消防褲結構參數模糊正交優化

寧玲， 楊子田， 王麗

(東華大學 服裝與藝術設計學院，上海 200051)

消防服[1]，又名消防滅火防護服，是為消防員在火場滅火戰斗中保護自身而設計的一種防護服裝，其防護性能直接關系到消防員的生命安全。尤其是昆山“8·2”爆炸事故[2]和天津港“8·12”爆炸事故[3]的發生，使人們更加關注消防安全。

設計消防服時，除應注意防護安全性外，活動舒適性也尤為重要[4]。服裝結構設計的不合理，會限制消防員的正常作業與訓練，影響作業效率，嚴重的可導致事故的發生[5]。目前，已有研究者從消防服結構設計的角度進行分析，以改善消防服的運動機能需求[6-7]，但缺少關于款式結構改進后服裝關鍵結構參數進一步優化的研究。文中將從消防服活動舒適性改善角度，在前期對U公司現役消防褲款式改進的基礎上，通過模糊綜合評定和正交實驗相結合的方法對褲裝關鍵結構因子進行進一步研究，以探討影響消防褲動態舒適性的主要因素和關鍵結構參數的最佳配伍。

1 實驗設計

1.1 正交實驗設計

應用人體工效學的活動適應性分割設計對U公司現役消防服進行款式結構改善，解決其消防褲立襠過大和膝部結構設計的不合理，使得新設計的消防褲結構符合消防作業下肢自然形態。根據優化后消防褲與現役消防褲的主觀舒適性評價結果，發現新設計消防褲襠部和膝部的活動舒適性優于現役消防服，其細節和規格設計總體合理，但仍需改進，要注意立襠深、膝部加量等參數大小的設置?；诖耍赏ㄟ^正交設計進一步研究消防服褲裝關鍵結構參數的設置，以提高消防褲襠部與膝部的活動舒適性。

1.1.1確定因素個數及水平 從款式實驗結果和企業節約成本方面考慮，確定消防褲較優款式，正交實驗的樣衣款式如圖1所示。考慮到大部分穿著U公司消防服的目標群體為現役消防員，其年齡為(22±4)歲，身高(175±5)cm，體質量(71±8)kg，故在正交設計時將消防褲號型設置為175/76A(L碼)。

圖1 消防服試樣褲裝款式 Fig.1 Basic style of the sample pants

人體下半身皮膚的主要伸展路線可概括為臀部—臀溝—大腿內側—膝蓋，當下肢運動時，在此線路上任一位置增加面積或距離，就會增加下肢運動功能[8]。因此，可選擇臀圍、立襠深、膝部加量作為正交實驗設計方案褲裝的結構因子，以探究其對褲裝運動舒適性的影響，并尋求使消防褲動態舒適性相對較佳的關鍵結構參數組合。其中，膝部加量為前褲片膝關節處設置的適應前部膝關節活動的增量，具體說明如圖2所示。同時，根據消防常見作業[9]：梯子訓練、地面水帶連接訓練、高空水帶連接訓練和救援等，通過動作分解確定腿抬高45°、抬腿至90°、體前屈90°和完全下蹲為消防作業常見動作。參考相關學者利用體表描線法對人體運動所引起的皮膚變形量的研究與實驗驗證[10-11]，可歸納總結出消防常見動作下人體下肢關鍵部位對應的皮膚變形量，具體見表1。

圖2 前膝部加量說明 Fig.2 Explanation of the front knee ease

Tab.1 Skin change rates of the legs %

由表1可知，175 cm成年男性臀圍為92 cm左右，半臀圍皮膚變化率為2.47%～6.59%，由于運動臀圍所需的放松量約為5～12 cm，穿著內衣所需的放松量約為10 cm，臀圍尺寸可以設計為107～114 cm。考慮到人體彎腰、下蹲時消防作業下肢活動需求較大，臀圍取110 cm和114 cm兩個水平進行正交實驗。同樣地，根據表1可知膝部活動松量需4.5～5.4 cm，考慮到消防褲內衣物的穿著，膝部加量的設置考慮6 cm和8 cm兩個水平。而該實驗體型男子的股上長約為25 cm，結合股上長皮膚變化量為0.5～1 cm，加上較寬松褲裝襠底設計松量約為1～2 cm，實驗褲裝腰頭寬設計為4 cm，則立襠深可設計為32 cm或33 cm進行參數組合配伍試驗。消防褲正交實驗因素水平匯總具體見表2。因此，本實驗屬于3因素2水平的正交實驗設計，且不考慮因素間的交互作用，可選用L4(23)的正交表[12]設計消防褲,通過正交實驗方案來制作樣褲T1～T4，以代替全部的8種可能性，具體見表3。

表2 消防褲正交試驗因素水平表

表3 消防褲正交實驗方案

1.1.2樣衣制作 根據GB/T 1335.1—2008《服裝號型 男子》設置消防褲其余部位規格參數為：褲長102 cm，腰圍88 cm，膝圍56 cm，腳口44 cm。樣褲T1～T4制作時選用白胚布，由同一人采用同一工藝，在同一臺機器上完成，以避免樣衣制作差異對樣衣活動舒適性評價造成影響。

1.2 實驗過程

選取5名適合穿著L碼褲裝的青年男性，對4條樣褲進行著裝實驗和主客觀評價，其身高區間為170～175 cm，體質量區間為59～72 kg，腰圍區間為72～80 cm。實驗在溫度為(20±2)℃，相對濕度(65±2)%的人工氣候室內進行。并根據消防常見作業，確定褲裝舒適性主客觀評價指標為靜態、抬腿至90°、體前屈90°和完全下蹲狀態下消防服試樣褲裝的動態舒適性。

1.2.1主觀動態舒適性實驗 采用七階標尺[13]對4條實驗褲裝的動態舒適性進行主觀評價，舒適評分值為1～7。其中：1代表相應動作下有嚴重拉扯、緊繃、壓迫等不舒適感；3代表相應動作下明顯感覺有拉扯、緊繃、壓迫等不舒適感；5代表相應動作下輕微感覺有拉扯、緊繃、壓迫等不舒適感；7代表相應動作下感到舒適，無拉扯、緊繃、壓迫等感覺。

1.2.2客觀壓力測試實驗 根據常見消防作業關節活動特點，實驗選擇表征下肢運動的關鍵人體特征點：腹突點(P1)、大腿前側點(P2)、膝點(P3)和臀突點(P4)，進行褲裝壓力測試，以更全面客觀地評價關鍵結構部位對消防褲穿著舒適性的影響。每個動作壓力測試時間持續1 min，實驗設備為日本AMI TECHNO CO公司生產的AMI3037氣囊式壓力測量系統，測試頻率為1 s-1，實驗時風速≤0.1 m/s。

1.3 模糊綜合評價方法

模糊綜合評價法[14]以模糊數學為基礎，把定性評價轉化為定量評價，可對受多因素制約的事物或對象做出一個總體的評價。實驗采用模糊數學的方法對消防褲主客觀綜合評價結果進行處理，從中挑選出動態舒適性最優的試樣褲裝。

1.3.1定義模糊集合 ①對象集。4件被評褲裝構成模糊綜合評價對象集：P= {T1，T2，T3，T4}。②因素集。定義褲裝動態舒適性的因素集：U= {U1，U2，U3，U4} = {靜態，抬腿至90°，體前屈90°，完全下蹲}。③評語集。主觀評價時，根據七階評價標尺建立評價集：V= {V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7} = {很差，差，較差，一般，較好，好，很好}；評語賦值：QZ= {1，2，3，4，5，6，7}。壓力評價時，壓力測試均值構成評價集；同時，實驗認為4個測試點在各動作狀態下對樣褲的整體承受壓力貢獻均等，評語賦值：QK= {0.25，0.25，0.25，0.25}。

1.3.2確定各評價因素權重系數 采用專家咨詢法[15]經5位專家對褲裝主客觀評價指標進行權重系數確定。專家從很不重要、不重要、一般、重要到非常重要5個級別進行打分，計算每項指標的得分均值，歸一化處理后，得出褲裝評價指標權重向量：A=(靜態，抬腿至90°，體前屈90°，完全下蹲)=(0.05，0.24，0.12，0.59)。

2 結果與分析

2.1 模糊綜合評價結果

褲裝主客觀舒適性測試中壓力均值為1 min內各評價指標下各測試點的壓力測試平均值。從而可以得到試樣褲裝T1的主觀評價矩陣RT1(經歸一化處理)和壓力評價矩陣RT1′分別為：

依據模糊變換原理Y=A·R，可得到試樣褲裝T1的主觀模糊綜合評價結果YT1和壓力模糊綜合評價結果YT1′分別為：

YT1=(0 0 0 0.048 0 0.570 0

0.362 0 0.020 0)；

YT1′ =(0.003 4 0.054 1 0.586 7 0.053 7)

ST1= 1×0+2×0+3×0+4×0.048+

5×0.57+6×0.362+7×0.02=5.354；

ST1′= 0.25×0.0034+0.25×0.0541+

0.25×0.5867+0.25×0.0537= 0.174。

同理，根據模糊評價模型，最終得到樣褲T1～T4的主觀綜合評價得分S和客觀壓力綜合值S′分別為：

S=(ST1ST2ST3ST4)=

(5.354 5.354 5.182 5.512)；

(0.174 0.269 0.223 0.242)。

由此可初步認為，主觀活動適應性評價方面，試樣褲裝中T4表現最優，T3相對最差；客觀壓力測試方面，樣褲T1表現最優，樣褲T2相對表現最差。褲裝主觀舒適性測試結果具體見表4。

表4 試樣褲裝主客觀測試結果

2.2 正交實驗綜合評價

用極差分析法[16]對正交實驗結果進行分析，根據各因素綜合平均值極差大小確定各因素對著裝舒適度的影響程度。極差越大，說明該因素水平的變動對消防褲動態舒適性的影響越大。試驗褲裝主觀評價結果見表5。

表5 試驗褲裝主客觀評價結果分析

注：k1為各因素1水平對應評價指標值之和的算術平均值；k2為各因素2水平對應評價指標值之和的算術平均值。

由表5可知，主觀評價時，3個因素對消防褲活動舒適性影響程度從大到小依次為：H=K>C。號型為175/76A的褲裝結構最優方案為：立襠深32 cm，臀圍114 cm，膝部加量6 cm；壓力評價時，3個因素對消防褲活動舒適性影響程度從大到小依次為：H>K>C。號型為175/76A的褲裝結構最優方案為：C32 cm，H110 cm，K6 cm。綜合主客觀評價可以看出：臀圍對消防褲舒適性的影響較大，膝部加量和立襠深次之；臀圍是造成褲裝主客觀評價最優方案不同的因素。對比臀圍H1,H2兩個水平下主觀評價綜合得分的算術平均值(k1=5.258，k2=5.433)和客觀評價壓力綜合值的算術平均值(k1=0.199，k2=0.256)，發現H1,H2水平下主客觀評價時k1,k2間差值均較小，因此認為臀圍取值在110～114 cm間均是合理的。所以對于號型為175/76A的消防褲，其最優實驗方案為：C=32 cm，H=110～114 cm，K=6 cm。參考相關人體尺寸實際測量值(股上長C0=25 cm，凈臀圍H0=92 cm)，從而可得到消防褲活動舒適性最佳時，其關鍵結構因子的設計公式為：C=C0+7 cm，H=H0+(18～22)cm，K=6 cm。

2.3 樣衣驗證

根據正交實驗主客觀綜合評價得到的最優實驗方案，取C32 cm，K6 cm，H110 cm制作最優消防褲TO(The Optimal Sample)，并與U公司提供的現役消防褲TP(The Provide Sample)進行動態舒適性壓力驗證，以分析研究結果的實用性。消防褲TO、TP面料的選擇采用3層織物結構，即阻燃外層使用藏青色芳綸3A阻燃面料，防水透氣層使用SPF70阻燃PTFE 防水透濕面料，隔熱層和舒適層使用芳綸粘膠阻燃面料加上芳綸水刺隔熱氈。具體壓力驗證實驗結果見表6。

表6 壓力驗證實驗結果

根據客觀壓力綜合評價模型和表6中壓力驗證實驗結果，得到消防褲TO和TP的客觀壓力綜合評價結果：

YTO=(0.077 5 0.025 1 1.425 6 0.134 4)；

YTP=(0.084 1 0.022 9 1.791 4 0.124 7)

經加權平均得到各樣褲客觀壓力綜合值為：

STO=0.416；

STP=0.506

實驗發現在規定動作下，STO

3 結語

從消防服關鍵結構因素角度，選取立襠深、臀圍和膝部加量為影響褲裝活動舒適性的關鍵結構因子，對消防褲活動舒適性進行進一步優化。實驗設置消防褲號型為175/76A，通過人體著裝實驗和模糊正交評價得到褲裝活動舒適性以臀圍影響較大，膝部加量和立襠深次之。其關鍵結構參數最優的設計方案為：C=C0+7 cm，H=H0+(18～22)cm，K=6 cm。經樣衣驗證，根據最優方案得到的消防褲，其動態舒適性優于U公司現役消防服，研究得到的最佳關鍵結構參數組合具有一定的實踐意義。模糊正交法作為一種關鍵結構參數優化方法可在其他防護服結構優化的過程中加以運用與拓展。

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