消防服的研究進展
——基于Web of Science數據庫的CiteSpace分析

江 舒，田 苗，李 俊,2

(1.東華大學 a.服裝與藝術設計學院；b.現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051；2.同濟大學 上海國際設計創新研究院，上海 200092)

消防服是保護消防員人身安全的重要防護裝備。GA10—2014《消防員滅火防護服》標準規定了消防服須具有4層織物結構，分別為外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。其用途與結構的特殊性決定了它具有較好的耐高溫與阻燃隔熱性能。在復雜多變的火場中，消防服降低了高溫輻射對消防員的直接傷害，保障了作業人員的生命安全與消防工作的效率。隨著工業化進程的深入，消防工作將面臨更多嚴峻的考驗，深入研究消防服有著重要的實用價值。

20世紀50年代，消防服相關研究逐漸系統化[1]。國內外學者[1-5]針對適用于消防服的耐熱阻燃材料及面料的不同組合開展了諸多性能測試研究，目的在于提高消防服整體的熱防護性。目前，除了市場中常見的消防服用面料，如Nomex(芳綸1313)、PSA(芳砜綸)等纖維織物，已有研究[6-10]考慮將相變材料與氣凝膠運用于消防服面料中，結果表明材料可提高消防服的熱防護效率，增加保護時間。然而，高熱阻與低透濕性的特點使長時間處于熱暴露中的消防服及衣下空間蓄積熱量[11]，存在皮膚燒傷風險。人體在熱應力的作用下產生體溫升高、大量排汗等生理反應，甚至出現嚴重的熱應激效應損害人體健康[12]。因此，許多學者探究了穿著消防服作業時的人體生理變化[13]，從調整執行任務的方式[14]、采用多種主動冷卻手段[15]等方面，研究如何降低熱應變，減少消防員受到的傷害。消防服的研究側重防護功能，但活動性與舒適性的需求依然不可忽視。厚重寬大的消防裝備在一定程度上阻礙了人體活動，降低消防作業效率。探究著裝人體活動變化，優化消防服結構與功能設計，使之更符合人體工效學是目前的研究熱點之一[16-17]。

隨著研究體系的完善，消防服研究領域形成了多樣化的研究中心與前沿分支。為更好地理清消防服研究的發展脈絡，可以使用文獻計量法剖析消防服研究現狀。CiteSpace知識可視化軟件是一種知識圖譜繪制工具，可以將一個學科領域的研究發展過程展現于引文網絡圖譜，并標識出作為知識基礎的引文節點文獻和共引聚類所表征的研究前沿[18]。目前，CiteSpace已運用于服裝領域[19-20]，用以考察學科的研究動態，但尚無針對消防服這一具體類別的分析。

本文選取了1991—2018年Web of Science核心合集中有關消防服研究的500余篇文獻，利用CiteSpace軟件進行合作網絡、共現網絡、共被引網絡等可視化圖譜分析。目的在于把握該領域的發展現狀、研究熱點及動態前沿，預測未來發展趨勢，為深入開展相關研究提供參考。

1 數據與方法

1.1 數據來源與處理

本次研究對象為消防服，在Web of Science核心合集數據庫中對主題為消防服的文獻進行檢索，檢索策略如表1所示，共獲得文獻555篇。設置時間跨度為1991—2018年(至2018年10月28日)，包含過去28年的檢索記錄。數據下載為全紀錄與引用的參考文獻純文本格式，便于軟件在合作網絡、關鍵詞共現、文獻共被引分析中的數據處理。

表1 檢索策略Tab.1 Search strategy

用CiteSpace中的數據處理工具對下載的所有數據記錄進行除重，最終過濾出文獻共550篇，用于后續的分析。

1.2 研究方法

將獲得的數據記錄導入CiteSpace5.3.R4。設置參數:時間分區1991—2018年，切片單位1年，主題詞來源默認全選，閾值選擇Top50，不剪枝，可視化默認系統選擇。節點類型分別選擇機構、國家合作網絡、關鍵詞共現、文獻、作者、期刊共被引，單獨繪制可視化圖譜。

軟件生成的圖譜由節點和連線組成。節點代表選擇的作者、國家、機構、被引文獻等元素，連線表示其兩端元素具有合作、共現或共被引的關系。連線與節點顏色表示首次出現或被引的時間。節點外圈顏色代表中介中心性，用以發現與衡量文獻的重要性；中心顏色表示文獻的爆發性。節點大小表征了出現或被引頻次[21]。

2 文獻統計分析

使用Web of Science中“創建引文報告”功能，對555篇文獻進行處理，獲得2 442篇去除自引的施引文獻，分別按出版年進行分析(圖1)。研究期間內，發表文獻數量和施引文獻數量整體均呈增長趨勢。該現象表明有關消防服的學術成果日漸豐富，學者們越來越關注消防安全問題。1991—2000年，發表文獻數量較少，10年內年平均文獻數量低于5篇。施引文獻的數量與變化與發表文獻相似。此時消防服研究還處于起步階段，學者們集中于開發評估消防服熱防護性的測試方法，考察消防員作業時生理及心理的變化。2001—2009年，研究步入發展期。發表文獻數量的年平均增長率為23.3%，其中2007年與2009年存在小幅度的負增長，但在合理的波動范圍內。施引文獻數量的年平均增長率為22.1%，與發表文獻相似。文獻數量呈逐年遞增趨勢，但增長率卻逐年遞減，表明2006—2009年內研究發展速度放緩。2010—2017年，年均發表文獻數量超過40篇，年均施引文獻數量超過200篇，研究進入相對繁榮期。2018年因文獻記錄不完整而不納入分析。

圖1 出版文獻及引文數量Fig.1 Number of published articles and references

使用Web of Science中“分析檢索結果”功能，獲得99種不同的研究方向，主要研究方向為材料科學(38.6%)、工程學(32.8%)、公共環境職業健康(14.6%)、心理學(8.3%)、體育科學(7.7%)等。結果表明，消防服研究廣泛應用于多種領域，常使用材料科學、工程學的研究辦法來改善職業健康，包括消防員的生理與心理問題。獲得文獻來源出版物共270個，主要期刊為Textile Research Journal(5.8%)、Ergonomics(5.0%)、Fire Technology(4.0%)、Journal of Occupational and Environmental Hygiene(3.1%)等，涉及紡織材料、人體工程學、消防技術、職業衛生與醫學等多種領域。前10種主要期刊平均影響因子(Impact factor，IF)為1.951。因此，消防服研究常伴隨著多學科的交互融合，且目前仍圍繞紡織科學和人體工效學兩大主題展開研究工作。然而，IF反映該領域在學術界的認可度并不高，主要是由紡織服裝學科的性質決定(表2、表3)。

表2 主要研究方向文獻數量Tab.2 Main research directions and number of articles

表3 主要期刊文獻數量Tab.3 Number of main publications and articles

3 共引網絡分析

3.1 國家、機構合作網絡

節點類型同時選擇國家和機構，繪制出國家、機構合作網絡圖譜，共80個節點、138條連線，網格密度為0.0437。如圖2所示，中介中心性較強的國家依次為美國(0.18)、中國(0.1)、加拿大(0.1)，在消防服研究領域具有重要影響力。節點與連線顏色表明美國與加拿大開展相關研究工作較早。出版文獻數量與高質量的學術成果反映了美國在消防服研究領域的重要地位。由于美國、加拿大兩國地廣人稀，森林覆蓋面積大，夏季持續高溫干燥的氣候易導致破壞性極大的森林火災，做好消防工作、保障消防員安全一直是當地的熱點問題。中國針對消防服的研究雖然起步較晚，但文獻數量僅次于美國，表現出較高的研究熱度。

國家合作網絡顯示，美、中、加三國之間學術交流密切，且與英國、法國、瑞士等國家建立了合作關系。前5位高產機構依次為東華大學(41)、北卡羅來納州立大學(23)、阿爾伯塔大學(16)、匹茲堡大學(14)與美國職業安全與衛生研究所(13)。除東華大學來自中國外，其他四所均為美國研究機構。機構合作網絡顯示，東華大學、愛荷華州立大學、阿爾伯塔大學、天津工業大學等機構間存在學術合作關系，但整體機構間合作還有待加強。

3.2 核心作者

共被引作者由兩個作者共同被其他文獻引用產生，高影響力作者的學術成果總是被引次數多，中心性高代表該作者的研究內容是研究領域內重要的轉折點。生成的作者共被引網絡圖譜共489個節點，1 987條連線，網格密度0.016 7。圖3顯示了聚類后的圖譜。軟件識別出最大的5個集群依次為熱防護性、熱應力、補液、步態、通風，輪廓值(S值)分別為0.814、0.685、0.872、0.843、0.948，均接近1，表明以上聚類的內部同質性較高，獲得的結果可信。圖3可以直觀地發現，#0熱防護性和#1熱應力是擁有被引作者最多的兩個集群。通過局部放大圖可知，Torvi DA、Song GW、Barker RL和Rossi R是研究消防服及服用面料熱防護性能的核心作者。Holmer I、Mclellan TM、Havenith G、Barr D和Cheung SS在研究穿著消防服時人體受到的熱應力方面有著突出貢獻。

圖2 國家、機構合作網絡Fig.2 National and institutional cooperation networks

圖3 作者共被引網絡Fig.3 Co-cited author network

表4為出現頻次與中介中心性分別排名前5位的共被引作者。出現頻次最高的作者Rossi R主要致力于熱生理模型的研究，還涉及熱防護性能測試、衣下空氣層形態及分布、服裝微氣候中熱傳遞過程等多方面[22-25]。Barker RL研究內容廣泛，主要討論了不同暴露條件下消防服的熱防護性能[26]，以及消防服材料的傳熱與儲熱等內容。Torvi DA不僅具有高出現頻次，且呈現出強中心性，其研究內容具有很高的價值。20世紀90年代末期，他基于小尺寸臺式測試，分析了織物與傳感器間空氣層的對流、傳導、輻射熱傳遞過程，并建立了“織物-空氣層-傳感器”系統一維熱傳遞模型[27]。在此基礎上，Song GW[28]開發了一種數值模型，能夠預測服裝與假人皮膚間空氣層的熱傳遞過程。Cheung SS、Barr D、Simth DL與Meclellan TM均是消防服熱應力研究的核心作者。此外，以上作者致力于降低人體的熱應激反應，常涉及冷卻方法與裝置的研究，因此具有很強的中介中心性。Coca A來自聚類#4步態，他注意到消防裝備對人體活動的限制，專注于消防服活動性與舒適性的研究。分析發現，除Coca A以外的其他作者均來自最大的兩個聚類，高被引頻次與強中心性再次驗證了熱防護性與熱應力是消防服領域最活躍的兩個研究主題。

表4 按頻次和中心性排序的共被引作者Tab.4 Co-authors sorted by frequency and centrality

3.3 共被引文獻分析

特定的研究領域可以被概念化為從研究前沿到知識基礎的時間映射[29]。若將數據庫中獲得的論文作為研究前沿，那么被引文獻則形成了相應的知識基礎。文獻共被引分析方法被廣泛地應用于挖掘特定領域的研究進展。利用CiteSpace提取參考文獻9 948篇，選擇每個時間切片中常被引的前50篇繪制共被引文獻網絡圖譜，共429個節點，1 167條連線，網格密度0.012 7。聚類后，模塊值(Q值)為0.830 3，顯示劃分出的集群結構顯著。網絡平均輪廓值(S值)僅0.296 6，這是由于小規模集群的輪廓值過小導致。主要集群的S值均大于0.5，顯示聚類合理。因此本文以分析有效集群為主，小集群僅作為參考。

CiteSpace依據譜聚類算法提供自動聚類的功能，選擇從標題中提取聚類關鍵詞，使用對數似然比(log-likelihood ratio，LLR)算法提取的關鍵詞表現集群的獨特性，圖4是獲得的聚類網絡。研究主題包括#0物質傳遞、#1多倫多消防員、#2個人冷卻裝備、#4生理職業標準、#5外層服裝組合、#6熱應力、#7消防服、#9相變材料涂層織物，其中#0、#1和#2是軟件識別出的最主要消防服研究主題。最大集群S值為0.819，表現出最高的同質性水平，集群包含66篇參考文獻，平均引用時間為2012年，主要研究消防服的質傳遞過程。從主要文獻及代表作者可以發現，實驗法和數值模擬是研究面料層間及衣下空氣層質傳遞的重要手段。第二大聚類S值為0.803，包含45篇文獻，引用高峰期在2005年。該聚類與熱應力的結構位置相近，表明兩個集群聯系密切。其研究內容是通過研究多倫多消防員作業時的生理變化，衡量人體受到的熱應力水平。#2個人冷卻裝備與#1多倫多消防員存在重疊部分。冷卻裝置是消防服領域的重要研究內容，利用#9相變材料降低人體熱應力被證實為一種有效的方法。改變聚類詞方法，集群#7出現“動作”“步態”等主題，可以確定該聚類主要關注消防服對人體肢體活動及步態特征影響的生物力學研究。

使用軟件的“突發性檢測”功能獲得14篇具有高突發性的參考文獻，表5顯示了前10篇的具體信息。2008年，Keiser C等[30]研究了穿著消防服時出汗假人軀干表面的水分分布與多層織物間的水分傳遞過程。SONG G[31]利用三維人體掃描及逆向工程技術測量了不同消防服下的空氣層，利用燃燒假人評估空氣層與熱防護性的關系。因此，不同功能的假人及三維掃描技術逐漸應用于檢測消防服的性能。

圖4 文獻共被引網絡Fig.4 Co-cited literature network

參考文獻強度時間2000—2018年KEISERC,2008,TEXTRESJ,V78,P6043.38332013—2015SONGG,2007,JINDTEXT,V36,P1935.02232012—2014COCAA,2008,EURJAPPLPHYSIOL,V104,P3513.41872011—2012VONHEIMBURGE,2006,ERGONOMICS,V49,P1114.74192009—2013GIESBRECHTGG,2007,AVIATSPACEENVIRMD,V78,P5614.48992009—2011CHITRPHIROMSRIP,2005,HEATMASSTRANSFER,V41,P2064.74192009—2013BARKERRL,2006,TEXTRESJ,V76,P27,5.37542008—2014DREGERRW,2006,ERGONOMICS,V49,P9113.92492007—2012SELKIRKGA,2004,JOCCUPENVIRONHYG,V1,P5219.25062006—2012ROSSIR,2003,ERGONOMICS,V46,P10175.10242006—2011

突發性文獻被頻繁引用集中在2006—2015年，且這些文獻大多數仍來自最大的兩個主題集群。突發持續時間表明Rossi R、Selkirk GA、Dreger RW和Barker RL發表成果持續高被引達6年以上，而鄰近的幾篇文獻的突發性持續時間大大縮短為2～3年，2015年后未再檢測出具有突發性的文獻。

4 研究熱點與前沿

相較文獻共被引需通過聚類詞和關鍵文獻分析獲得結果，共詞分析獲得的網絡圖譜更加直觀，利于研究者對研究領域的熱點主題進行分析。使用關鍵詞共現方法，可以獲得消防服的熱點主題。CiteSpace提供了兩種提取關鍵詞的方法:第一種是文獻的原始關鍵詞；第二種是從標題、作者關鍵詞、摘要中共同提取并處理后的名詞術語。本文選擇的是第一種方法，可視化方法選擇時區視圖，從時間維度上展現研究的演進。

表6分別顯示了前十位高頻與強中心性的關鍵詞。出現頻次最高的是消防員、防護服，界定了研究領域。其次是性能、運動、熱應力，分別指出了研究的目的、條件與指標。針對消防服的研究主要目的是提高服裝的防護性與舒適性，相關實驗通常是在模擬消防工作的運動中完成；在此過程中，采用生理指標衡量熱應力水平，從中心性列表中也可以獲得溫度、心率等相關指標。另外，對面料本身結構、性能等的研究也必不可少。暴露是中心性最強的關鍵詞，學者們常探究不同暴露條件下的消防服性能，如低輻射熱暴露、高輻射熱暴露、冷暴露等。

表6 按頻次和中心性排序的關鍵詞Tab.6 Keywords sorted by frequency and centrality

根據發表文獻數量，將研究期分為4個時間段(階段Ⅰ，階段Ⅱ，階段Ⅲ和階段Ⅳ)，圖5顯示了四個階段的共現詞網絡，可獲得不同時期的研究主題。

圖5 共現詞網絡Fig.5 Collocate network

1)階段Ⅰ:“防護服”“熱應力”及生理指標是最主要的關鍵詞。熱應激的預測常基于人體熱調節模型，如Stolwijk的25節點模型、Gagge的雙節點模型、15區段的Fiala模型等，預測皮膚溫度、核心溫度等生理參數，評估消防員的熱應激反應。國際標準化組織(ISO)制定了一系列熱應力與熱應激評估的標準[32]。其中，ISO 7243—2017提供了基于WBGT(濕球溫度)指數的評估熱環境的簡單方法。通過人體熱平衡方程計算獲得的熱應激指標(PHS)可用于熱應力與最大暴露時間的分析，這種方法被ISO 7933—2004采用。在極端熱環境中，為了評估暴露于熱環境中的熱應力，ISO 9886—2004規定了生理參數及生理反應的測量方法。此外，Moran DS[33]于1998年提出了基于核心溫度和心率的PSI(physiological strain index)生理應激指標。多次人體實驗驗證了在大多數環境條件和活動水平下，PSI指標可以較好地反應人體的熱應激水平。Havenith G探究了人體生理參數與熱應激反應的關系，在人體皮膚出汗的研究上做出了巨大貢獻。

2)階段Ⅱ:新增了“熱”“暴露”等關鍵詞，以及“閃火”“皮膚燒傷”等次級詞。消防服的熱防護性能的研究主要利用皮膚燒傷等級和達到二級燒傷的時間作為評價指標，常基于皮膚傳熱模型(Pennes生物熱傳遞模型、生物熱波模型)與皮膚燒傷預測模型(Henriques燒傷積分模型、Stoll二級燒傷準則)。皮膚模擬傳感器被開發以更好地模擬皮膚并獲取皮膚表面的熱信息。ISO與ASTM國際標準機構制定的織物熱防護性能測試標準的熱暴露類型包括明火和輻射熱暴露，熱流密度設置在5～84 kW/m2，包含了低熱至高熱多種情況。燃燒假人測試方法實現了三維人體不同部位的燒傷預測，統一規范的實驗方法被納入ASTM F1930—2000與ISO 13506—2008。

3)階段Ⅲ:研究步入繁榮期，水分對熱防護性的影響、空氣層的熱傳遞及負荷下的步態穩定等內容成為消防服研究的熱點。目前，對水分的探究尚處于織物實驗階段，常在熱暴露前潤濕織物或使用蒸汽發生裝置進行研究。內外層織物的水分對熱傳遞的影響有著顯著差異[34]。在6.3 kW/m2低輻射暴露下，含水量為織物質量的15%時，熱防護性最差[35]。這些結論顯示了水分對消防服熱防護性能的復雜影響。衣下空氣層厚度的大小及分布顯著影響傳導、對流和輻射傳熱。非接觸式三維人體掃描被用于獲得衣下空氣層的分布情況，以研究與服裝熱防護性能的關系[31]。由于難以通過實驗獲得空氣層的傳熱過程，學者們建立了一維及多維的空氣層傳熱模型[27-28]。基于面料收縮與運動產生的空氣層厚度的變化，動態的傳熱模型開始確立[36]。在消防服對人體步態影響方面，利用三維動作捕捉系統獲得消防員穿著消防服、消防靴，佩戴自給式呼吸器(SCBA)時的關節活動角度(ROM)，以評估裝備對人體活動性的影響[37-38]。近年來，足底壓力中心(COP)的運動軌跡及速度變化被用于考察穿戴消防裝備后的步態穩定性，提示了負重可能帶來的身體疲勞與骨肌損傷風險[39]。

4)階段IV: 水分對熱防護性能的影響研究顯示出較強的持續性。多種熱暴露條件、多層織物性能、水分分布與含量、空氣層厚度及位置被更多地列入討論。模擬人體的圓柱出汗軀干和出汗假人被廣泛地用于研究高溫液體、蒸汽與低輻射熱對消防服熱防護性的影響[30，40]。由于火災環境的危險性，針對消防服的研究無法使用真人進行測試，數值模擬成為建立熱濕傳遞模型、預測溫度及燒傷的主要手段。由以上演化路徑可知，熱應力是貫穿始終的經典主題。隨著研究的深入，產生了多樣化的學科分支，近年來出現了“微膠囊”“通風”“自然對流”等關鍵詞。由此推測，未來的研究方向將會涉及采用新興科技開發適用于消防服的功能性面料以增加熱防護性能，以及運用通風散熱手段以降低熱應激等方面。

5 結 論

本文利用CiteSpace軟件對1991—2018年消防服研究的相關文獻進行數據可視化處理，剖析了研究現狀與動態前沿。

發表文獻和施引文獻數量整體均呈增長趨勢，局部存在合理波動。近年來，年均發表文獻數量超過40篇，年均施引文獻數量超過200篇，表明消防服已引起學術界的廣泛關注。主要研究領域為材料科學與工程學，期刊涉及紡織材料、人體工程學、消防技術、職業衛生與醫學等學科，反映了較強的學科交叉特點。

美國、中國、加拿大是消防服研究的主要國家。出版文獻數量與高質量的學術成果反映了美國在消防服研究領域的重要地位。東華大學、北卡羅來納州立大學、阿爾伯塔大學作為高產機構，其研究成果具有重要影響力。Torvi DA、Song GW、Barker RL和Rossi R是研究消防服熱防護性能的核心作者。Holmer I、Mclellan TM、Havenith G、Barr D和Cheung SS在消防服熱應力的研究中具有突出成就。

物質傳遞、熱應力、冷卻裝置研究是最重要的主題。基于人體熱調節模型，預測皮膚溫度、核心溫度、心率等生理參數以評估消防員的熱應激反應，包含多層織物、水分含量與分布、空氣層厚度和位置的熱濕傳遞理論日漸確立。數值模擬方法已成為評估消防服熱防護性能的主要手段。未來的研究方向將會涉及采用新興科技開發適用于消防服的功能性面料以增加熱防護性能，以及運用通風散熱手段以降低熱應激等方面。