括支撑阶段和摇摆阶段，以及接触地面前和离开地板后5个画面的时间，用来计算短跑运动的动态变化。

（一）从生物力学角度提高消防员体能训练的实验

本实验选取某市的8名消防员作为实验对象，实验地点位于消防队员训练馆内，使用MotionPro X相机及其采集软件来采集途中跑步运动学的原始数据（40 m），使用SBCAS运动学处理软件进行处理和分析，使用SPSS18.0统计软件对最终数据结果进行重复测量方差分析，并使用配对样本检验进行多重比较，起点线、终点线和观看范围用尺子和锥形记号笔标出。摄像机被放置在距离起跑线40米的地方，其主光轴距离起跑线35米，摄像机高度为1.2米，场宽为8米，高速摄像机采样频率为100 Hz^[6]。

（二）短跑消防员加速阶段生物力学特性的实验

利用信息技术中的连接交互动态法，对人体的腿部的动态参数进行分析，目的是探索短跑的加速阶段和最大速度阶段中，主动肌肉扭矩和其他被动扭矩之间的相互作用是否存在差异。首先，对消防员进行灭火加速训练，并在加速阶段的摆动阶段记录消防员的髋关节和膝关节运动结果。髋关节和膝关节在加速阶段的摆动阶段的分力曲线如图2所示。在起跳过程中，消防员的腿部没有受到任何的地面反力，因此腿部不会受到触点力矩的影响。而在臀部，主要受惯量和肌肉力矩的影响。在从落地到50%挥杆的这段时间里，肌肉力矩使臀部克服惯性力矩进行弯曲，在整个身体摇摆过程中，直至双足离地，肌肉扭矩始终是臀部的拉伸扭矩，而惯性扭矩始终是臀部的弯曲扭矩。对于膝关节而言，在直立状态下，净力矩转化为膝关节的拉伸力矩。在这个位置上，大约有60%的时候，总扭矩会返回到膝关节的弯曲扭矩。当消防队员从落地到被支持60%的时候，总扭矩与惯性扭矩是一致的，但肌肉扭矩是相对的。结果显示，膝关节的弯曲和拉伸是连续进行的，其中膝关节的弯曲与拉伸是通过肌力与惯性扭矩的相互抵消来实现的。

（三）应用阻力条件对消防员身体表现的实验

在完成了连杆相互作用动力学和关节力矩的实验后，本节的内容是研究消防员在施加不同阻力和辅助条件下短跑技术的生物力学变化，以了解在哪些条件下消防员可以达到最佳的训练效果。本节的实验测试了消防员在0、10.6%体重、14.1%体重和16.2%体重的阻力负荷下的身体表现。首先，使用SBCAA和CAI SYSTEM-SBCAS运动学处理软件来获得获取的图像数据，并获得18个关键点的X和Y坐标。通过这18个关键点，人体被定义为14个环节，利用德国人体惯性参数确定了人体总重心的位置坐标，并利用信息技术对试验数据进行采集。实验数据用平均值表示标准偏差（x ± SD）。表1是本节实验的步态指数。

如表1所示，结果表明，与消防人员步数有关的各项指数均达到了显著性水平，其中a=0.008。在奔跑加快时期和最大速度时期，跑速、支撑期和步长上存在着明显差异，但在步态周期持续时间、步态频率和摇晃期上，差异并不明显。步态周期持续时间和步态频率的P值均小于0.05，但由于以上六个步态指标属于同一数据，其信息技术数据之间可能存在相关性，这可能会对数据产生一定的影响。因此，通过Bonferroni对 alpha=0.008的显著水平进行了修正以消除该效应。结果显示，步态周期持续时间和步态频率之间以及加速阶段和最大速度阶段之间没有统计学上的显著差异。

（四）步长和步频分析

根据对试验后的消防员步长和步频的分析，发现随着阻力负荷的增加，步长逐渐减少，而步频没有明显变化。

当阻力负荷为0时，消防员（n=8）的平均步长为2.22±0.23 m；当阻力负荷为10.6%体重时，平均步长为1.97±0.13 m，平均步长减少了11.3%，存在显著差异（P=0.03）。当阻力负荷为14.1%体重时，平均步幅为1.77±0.18 m，平均步幅减少了20.3%，差异显著（P=0.001）；当阻力负荷为16.2%体重时，平均步幅为1.64±0.07 m，平均步幅减少了26.1%，差异显著（P=0.001）。在不同的阻力负荷下，消防员步频没有明显变化，P值均大于0.05，没有明显差异。对于短跑来说，消防员在跑步过程中尽量保持身体的平衡，不使身体向后或向前旋转。当增加阻力负荷时，会产生额外的后旋力矩。为了克服消防员产生额外的后旋力矩，消防员会调整身体姿势，即通过将身体重心前移来抵消拉力所产生的额外力矩。整个步态周期时间被100%归一化，并对髋部、膝部、踝部和大腿的连接角度进行了整体分析。结果显示，随着阻力负荷的增加，髋关节角度有下降的趋势，而膝关节、踝关节和大腿关节的角度随着阻力负荷的增加没有明显的变化。此外，在踢离地面的瞬間，躯干连接的角度随着阻力负荷的增加而减少。

当阻力负荷为0时，主干链路的角度为-8.6±4.0度；当阻力负荷为10.6%体重时，与阻力负荷为0%体重时相比，主干链路角度为-17.8±3.6度（P=0.011）；当阻力负荷为14.1%体重时，主干链路角度为-25.2±7.8度，与阻力负荷为0%体重时的躯干连线角相比有显著差异（P=0.001）；阻力负荷为16.2%体重时，躯干连线角为-25.9±3.4度，与阻力负荷为0%体重时的躯干连线角有显著差异（P=0.001）。

四、结束语

本文使用智能大数据对消防员的数据进行收集和分析，研究了消防员灭火训练不同阶段的动力学和运动学。研究发现，在进行阻力负荷训练时，随着阻力负荷的增加，消防员的水平速度会下降，平均水平最大速度下降了约9%，任何超过这个范围的增加都会对训练成绩产生负面影响。因此，在阻力负荷训练时，最大速度不应超过无阻力时最大速度的90%。

作者单位：王廷喜 宣城市宣州区消防救援大队

参  考  文  献

[1]章竹乔.虚拟现实技术在灭火救援模拟训练中的应用分析[J].中国设备工程，2023（05）：21-23.

[2]赵龙.虚拟场景生成系统在灭火救援训练中的实施对策[J].今日消防，2021，6（11）：28-29，33.

[3]淡默，汪彤.虚拟现实技术在城市应急救援训练中的应用[J].安全，2015，36（01）：11-14.

[4]孙悦，李国鑫，杨兴爽.提高基层消防中队灭火救援战斗力的方法研究[J].今日科苑，2014（05）：92-95.

[5]杨帅.提升消防救援队伍灭火救援实战化建设的探究[J].消防界（电子版），2022，8（06）：75-76，79.

[6]罗中敏.关于提高消防部队灭火救援作战能力对策的探讨[J].江西建材，2016（05）：298，300.

王廷喜（1981.07-），男，汉族，安徽淮南，宣城市宣州区消防救援大队大队长，研究方向：灭火救援。