消防戰(zhàn)訓(xùn)工作中負荷監(jiān)控方法應(yīng)用研究

作者簡介：劉天鷺（1999— ），女，漢族，遼寧昌圖人，碩士研究生，研究方向：特種行業(yè)體能訓(xùn)練。

通訊作者：鄒曉峰（1976— ），男，漢族，四川渠縣人，教授，研究方向：運動生物力學(xué)。

基金項目：吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目（項目編號：2024CX160）。

摘要：負荷監(jiān)控方法多應(yīng)用于訓(xùn)練學(xué)、人體工效學(xué)等領(lǐng)域，是對機體在負荷刺激下產(chǎn)生的生理、心理變化的量化。消防救援人員訓(xùn)練強度大，任務(wù)要求高，工作環(huán)境復(fù)雜，通過負荷監(jiān)控可以有效識別機體狀態(tài)，減少消防員傷亡。本文針對國內(nèi)外消防員負荷監(jiān)控開展研究，從負荷監(jiān)控的方法學(xué)視角，論述了以采集心率、體溫等指標為代表的運動負荷監(jiān)控和機體熱應(yīng)變情況等客觀評定方法以及以RPE量表和NASA-TLX量表為代表的主觀評定方法在消防員群體中的應(yīng)用，總結(jié)了相關(guān)評定方法在消防應(yīng)用中的特點與局限性，為消防救援人員負荷監(jiān)控提供建議。

關(guān)鍵詞：負荷監(jiān)控；消防員；客觀評定；主觀評定

引言

消防戰(zhàn)訓(xùn)工作是一項具有挑戰(zhàn)性和高風險的工作。如何科學(xué)、高效、安全地組織消防訓(xùn)練，從而提高消防救援人員工作能力，滿足消防員職業(yè)化需求，是當前消防戰(zhàn)訓(xùn)工作需要關(guān)注的焦點?？茖W(xué)訓(xùn)練具有漸進性、周期性、特異性等特點，其本質(zhì)是通過適宜的負荷刺激機體以產(chǎn)生最佳適應(yīng)。消防戰(zhàn)訓(xùn)工作不僅使消防救援人員產(chǎn)生大量的生理負荷，也累積了很多心理負荷。當前研究主要針對消防員訓(xùn)練和出警中體力活動產(chǎn)生的運動負荷、消防工作特殊性產(chǎn)生的心理負荷以及滅火救援等極端環(huán)境帶來的生理負荷改變等問題，采用以心率、體溫為主的客觀指標和通過主觀用力評價（Rating of Perceived Exertion，RPE）、NASA-TLX（Task Load Index）任務(wù)負荷指數(shù)量表、狀態(tài)焦慮量表等獲得的主觀指標對消防員負荷進行描述和研究。本文研究了負荷監(jiān)控手段在消防救援中的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出優(yōu)化整合現(xiàn)有負荷監(jiān)控方法的模式策略，為高效、安全地組織訓(xùn)練提供參考。

一、客觀評定方法在消防員負荷監(jiān)控中的應(yīng)用

根據(jù)監(jiān)控的方法屬性，負荷監(jiān)控手段可被分為客觀評定和主觀評定兩種?？陀^評定為不以主觀意志為轉(zhuǎn)移的評定，通常通過測定心率、體溫等生理指標，睪酮、皮質(zhì)醇等生化指標以及速度、距離等時空指標對個體所承受的負荷進行量化。生化指標采集和分析較為煩瑣，在消防救援群體中應(yīng)用較少。速度、距離等指標多通過GPS數(shù)據(jù)進行分析，受到空間條件限制，多見于對林火消防員（Wildland Firefighter）的研究。心率和體溫是負荷評定中常用的客觀指標。心率與時間相結(jié)合計算得到的負荷沖量（Training Impulse，TRIMP）可以反映負荷量和負荷強度對機體的實際刺激；心率與核心溫度、時間相結(jié)合計算得到的生理應(yīng)變指數(shù)可以反映熱環(huán)境對機體的影響。

（一）心率在消防員運動負荷監(jiān)控中的應(yīng)用

消防員的運動負荷主要來自體能訓(xùn)練和出警中的體力活動。消防員體能訓(xùn)練作為特種行業(yè)體能訓(xùn)練的重要部分，越來越受到重視。許多學(xué)者嘗試將運動訓(xùn)練學(xué)方法引入消防員訓(xùn)練中，以促進消防員訓(xùn)練計劃的科學(xué)化。心率是運動訓(xùn)練中評定負荷強度的常用指標，可以通過實時心率反映負荷強度，也可以通過運動結(jié)束一段時間內(nèi)心率恢復(fù)情況來反映機體恢復(fù)情況。隨著TRIMP的提出和不斷發(fā)展，基于心率和時間的內(nèi)部負荷算法更加精細化，針對不同專項的TRIMP算法也陸續(xù)被研究應(yīng)用，其被證實具有較好的信效度。

消防員群體負荷的相關(guān)研究既包括對瞬時心率的研究，也包括對實時心率的研究。特定時間點的心率可以反映機體狀態(tài)的變化。Muth等對消防員潛水訓(xùn)練時潛入水中一分鐘、浮出水面前最后一分鐘的心率進行測量，以反映水溫、潛水深度等變量對訓(xùn)練的影響，并證實其能有效反映消防員訓(xùn)練時的負荷情況^[1]。部分學(xué)者嘗試將TRIMP作為負荷監(jiān)控的手段應(yīng)用于消防員的真實工作場景或模擬訓(xùn)練，以探索最符合消防救援行動的負荷監(jiān)控手段。研究中使用了LUCIA TRIMP^[2-3]和Banister TRIMP^[4]算法，均可以反映不同場景下消防員機體負荷的變化。此外，心率恢復(fù)（Heart Rate Recovery，HRR）或心率變異性（Heart Rate Variability，HRV）等的計算可以有效反映機體運動后的恢復(fù)情況。Smith等分析了198名消防員模擬滅火任務(wù)結(jié)束后15分鐘的HRR，發(fā)現(xiàn)15分鐘后其心率為126±23bpm?？梢哉J定，15分鐘的恢復(fù)時間不足以使消防員恢復(fù)至可以再次參與救援^[5]。Marcel-Millet等嘗試使用消防員在模擬救援后5分鐘的HRV來反映消防員穿著不同防護裝備的疲勞情況，發(fā)現(xiàn)HRV不能較好地反映消防員的恢復(fù)情況。有研究認為：運動中測得的HRV準確度較低，在運動訓(xùn)練中，應(yīng)針對運動員清晨測得的HRV數(shù)據(jù)進行分析，以觀測機體對每個訓(xùn)練日的負荷反應(yīng)，這樣可有效防止運動員訓(xùn)練過度。HRV被認為是監(jiān)控運動員疲勞與恢復(fù)情況的有效指標，但尚未有關(guān)于消防員的持續(xù)HRV監(jiān)測研究。

（二）生理應(yīng)變指數(shù)在消防員熱安全預(yù)警中的應(yīng)用

消防員主要承擔火災(zāi)撲救等工作，需要在極端熱壓力下工作，承受來自工作環(huán)境的外部壓力、劇烈體力活動時身體產(chǎn)生的熱量內(nèi)部壓力和防護服對身體熱量損失的限制。較高的負荷水平和較大的生理壓力使得消防員在火場中不僅會產(chǎn)生疲勞，還會發(fā)生熱衰竭等疾病。通過實時生理監(jiān)測手段獲得的心率和體溫等指標可用于計算熱應(yīng)變指數(shù)等，進而監(jiān)測消防員在工作中的熱生理響應(yīng)。熱應(yīng)變指數(shù)（Physiological Strain Index，PSI）是通過計算心率和核心溫度得到的0—10之間的值，可描述無應(yīng)變到非常高應(yīng)變的狀態(tài)，被廣泛應(yīng)用于消防、軍事等領(lǐng)域。測溫膠囊的發(fā)展使得便捷獲取機體核心溫度成為可能。測溫膠囊可以對體溫進行1天—2天的監(jiān)測，其獲得的體溫與直腸溫度高度接近。研究人員不僅對心率進行監(jiān)測以評估運動負荷，還通過使用測溫膠囊獲取受試消防員的核心體溫，共同分析消防員在滅火救援等工作中的生理需求和熱應(yīng)變。研究中，通常采用PSI結(jié)合心率水平或TRIMP共同對消防員滅火救援工作中的負荷進行評定。Rodriguez-Marroyo等結(jié)合PSI和TRIMP分析了滅火過程中不同類型工作的負荷特點；Joseph等使用心率、PSI，并結(jié)合尿比重和加速度計數(shù)據(jù)評估了不同地理條件和天氣條件下消防員的負荷情況^[6]。有研究認為，使用累積熱應(yīng)變指數(shù)（Cumulative Heat Strain Index， CHSI）可以更準確地獲得消防員在工作中的熱應(yīng)變情況，但缺少相關(guān)證據(jù)支撐。由于測溫膠囊成本較高，因此未被廣泛應(yīng)用。有的研究人員使用皮膚溫度計算改良的PSI即自適應(yīng)生理應(yīng)變指數(shù)（Adaptive Physiological Strain Index，APSI），認定穿著防護服會限制皮膚的散熱，導(dǎo)致皮膚血流量增加，加劇熱相關(guān)的疲勞產(chǎn)生。因此，APSI更能反映消防員實際工作時的熱應(yīng)變情況^[7]。我國學(xué)者設(shè)計消防員可穿戴設(shè)備時，對于體溫的采集多為膚溫度^[8]或環(huán)境溫度^[9]。因此，對于消防員皮膚溫度的監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與算法實現(xiàn)應(yīng)當成為研究的重點。

二、主觀評定方法在消防員負荷監(jiān)控中的應(yīng)用

主觀評定方法是指以個體心理活動為主，受心理影響的評定。在消防人員的評估應(yīng)用中，常用的主觀評定方法包括通過RPE量表或NASA-TLX評估生理負荷或整體工作負荷；通過心理學(xué)量表和NASA-TLX量表的子分數(shù)評估消防員工作時的心理負荷；通過心理學(xué)量表監(jiān)控消防員階段性心理健康等。由于消防工作常常需要在高溫等復(fù)雜環(huán)境進行，對可穿戴設(shè)備的材質(zhì)具有較高要求。與之相比，主觀指標方便獲取，可以較好地反映受試者對負荷的主觀感受。

（一）RPE量表在消防員負荷監(jiān)控中的應(yīng)用

訓(xùn)練或任務(wù)結(jié)束后對訓(xùn)練進行評分，可以得到主觀疲勞感覺分數(shù)，即RPE值，用以描述負荷強度。在針對消防人員的研究中，RPE還可以通過與熱感覺投票（Thermal Sensation Vote，TSV）共同計算得到知覺應(yīng)變指數(shù)（Perceptua-Based Strain Index，PeSI），在不使用測溫設(shè)備的情況下獲取消防員火災(zāi)撲救等工作中機體熱應(yīng)變情況，可評估消防員熱環(huán)境的生理應(yīng)變，反映消防員的熱應(yīng)變情況^[10]。PeSI并不能及時、準確地反映消防員機體熱應(yīng)變情況，PeSI不應(yīng)作為高溫工作時消防員工作的唯一衡量標準。Foster等結(jié)合TRIMP理論，提出session-RPE（s-RPE）方法，通過統(tǒng)計訓(xùn)練時間和訓(xùn)練后的RPE值計算得到總體負荷水平。s-RPE法簡單易行，不需要其他裝置就可以量化負荷；該方法還可以反映團隊成員對同一外部負荷的不同反應(yīng)，實現(xiàn)個性化監(jiān)控。因此，針對消防員負荷的研究，需要使用RPE分數(shù)來評估訓(xùn)練或作戰(zhàn)的負荷強度。部分研究還將s-RPE方法應(yīng)用于消防員群體負荷研究中，基于主觀指標對消防員負荷加以量化。s-RPE作為一種較為成熟的運動負荷監(jiān)控方法，在消防員訓(xùn)練負荷監(jiān)控中的應(yīng)用具有良好效果。Bouzigon等使用基于心率的TRIMP和s-RPE對消防員體能訓(xùn)練和救援的工作負荷進行量化，證明s-RPE方法可以良好地反映出消防員工作負荷波動情況^[11]。

（二）NASA-TLX在消防員負荷監(jiān)控中的應(yīng)用

NASA-TLX量表被廣泛應(yīng)用于工作負荷評估的主觀評價量表，多用于人體工效學(xué)領(lǐng)域的研究。該量表包含腦力需求、體力需求、時間需求、努力程度、績效水平、受挫程度等六方面。使用NASA-TLX量表獲取工作負荷，可以對受試者整體工作負荷及構(gòu)成情況進行分析，也可以對子負荷進行單獨分析。例如，Laal等通過分析伊朗消防員的NASA-TLX分數(shù)情況，發(fā)現(xiàn)伊朗消防員承受著較大的體力負荷和心理負荷，并證實了較高心理負荷與消防員工作失誤增加的關(guān)聯(lián)^[12]。若將其應(yīng)用于我國消防員群體，應(yīng)對NASA-TLX的漢化量表進行文化調(diào)適，并進行信效度檢驗，使其更具科學(xué)性。

NASA-TLX量表的腦力負荷維度也是研究人員重點關(guān)注的內(nèi)容。腦力需求是指完成任務(wù)過程中需要付出的腦力活動，相較于使用腦電等進行生理測量，主觀測量方法操作簡單，不對任務(wù)產(chǎn)生侵入性，是最不受環(huán)境影響的腦力負荷測量方法。NASA-TLX量表作為多維量表，在腦力負荷的測量方面具有敏感性和診斷性。在消防救援工作中，為了成功完成工作，消防員需要詳細了解建筑物結(jié)構(gòu)、危險信息位置等，將會產(chǎn)生一定的腦力負荷。Chen 等在研究中通過NASA-TLX量表量化了消防員的腦力負荷情況，證實腦力負荷與尋路需求相關(guān)聯(lián)^[13]。因此，亟須優(yōu)化消防隊伍滅火救援作戰(zhàn)指揮體系，準確、科學(xué)地制定滅火救援行動方案并下達作戰(zhàn)指揮指令，降低消防員作戰(zhàn)中的腦力負荷，減少工作失誤。

三、負荷監(jiān)控在消防救援人員中應(yīng)用的展望

（一）提高消防員戰(zhàn)訓(xùn)工作中的負荷監(jiān)控意識

消防救援隊伍一直以來承擔著防范化解重大安全風險、應(yīng)對處置各類災(zāi)害事故的重要職責。轉(zhuǎn)制后，面對從“單一災(zāi)種”向“全災(zāi)種，大應(yīng)急”的轉(zhuǎn)變，消防員的職業(yè)安全與健康面臨更高的挑戰(zhàn)。一些消防指戰(zhàn)員能力素質(zhì)與轉(zhuǎn)型升級的要求還有差距，一些單位仍然遵循“三從一大”原則，導(dǎo)致消防員訓(xùn)練傷發(fā)病率較高。過往的研究證實了負荷監(jiān)控手段在描述消防員對訓(xùn)練的反應(yīng)和實戰(zhàn)中的危險情況等方面非常有效。為提高消防戰(zhàn)訓(xùn)工作的科學(xué)性，更好應(yīng)對新階段的挑戰(zhàn)，應(yīng)將負荷監(jiān)控理念融入專業(yè)化訓(xùn)練中，作為訓(xùn)練方案設(shè)計與調(diào)整的重要依據(jù)，降低消防員傷亡率。

（二）促進消防員體征監(jiān)測設(shè)備設(shè)計

消防員工作環(huán)境具有危險性，因此需要通過獲取心率、體溫等客觀指標對消防員工作負荷進行量化。客觀指標的獲取通常需要佩戴心率帶、測溫膠囊等體征監(jiān)測設(shè)備。目前在對消防員群體的研究中，一般采用運動監(jiān)控設(shè)備進行監(jiān)控，通常在腕部佩戴心率表或在胸前佩戴心率帶，獲取以心率為主的指標。然而，消防員訓(xùn)練任務(wù)較重，持續(xù)穿著體征監(jiān)測設(shè)備應(yīng)確保其舒適性。同時，消防員需要面對隨時出警的情況，相應(yīng)的設(shè)備應(yīng)具備快速的穿脫結(jié)構(gòu)。如需獲得消防員作戰(zhàn)時的生理指標，應(yīng)確保體征監(jiān)測設(shè)備的工作溫度、濕度可以滿足消防員工作場景以及穿戴位置不會對消防員穿戴個人防護裝備等產(chǎn)生影響。體征監(jiān)測設(shè)備是負荷監(jiān)控的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，相關(guān)學(xué)者需要研究設(shè)計符合消防員工作特點的體征監(jiān)測設(shè)備。

（三）加強消防員負荷監(jiān)控指標的篩選與分析

許多指標都可以反映機體對負荷的影響。對于消防人員這類具有鮮明工作特點的群體，應(yīng)對指標進行篩選，以有效反映消防戰(zhàn)訓(xùn)工作時的負荷變化。對于所采集指標的分析，不應(yīng)局限于對指標本身的分析，應(yīng)探索對指標進行二次計算或?qū)Χ嘀笜诉M行共同分析。例如，在訓(xùn)練學(xué)領(lǐng)域的研究中證實，通過近一周的TRIMP值和前4周TRIMP值計算急/慢性負荷比率是判斷運動員疲勞及損傷程度的敏感性指標。此外，對負荷監(jiān)控數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析時，通過對消防員負荷數(shù)據(jù)的縱向比較和歷史情況的橫向分析，有利于識別消防員訓(xùn)練效果和消防員訓(xùn)練計劃的個性化調(diào)整。篩選消防員負荷監(jiān)控指標，精進指標分析算法，形成消防員負荷監(jiān)控指標體系，是未來相關(guān)研究的重點。

結(jié)語

本文介紹了過往對于消防人員負荷監(jiān)控的相關(guān)研究，從監(jiān)控的方法屬性視角，總結(jié)了客觀評定方法和主觀評定方法在消防人員負荷監(jiān)控中的應(yīng)用現(xiàn)狀，對我國消防救援人員負荷監(jiān)控實施進行展望。為增強我國消防救援人員訓(xùn)練效能，降低消防員職業(yè)損傷，應(yīng)將負荷監(jiān)控理念融入消防戰(zhàn)訓(xùn)工作中，加強消防戰(zhàn)訓(xùn)工作的科學(xué)化實施。同時，應(yīng)結(jié)合過往研究，加強消防員體征監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計，篩選針對性指標和算法，建立消防員負荷監(jiān)控指標體系，促進消防員負荷監(jiān)控實施常態(tài)化。

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