內(nèi)穿服裝對消防員熱生理和心理反應的影響

王詩潭，江 舒，王云儀,2

(1.東華大學 服裝與藝術(shù)設(shè)計學院，上海 200051；2.上海市紡織智能制造與工程一帶一路國際聯(lián)合實驗室，上海 200051)

消防員執(zhí)行救援任務(wù)時，需穿著消防服以保護人體免受高溫、火焰、熱輻射等多種熱災害威脅。然而，厚重且多層的消防服在提供防護性的同時，也增加了人體生理代謝產(chǎn)熱并阻礙水蒸氣和體熱的散失[1]。長時間的熱量蓄積會使人體產(chǎn)生體溫升高、大量出汗、心率過快等生理反應，甚至出現(xiàn)熱應激[2]。

為緩解消防服產(chǎn)生的熱負荷，研究人員從改進消防服面料性能[3]、服裝細部結(jié)構(gòu)設(shè)計以及采用多種主動冷卻手段等方面[4]，研究了如何保障消防員的熱舒適和作業(yè)安全。研究結(jié)果表明，消防員出汗時，75%的汗液蓄積在消防服內(nèi)層的舒適層和內(nèi)穿服裝中[5]。內(nèi)穿服裝作為消防員貼身穿著的服裝，會影響人體-內(nèi)穿服裝-消防服內(nèi)層間的熱濕傳遞，改變衣下微環(huán)境的溫濕度以及汗液分布，進而影響人體的熱生理反應。此外，內(nèi)穿服裝直接與皮膚接觸，會影響著裝人體的心理反應，如熱感覺、濕感覺、黏附感等，因此，在不影響防護性的前提下，選擇合適的內(nèi)穿服裝對改善消防服內(nèi)熱蓄積以及消防員的熱反應具有重要作用。

有研究人員測試了閃火環(huán)境下消防服內(nèi)穿服裝的材質(zhì)差異對防護性的影響[6]。結(jié)果顯示，內(nèi)穿服裝的材質(zhì)不會對服裝套裝的防護性產(chǎn)生顯著影響，天然和合成纖維混紡材質(zhì)在熱暴露后的熔融現(xiàn)象也沒有呈現(xiàn)明顯差異。Chou等[7-8]研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)穿短褲時人體的耐受時間相比內(nèi)穿長褲時增加了10%～15%，核心溫度下降約0.4 ℃。此外，Wang等[9]測試了純棉、滌綸/棉和亞麻材質(zhì)的內(nèi)穿服裝對人體熱感覺、濕感覺和黏附感的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，內(nèi)穿滌綸/棉材質(zhì)的服裝產(chǎn)生了最強烈的熱感覺和濕感覺。

上述研究提供了內(nèi)穿服裝覆蓋率和材質(zhì)對人體熱反應影響的理論基礎(chǔ)，但其內(nèi)穿服裝樣本脫離了消防員的實際情況，不利于為消防員內(nèi)穿服裝的選擇和優(yōu)化設(shè)計提供直接有效的建議。為提高研究結(jié)論的針對性和應用性，有必要先對消防員實際穿著的內(nèi)穿服裝類型進行確定，再進行實驗測評。

課題組前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段消防員熱反應的測試和評價指標都趨于全面化和精細化[10]。然而，目前對于各項評價指標的分析大都是獨立進行，缺乏分析各項指標間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)及效應權(quán)重，以及各指標驅(qū)動機體熱反應的內(nèi)在映射關(guān)系。這不利于在融合多維度信息的基礎(chǔ)上對消防員的熱反應進行綜合評價，以及對消防員內(nèi)穿服裝的選擇和設(shè)計提供針對性的建議[11]。

為此，本文首先通過調(diào)研確定現(xiàn)役消防員普遍穿著的內(nèi)穿服裝類型，開展著裝人體熱反應實驗，測量人體在不同著裝條件下的熱生理反應和心理反應；其次，采用層次分析的綜合評價方法，挖掘各項評價指標間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)及效應權(quán)重，以期為消防員內(nèi)穿服裝的選擇和開發(fā)設(shè)計提供理論指導。

1 人體熱生理和心理反應測評

1.1 實驗設(shè)計

1.1.1 實驗樣本

為獲得消防員內(nèi)穿服裝的穿著現(xiàn)狀，對安徽省和湖北省4個基層消防中隊的203名消防員的內(nèi)穿服裝類型進行調(diào)研。

受訪消防員內(nèi)穿服裝統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示。高頻詞依次為作訓服、迷彩服、棉質(zhì)、常服和防靜電。24.27%的受訪者選擇迷彩服作為內(nèi)穿服裝，21.62%的受訪者選擇穿著作訓服，13.12%的受訪者選擇穿著棉質(zhì)服裝，10.45%的受訪者選擇穿著常服(個人服裝)，9.6%的受訪者選擇穿著防靜電材質(zhì)服裝，如Nomex?IIIA作業(yè)服。

圖1 內(nèi)穿服裝統(tǒng)計結(jié)果詞云圖

根據(jù)消防員內(nèi)穿服裝的調(diào)研結(jié)果，以作訓服、迷彩服、棉質(zhì)和防靜電這4個高頻詞為基礎(chǔ)，設(shè)計了4組內(nèi)穿服裝，如圖2所示。第1組是現(xiàn)役作訓服，由棉/滌綸短袖和棉/滌綸短褲構(gòu)成；第2組是現(xiàn)役迷彩服，由棉/滌綸短袖和棉/滌綸長褲構(gòu)成；第3組由純棉短袖和Nomex?IIIA長褲構(gòu)成；第4組由純棉短袖和純棉短褲構(gòu)成。

圖2 4組內(nèi)穿服裝及消防服套裝示意

4組內(nèi)穿服裝的基本參數(shù)如表1所示。

表1 4組內(nèi)穿服裝的基本性能參數(shù)

4組內(nèi)穿服裝外穿著統(tǒng)一的消防服、消防靴、消防頭盔和消防手套(見圖2(e))，構(gòu)成了4組實驗樣本。為便于描述，下文中的4組實驗樣本分別使用S1、S2、S3和S4表示。

1.1.2 熱濕阻測試

使用34區(qū)段獨立控溫的Newton出汗暖體假人分別測試4組實驗樣本的總熱阻(It)和總濕阻(Ret)。熱阻測試按照ISO 15831—2004b《服裝-生理反應-使用熱假人測試服裝的熱阻標準》。設(shè)置氣候艙溫度為(22±0.5)℃，相對濕度為(30±10)%，風速為(0.4±0.1)m/s。采用假人的恒皮溫控制模式，設(shè)定各區(qū)段溫度為(35±0.2)℃。每組實驗樣本進行3次重復實驗(誤差控制在4%以內(nèi))，結(jié)果取平均值。

濕阻測試參照ASTM 2370—2015《使用出汗假人測試服裝的濕阻標準》。采用等溫法，設(shè)置環(huán)境溫度為(35±0.5)℃，相對濕度為(50±5)%，風速為(0.4±0.1)m/s。假人各區(qū)段溫度仍設(shè)置為(35±0.2)℃，出汗量設(shè)置為800 mL/(h·m2)。每組實驗樣本進行3次重復實驗(誤差控制在25%以內(nèi))，結(jié)果取平均值。

4組實驗樣本的It和Ret如圖3所示。采用單因素重復測試方差分析檢驗4組實驗樣本的It和Ret是否存在顯著差異，顯著性水平設(shè)定為P<0.05。如存在顯著差異，再使用邦費羅尼檢驗進一步確定存在顯著差異的樣本。

注：“*”表示樣本間存在顯著性差異。

如圖3所示，4組樣本It的高低排序為：S3、S2、S4、S1。S3的It最大，為(1.97±0.22)clo，顯著高于S1約8.3%(P=0.02)。4組樣本Ret的高低排序為：S3、S4、S2、S1。S3的Ret最大，為(39.67±1.17)m2·Pa/W;S1的最小，為(34.32±1.05)m2·Pa/W，且S3的Ret顯著高于S1和S2(P=0.02,P=0.02)。可見，S3最不利于熱量散失和水分傳遞，S1的熱濕傳遞性能較優(yōu)。S2和S4的It和Ret排序存在差異，這可能與內(nèi)穿服裝的覆蓋率、材質(zhì)及透氣率有關(guān)。此外，比較4組樣本的It和Ret排序，推測內(nèi)穿服裝的覆蓋率對It具有更大影響，而Ret受到內(nèi)穿服裝材料屬性的影響更明顯。

暖體假人實驗提供了4組實驗樣本的物理熱濕傳遞性能，進一步通過熱反應測試評價著裝人體的熱生理反應和心理反應。

1.1.3 受試者

根據(jù)前期調(diào)研獲得的消防員個人基本信息(年齡為(23.28±4.50)歲，身高為(174.68±6.57)cm，體重為(71.76±9.81)kg，BMI為(23.50±1.28)kg/m2)，選擇與消防員體型和體質(zhì)相似的8名男性(年齡為(23.00±3.50)歲，身高為(176.00±2.50)cm，體重為(68.00±5.00)kg，BMI為(23.00±2.10)kg/m2，體脂率為(14.00±4.00)%作為受試者。

1.1.4 評價指標及方法

選擇平均皮溫(Tsk)、心率(HR)、皮膚電反應(GSR)以及主觀舒適度作為評價人體熱生理和心理反應的指標。其中，GSR是汗腺活動或交感神經(jīng)系統(tǒng)變化導致的皮膚電阻波動，單位為μS，可在一定程度上反映人體的出汗程度[12]。

使用Equivital EQ02生理檢測系統(tǒng)實時記錄受試者4點(前胸、右前臂、右大腿和右小腿)的局部皮溫(T前胸、T前臂、T大腿和T小腿)、HR和GSR，并依據(jù)下式[13]計算Tsk：

Tsk=0.3T前胸+T前臂+0.2T大腿+T小腿

根據(jù)ISO 10551—2019《物理環(huán)境的人體工程學-評估物理環(huán)境的主觀判斷量表》，采用5級評價標尺，收集著裝人體的整體不適感(1—舒適，2—輕微不舒適，3—不舒適，4—很不舒適，5—極不舒適)、熱感覺(1—適中，2—溫暖，3—熱，4—很熱，5—極其熱)、濕感覺(1—干，2—略微濕，3—濕，4—很濕，5—極其濕)和黏附感(1—無黏附，2—略微黏，3—黏，4—很黏，5—極其黏)。

根據(jù)消防員感知不適部位的調(diào)研結(jié)果，熱感覺、濕感覺和黏附感還采集了軀干、上臂、前臂、大腿和小腿5個局部的主觀評分。

1.1.5 實驗條件及流程

著裝人體實驗在溫度為(22±0.5)℃，濕度為(30±10)%的氣候艙內(nèi)進行。

實驗流程如圖4所示。正式實驗前，受試者穿戴EQ02生理檢測系統(tǒng)；隨后，受試者在跑步機上以10.5 km/h的速度運動20 min(依據(jù)ISO 7243—2017《熱環(huán)境的人體工程學—使用濕球溫度指數(shù)評估熱應力》，該運動強度屬于高代謝率水平，符合消防員日常訓練或滅火救援任務(wù)的工作負荷)；運動結(jié)束后要求受試者脫掉消防服和消防靴，在氣候艙內(nèi)休息5 min。在此過程中，EQ02生理檢測系統(tǒng)每5 s記錄1次受試者的Tsk、HR和GSR，分別在0、10、20和25 min時記錄受試者的主觀感知評分。

圖4 測試流程示意圖

1.2 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS(版本 22，IBM，Armonk，New York，USA)對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，顯著性水平設(shè)定為P<0.05。對8名受試者的Tsk、HR和GSR和主觀評分求平均值和標準差。

單因素方差分析用于檢驗受試者穿著4組實驗樣本時的Tsk、HR和GSR是否存在顯著差異。如存在顯著差異再使用Bonferroni檢驗進一步確定存在顯著差異的樣本。采用Shapiro-Wilk方法檢驗主觀舒適度數(shù)據(jù)的正態(tài)性，利用球形假設(shè)檢驗方差齊性，隨后選擇Kruskal-Wallis檢驗分析主觀評分的顯著性差異。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 著裝人體熱生理反應

分別對運動和休息階段受試者穿著S1～S4時的Tsk、HR和GSR進行對比分析。

圖5示出整個實驗階段的Tsk。在運動階段，Tsk穩(wěn)步增長，受試者穿著4組樣本的Tsk高低排序結(jié)果為：S3、S4、S2、S1，這與Ret的排序結(jié)果一致。受試者穿著S1時的Tsk最低((36.78±0.57)℃)，比S3低了0.5 ℃(P=0.00)，穿著S2時的Tsk增長率最小，特別是在運動階段的后10 min內(nèi)，穿著S2時的Tsk增長率比S3低了1.8%。進入休息階段，受試者穿著4組樣本的Tsk趨于穩(wěn)定，此時穿著S2的Tsk最低((38.17±0.72)℃))，比S3低了0.3 ℃(P=0.01)。可見，受試者穿著S2時的Tsk增長率最低，隨著測試時間的增加，有助于維持Tsk的穩(wěn)定。

圖5 穿著不同實驗樣本時人體的平均皮溫

圖6示出整個實驗階段的HR。在運動的前5 min內(nèi)，HR迅速增加，增長率為63.05%～70.21%。在運動階段，受試者穿著S2時的HR最低((148.32±2.31)次/min)，比S3低約4.31 次/min(P=0.02)。在休息階段，HR迅速下降，受試者穿著S2時的HR仍最低((107.87±1.45)次/min)，比S3低了3.5 次/min，但4組樣本間沒有顯著差異(P>0.05)。

圖6 穿著不同實驗樣本時人體的心率

圖7示出整個實驗階段的GSR。在運動的最后5 min，GSR增加明顯，增長率為28.11%～38.86%；在休息階段，GSR逐步下降。比較4組實驗樣本，在運動階段，受試者穿著S1時的GSR最低((19.58±2.54)μS)，且比S3小約1.75 μS(P=0.04)。在運動階段的最后5 min，穿著S2時的增長率最小，GSR最小，這與Tsk結(jié)果一致。在休息階段，受試者穿著S1時的GSR最低((24.99±6.68)μS)，穿著S3時的GSR最高((26.68±6.68)μS)，但4組樣本間沒有顯著差異(P>0.05)。

圖7 穿著不同實驗樣本時人體的皮膚電反應

由穿著4組實驗樣本時受試者的Tsk、HR和GSR結(jié)果可看出：短期運動時(運動階段的前10 min)，穿著S1時人體的熱生理負荷相對較小；隨著運動時間的增加，穿著S2時的人體熱生理負荷相對較小。整體而言，穿著S3時的人體熱生理負荷最高，這是由于S3具有最高的熱阻和濕阻值，導致服裝整體散熱散濕難，不利于人體高強度運動和大量出汗時維持衣下微氣候的溫濕度。

2.2 著裝人體主觀舒適度

表2示出整個實驗階段受試者4種舒適度的主觀評分。整體不適感結(jié)果顯示：在運動階段，受試者穿著S3的不適感最強烈，受試者反映內(nèi)穿的純棉短袖在出汗后產(chǎn)生明顯黏附感；在休息階段，受試者穿著S2的不適感最強烈，特別是大腿部位，受試者反映內(nèi)穿的迷彩長褲褲腳開口小，且有束腳設(shè)計，不利于通風散熱。但整個實驗階段內(nèi)，4組樣本的整體不適感評分沒有顯著差異(P=0.91)。

表2 人體穿著不同實驗樣本時的感知舒適度評分

進一步分析整體和局部的熱感覺、濕感覺和黏附感評分。在運動階段，受試者穿著S3時的熱感覺、濕感覺和黏附感均最強烈，特別是前胸、上背和大腿部位；比較而言，受試者穿著S2時的濕感覺和黏附感較弱。由表2可知，穿著S2時的濕感覺得分明顯小于其它3組樣本，這與穿著S2時人體較小的GSR有關(guān)。統(tǒng)計結(jié)果進一步證明，穿著S2時的濕感覺得分顯著低于S3約20.37%(P=0.01)。進入到休息階段，受試者穿著S3時的濕感覺仍最強烈，且顯著強于S1(P=0.03)。4組樣本的熱感覺和黏附感得分沒有顯著差異(P>0.05)。在休息階段，受試者僅穿著內(nèi)穿服裝，S1內(nèi)穿短褲較少的覆蓋率以及滌綸/棉材質(zhì)較優(yōu)的透濕性更有助于人體散熱散濕[14]。

此外，內(nèi)穿短褲(S1和S4)運動時有5名受試者出現(xiàn)了不同程度的小腿擦傷。受試者內(nèi)穿短褲時，未被覆蓋的小腿和膝部有明顯的接觸不適，如摩擦、粗糙和黏附感等，且未覆蓋部位直接與消防靴接觸，在運動過程中對小腿和膝蓋產(chǎn)生壓迫，重復性壓迫導致擦傷。

通過以上對人體不同部位主觀舒適度結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)著裝人體各部位熱感覺、濕感覺和黏附感的敏感度存在差異。其中，軀干的熱濕不適感最強烈，前胸和頸部是熱感覺較明顯的部位，后背是濕感覺較明顯的部位，這與男體出汗圖譜的分布一致[15]。分析原因是：消防服衣領(lǐng)是緊束狀態(tài)，熱量無法散出，在上軀干聚積，造成熱濕不適，而人體的四肢是接觸不適感較明顯的部位，內(nèi)穿服裝未覆蓋的部位，如前臂、膝蓋和小腿等，與消防褲接觸時出現(xiàn)粗糙感和黏附感，小腿與消防靴接觸時的摩擦損傷等。這些結(jié)果說明，后續(xù)對于消防員內(nèi)穿服裝的優(yōu)化有必要考慮功能分區(qū)的設(shè)計手段，如前胸和后背拼接透氣導濕面料，膝部和小腿拼接耐磨面料等。

2.3 基于權(quán)重分析的最優(yōu)內(nèi)穿服裝選擇

表3示出受到內(nèi)穿服裝顯著影響的各項參數(shù)以及每項參數(shù)所表現(xiàn)出的最優(yōu)和最差的樣本。可以看出，4組樣本中，穿著S3時人體的熱生理負荷最高，但穿著S1和S2時沒有呈現(xiàn)統(tǒng)一的結(jié)果。

表3 受到內(nèi)穿服裝顯著影響的參數(shù)及最優(yōu)組合

為實現(xiàn)對S1和S2的綜合評價，利用權(quán)重分析方法，計算各項評價指標間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)及效應權(quán)重，從而獲得S1和S2的綜合得分。考慮到本文存在雙重判斷準則(實驗狀態(tài)層和評價參數(shù)層)，選擇層次分析法組合獨立性分析進行權(quán)重計算，層次模型如圖8所示。

圖8 評價指標層次分析圖

目標層：確定對消防員熱反應影響最小的內(nèi)穿服裝組合。準則層：運動和休息2種實驗狀態(tài)。子準則層：受到內(nèi)穿服裝顯著影響的參數(shù)。方案層：選擇S1或者S2內(nèi)穿的服裝。

準則層權(quán)重以調(diào)研獲得的作業(yè)時長和休息時長的比例作為定權(quán)依據(jù)(運動的權(quán)重為80%，休息的權(quán)重為20%)。子準則層權(quán)重設(shè)定采用獨立性權(quán)重的分析方法[16]，即利用多元回歸的方法計算c1～c4這4種指標參數(shù)的復相關(guān)系數(shù)R，R越大說明重復信息越多，權(quán)重則越小。c1～c4在運動和休息2種狀態(tài)時的權(quán)重值如表4所示。

最終將準則層內(nèi)每項運動狀態(tài)的權(quán)重與子準則層內(nèi)各項參數(shù)的權(quán)重相乘，計算得到S1內(nèi)穿服裝和S2內(nèi)穿服裝的綜合得分，綜合得分較高的即對消防員熱反應影響最小的內(nèi)穿服裝組合。

S1內(nèi)穿服裝的權(quán)重值為：80%×24.34%+80%×24.71%+20%×25.97%=44.43%；S2內(nèi)穿服裝的權(quán)重值為：20%×21.91%+80%×24.75%+80%×26.20%=45.14%

由此可知，整個準側(cè)層對總目標的權(quán)向量為(44.43%，45.14%)，即S2內(nèi)穿服裝的綜合權(quán)重值(45.14%)大于S1內(nèi)穿服裝(44.43%)。

綜上，消防員內(nèi)穿純棉短袖和Nomex?IIIA長褲時的Tsk、HR、GSR值最高且濕感覺最明顯，此時人體的熱生理負荷和不適感最強烈。比較而言，當消防員內(nèi)穿棉/滌綸短袖和棉/滌綸短褲時人體Tsk、HR、GSR和濕感覺的綜合評價結(jié)果最優(yōu)，此時，人體的熱生理負荷最小，且舒適感最優(yōu)。

3 結(jié) 論

消防員內(nèi)穿服裝的覆蓋率、材質(zhì)及透氣率會顯著影響消防服套裝的總熱阻和總濕阻，進而顯著改變著裝人體的平均皮溫、心率、皮膚電反應和濕感覺。

利用權(quán)重分析法，通過判斷平均皮溫、心率、皮膚電反應和濕感覺這4項參數(shù)在評價人體熱反應時的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和效應權(quán)重，對不同著裝條件下人體的熱反應進行了綜合評估。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，消防服內(nèi)穿純棉短袖和Nomex?IIIA長褲時人體的熱生理反應和心理反應皆最差，而內(nèi)穿棉/滌綸短袖和棉/滌綸長褲時人體的熱生理反應及心理反應的綜合評分最高，其中著裝人體的心率比其它3組樣本小4.31 次/min，平均皮溫和皮膚電反應的增長率較低，且濕感覺最不強烈。相比內(nèi)穿短褲，內(nèi)穿長褲沒有顯著增加人體生理負荷，且可有效避免小腿與消防靴或消防褲直接接觸，有助于降低腿部擦傷風險。

此外，著裝人體的熱感覺、濕感覺和黏附感存在區(qū)域差異。其中，前胸、頸部和大腿部位的熱感覺最強烈，后背的濕感覺最強烈，前臂、膝部和小腿部位的接觸不適感最強烈。建議消防員內(nèi)穿服裝的優(yōu)化需考慮功能分區(qū)的設(shè)計手段，如前胸和后背拼接透氣導濕面料，膝部和小腿拼接耐磨面料。

本文研究僅從消防員熱反應的角度對不同類型的內(nèi)穿服裝進行了評估。考慮到消防員需在極端環(huán)境下執(zhí)行復雜的救援任務(wù)，消防服的防護性和活動靈活性也極其重要，后續(xù)研究有必要進一步開展燃燒假人實驗和著裝人體活動性實驗，從防護、熱濕和工效3個方面對消防服套裝性能進行全方位系統(tǒng)評價。