閉式呼吸器人因工程設計思考

俞旭華，徐佳駿，劉文武，趙后雨，李慈，文宇坤，方以群

人因工程學是研究“人-機-環境”系統中人、機、環境三大要素之間的關系，為解決系統中人的效能、健康問題提供理論與方法的科學，又被稱為人體工程學、工效學等［1］。隨著時代和技術的發展，人因工程學越來越多地應用于不同領域［2-4］。國外發達國家將人因設計理念應用于水下閉式呼吸器的工程設計中，并在水下特種作業人員測評和培訓中進行了大量的人因工程學研究，大大提高了水下特種作業安全防護水平和作業效率［5-6］。人因工程學自引入國內后，各高校和科研院所開展了大量的教學及研究工作。如今，以人為因素的產品設計理念也越來越普及，人因工程學在水下特種作戰武器研發和測評過程中得到重視和應用，尤其是在閉式呼吸器的研發和測評中，人因工程學大量應用于產品的升級迭代，在其中發揮著至關重要的作用［7］。

1 閉式呼吸器的組成

閉式呼吸器一般由氣瓶、呼吸轉換閥、呼吸袋、二氧化碳吸收罐、咬嘴和供氣流量閥等組成。氣體經流量控制由儲氣瓶流入呼吸袋，并通過單向閥控制氣體在環路內的循環；呼吸袋隨蛙人的呼吸膨脹或收縮，呼吸袋上設有排氣閥，在過度充盈時可排除過多氣體，尤其是在上浮過程中自動排氣；二氧化碳吸收劑可有效吸收二氧化碳，防止中毒。根據供氣方式不同，閉式呼吸器分為純氧閉式呼吸器和恒氧分壓閉式呼吸器。純氧閉式呼吸器采用純氧供氣，具有供氣時間長、隱蔽性好、重量輕等優點，但由于使用純氧供氣，深度一般不超過7 m，且需嚴格控制水下作業時間，防止發生氧中毒；恒氧分壓閉式呼吸器分別有純氧和混合氣2 個獨立氣源，并根據傳感器實時探測呼吸回路中的氧分壓進行供氣，其氧氣利用效率更高，且潛水深度更大，但結構復雜，對傳感器等電子元器件的質量及性能要求較高［8］。

2 閉式呼吸器外形人因工程學設計

閉式呼吸器外形設計對水下作業效率的影響主要表現在：水下阻力過大，影響蛙人機動作業；水中浮力過大/過小，導致蛙人身體下潛/上浮困難，影響作業能力；水下身體穩度不夠，蛙人難以完成水下精細動作［9］。

2.1 水下阻力 水下阻力是影響蛙人水下機動作業的關鍵指標，它與相對運動速度、接觸面積和水的密度成正比。一般作業時水下相對速度、水的密度變化不大。因此，水下阻力對蛙人作業能力影響的主要因素是水下接觸面積。在閉式呼吸器設計時，如果未充分考慮到水下阻力問題，蛙人進行機動作業時就會受到較強的水下阻力影響，不僅妨礙蛙人水下活動，影響水下作業效率；同時蛙人為了克服水的阻力，還需額外消耗更多體力。因此，在閉式呼吸器外形設計中應充分考慮人因工程學，以減少水下阻力對蛙人機動作業的影響。

2.2 水中浮力 物體在水中的浮沉狀態取決于物體的密度與水的密度。通常情況下，蛙人在水中保持中性浮力或適度負浮力［10］。浮力過大，蛙人須攜帶過量的壓鉛，加速蛙人體能消耗；浮力不足，還需要額外增加正浮力配件，增加了潛水裝具的體積和阻力。因此，在設計閉式呼吸器時，應充分理解并運用好這一規律，最大程度地實現呼吸器自身的中性浮力狀態，以便蛙人能夠根據任務情況進行配重，提高作業效率；此外，除呼吸器整體實現中性浮力外，在各部分設計時也應充分考慮浮力問題，如供氣氣瓶、呼吸管路、面罩等，防止水中浮力過大/過小導致的牽拉，影響作業安全和作業時間。

2.3 水下穩度 蛙人能夠自如地保持身體處于平衡穩定的程度，稱為蛙人的穩度，其主要取決于重心和浮心在人體軸

上的位置關系。蛙人需要采用不同姿勢進行水下作業，如站姿、跪姿、臥姿等，無論采用哪種姿勢，蛙人均須保持水下自身的穩態而不影響作業。閉式呼吸裝置外形設計時，需充分考慮不同作業姿勢下呼吸器的重心與人體重心的關系及水下穩度。如在站姿時，閉式呼吸裝具的重心一般與人體保持平行，此時如果未充分考慮閉式呼吸裝具的水下穩度，可能造成重心偏向一側或過高過低，造成蛙人水下處于失平衡狀態，需要額外消耗體力，這不僅影響作業效率，甚至可能導致潛水事故的發生。

2.4 背負系統適體性 閉式呼吸器背負系統適體性對蛙人水下保持作業姿勢、消耗較少體能、減輕疲勞具有重要意義。傳統的開式呼吸器在設計時充分考慮到人體脊柱結構及水下姿勢對背負結構的要求，因此水中適體性較強。我國閉式呼吸器的設計起步晚，與國外差距較大，尤其是水中適體性方面的研究；此外，閉式呼吸器使用時一般要求一人一裝，同一型號的呼吸器可能無法滿足所有隊員的體型，給實際使用人員帶來不便。因此，在呼吸器外形設計時需反復比測人因工程學來提升呼吸器背負系統適體性。

3 閉式呼吸器結構人因工程學設計

3.1 呼吸阻力 呼吸阻力分為外部阻力和內部阻力，其中外部阻力（呼吸器咬嘴/面罩部位壓力和環境壓力之差）是閉式呼吸器結構人因工程學設計時需充分考慮的因素［11-12］。呼吸阻力包括吸氣阻力和呼氣阻力，兩者是影響蛙人呼吸疲勞的重要參數，直接關系到閉式呼吸器的使用舒適性，須設定在一定范圍內（控制在0.8 kPa 以下）。此外，在設計呼吸袋位置時還需要考慮靜水壓對呼吸阻力的影響。如果呼吸袋高于蛙人肺部，吸入氣體的壓力較小，吸氣阻力增大；反之如果呼吸袋低于蛙人肺部，供氣壓力大，呼氣阻力大。因此，閉式呼吸器設計時應盡可能地使呼吸袋與蛙人肺部位于同一水平線，并盡量靠近蛙人肺部，以減少蛙人在水下不同體位時，由于靜水壓不平衡性導致呼吸阻力的增加。

3.2 呼吸死腔 呼吸死腔是指由呼吸器導致的不能有效換氣的容積。呼吸死腔增大，氣體交換率下降，出現二氧化碳積聚，嚴重時甚至會導致二氧化碳中毒。使用全面罩閉式呼吸器進行作業時，如果在口鼻處與呼吸管路之間形成較大呼吸死腔，呼出氣中二氧化碳可能無法得到充分吸收，導致二氧化碳中毒；此外，如果采用混合氣供氣，吸入氣中氧分壓會下降，出現缺氧現象。因此，在閉式呼吸器結構人因工程學設計時，須充分考慮呼吸死腔對提高潛水作業安全性的重要意義，可以考慮在全面罩內增加口鼻面罩或采用咬嘴呼吸的方式來減少呼吸器的呼吸死腔。一般情況下，應將呼吸死腔控制在230 ml 以下。

3.3 面罩密閉性能及視野 面罩密閉性能及視野關系到整個潛水過程的安全性［13］。著閉式潛水呼吸器作業時，蛙人一般佩戴全面罩。由于每個個體臉型的差異，在設計時必須考慮蛙人的臉型特點，使面罩能滿足大部分蛙人的臉型，提高面罩的適體性。通常情況下，面罩的漏氣系數應不大于0.6。人員頭、眼不動，直視前方所能觀察到的全部空間稱為視野。由于水的影響，蛙人在水中會出現視力下降、視野縮小、空間視覺改變等情況。使用面罩可在蛙人眼部與水之間提供一個氣體空間。但是，使用這些裝具將一定程度地限制周邊的視野并存在一定的失真，影響潛水作業。

3.4 氧分壓與二氧化碳分壓 在設計閉式潛水裝具時，吸入氣中氧和二氧化碳分壓須維持在人體的安全閾值范圍內，一般氧分壓控制在16～160 kPa，二氧化碳分壓控制在1.5 kPa 以下，否則將導致缺氧、氧中毒及二氧化碳中毒［14-16］。此外，設計閉式呼吸器時還需充分考慮勞動時間和強度對人體氧和二氧化碳負荷的影響。水下勞動強度較大時，需要采取相應的補氧措施，使呼吸氣體中的氧分壓保持在安全范圍內，并根據作業需要選擇恒定氧質量、恒定氧比例和恒定氧分壓的供氣方式。隨著作業時間的延長，二氧化碳吸收劑的吸收效率可能出現下降，因此在進行呼吸器設計時還需對吸收劑最大使用時間進行測試，保證吸入氣中二氧化碳分壓始終保持在安全范圍內［17］。

4 閉式呼吸器使用人因工程學設計

4.1 穿脫便捷性 特種作業條件下，閉式呼吸器設計需要兼顧水下作業、水下防護等，因此較休閑潛水使用的呼吸器更加復雜，模塊化配置更加繁多。在進行閉式呼吸器設計時，須考慮到蛙人在使用時穿脫的便捷性，減少準備時間，提高作業效率；同時，蛙人水下作業遇到突發情況時需要卸裝后進行逃生，此時卸裝時間直接關系到蛙人的生命安全。因此，在設計閉式呼吸器的連接裝置時需要重點關注穿脫便捷性。

4.2 標準化設計 閉式呼吸器的功能狀態對保持蛙人部隊的戰斗力具有重要影響，閉式呼吸器使用前后及長期封存期間均需要維護保養，保證其隨時能投入戰斗使用［18］。但是，閉式呼吸器中涉及的備品備件較開式呼吸器項目種類多，型號匹配難度大，甚至出現因備品備件無法及時供應導致作業無法開展的情況。因此，在閉式呼吸器設計時需要兼顧蛙人部隊日常維護保養難的情況，盡量將備品備件進行標準化設計；如特殊部件無法進行標準化，需根據其使用年限及日常使用故障情況確定備品備件。

4.3 材料設計 使用閉式呼吸器進行長時間水下作業時，一般使用全面罩，還需考慮與人體皮膚直接接觸的零部件是否親膚，對于與人體皮膚直接接觸的零部件，如呼吸咬嘴、面罩、鼓鼻裝置等，應采用對人體皮膚無刺激且柔軟的材料，如硅橡膠等，以提高舒適度。在穿脫系統選材時，需要兼顧材料的耐磨性、耐海水腐蝕性及舒適性，選用耐磨、不易腐蝕且符合人體受力均衡的材料。

4.4 其他 蛙人水下作業能力不僅受到呼吸器設計的人因工程學影響，同時還與蛙人本身的能力素質直接相關，包括觸覺敏感性、肌肉力量、穩定性能力、手部敏捷性、追蹤與四肢協調平衡能力、反應時間與警戒能力、認知與情緒調控能力等。國外對蛙人各種能力的測試及相關測評工具的開發研究較為完善，國內在這方面的研究尚缺乏，系統的測評工具也不足［19］。建立系統、全面的水下作業能力與蛙人素質方面的測評系統，可以更好地預測水下作業人員的表現，同時對水下作業人員進行職業訓練也具有非常重要的作用。

5 結語

閉式呼吸器人因工程學設計是蛙人水下作業效率及安全的重要因素，國外在該領域已經開展了大量的研究，通過陸上適配性體驗和水中實潛，進行穿戴舒適性、視閾、視角和穩定性等方面的檢測，實現了對水下呼吸器的科學客觀評價。目前我國水下閉式呼吸器設計研發尚處在起步階段，只是解決了水下呼吸的基本生理需求，在人因工程設計方面尚不完善，給實際使用人員帶來不便，易造成人員疲勞與水下事故的發生。因此，在未來閉式呼吸器設計研發中，需要將人因工程設計引入到閉式呼吸器研發的各個階段，通過大量的比測實現閉式呼吸器人因工程學的實踐突破，提高使用的安全性和舒適性。