靜水水域中模塊化救生裝備設計研究與實踐

摘要：水域救援情況復雜多變，為提高救援效率、降低救援成本、保障人員安全，文章通過分析總結靜水水域救援情況，找出其特征和存在的問題，引入模塊化設計理論作為指導，對水域救生裝備進行深入研究和設計實踐，為其他救生裝備的設計研究提供了有益的經驗和借鑒。

關鍵詞：靜水水域；模塊化；救生裝備；智能化；產品設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2025）01-0108-04

Abstract：In order to improve rescue efficiency，reduce rescue cost and ensure personnel safety，this paper analyzes and summarizes the rescue situation in still water，finds out its characteristics and existing problems，introduces the modular design theory as a guide，conducts in-depth research and design practice on lifesaving equipment in water，and provides useful experience and reference for the design and research of other lifesaving equipment.

Keywords：Still water；Modularity；Life-saving equipment；Intelligent；Product design

一、問題概述

廣義上的靜水水域通常出現在湖泊、池塘、沼澤、河灣和一些較為平緩的河段等地，相較于急流水域，靜水水域的流動能力較低，環境相對平靜，適合進行休閑娛樂、生態環境保護以及漁業捕撈等活動。近年來，這些娛樂、休閑和探險等活動日益頻繁，導致水域發生危險的可能性大大增加。據統計，全球每年因溺水死亡的人數接近40萬，我國每年約有5.7萬人死于溺水，這使得溺水已成為世界重大公共安全問題。水域救生裝備的設計在應對此類事故中扮演著至關重要的角色。大量水上事故的分析結果表明，遇險人員落水后并沒有馬上失蹤或死亡，多數是由于搜救時間太長，無法及時施救，最終不幸失蹤或身亡。如何抓住這幾分鐘的黃金救援時間，并作出迅速高效的反應，成為水域救生裝備需要解決的首要問題。然而傳統的水域救生裝備設計存在一些問題，如功能單一、無法滿足不同救援需求、難以快速響應等[1]。因此，在面對靜水環境頻發事故的情況下，如何通過設計實踐提高水域救生裝備的高效性和安全性，保障人員的生命安全，是值得進一步研究與討論的重要話題。

二、水域救生裝備研究現狀

當前，救生裝備的研發與創新正聚焦于材料科技的突破、功能多元化的擴展以及智能化的深入。新型材料的研發不僅極大提升了救生裝備的輕便性與耐用性，還為救援行動提供了更為可靠的物質基礎。智能化技術的融入，如GPS定位、緊急信號發射等，顯著增強了救援過程中的安全性和效率。在設備設計方面，便攜性的提升和對多樣化環境的適應性，使得救生裝備能夠更好地滿足復雜多變救援場景的需求。此外，應急培訓的深化和國際標準的不斷完善，為救援效率的提升和安全保障提供了有力支撐[2]。整體來看，救生裝備的發展趨勢正朝著更加高效、智能和用戶友好的方向快速演進。其發展過程可以分為3個階段：第1階段由救援裝備協助救援人員進行救援。這時救援人員仍是主要的實施救援工作的對象，但同時救援設備能夠有效地為救援人員提供救援信息與協助。在第2階段，救生裝備與救援人員協同工作，以配合營救工作。在這種情況下，救援設備能夠實現感知、分析、推理、決策和控制等多種功能，并能夠獨立完成救援任務的一部分。在第3階段中，救援設備起到了主要作用，而救援人員只需要輔助。此時應急設備的智能化程度很高，可以獨立完成各種復雜任務[3]。目前，國內外對智能救援設備的研發都向著第3階段積極探索，經搜集整理，對目前已落地的智能救生裝備進行了對比和分析（見表1）。

國外對水域救生裝備的研究已成為一個熱點領域，一些發達國家在水域救生裝備研究方面取得了顯著進展。以德國的Secumar公司為例，該公司在救生救援裝備的研發和生產上表現突出，其自動充氣救生背心采用了先進的設計理念，不僅提高了海上救援行動的效率，而且在實際救援中已經證明了其卓越的性能和可靠性。這些國家的研究者深入理解水域環境的特殊性，以及對救援效率和遇險者生命安全的重視，推動了救生技術的不斷進步。他們結合材料科學和人體工程學的最新知識，致力于開發高效、安全、多功能的水域救生裝備。這種綜合性的研究方法不僅提升了裝備的性能，還促進了水域救生裝備技術的創新和應用，為救援工作提供了更為強大的支持。

國內水域救生裝備的相關研究也在逐步崛起。一些研究機構、學院高校以及相關企業正積極探索新材料和新技術在救生裝備中的應用，不斷改進設計，以應對水域救援工作的復雜性和多樣性。中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所的科研團隊在這一領域取得了突破性進展，成功研發出首個人工智能救生機器人。這一創新產品能夠實時監測水域條件和遇險者位置，大大提高了救援的效率和成功率。面對水域事故頻發和救援需求不斷增長的挑戰，國內研究人員將未來的研究方向集中在提高救生裝備的多功能性、適用性和舒適性上。通過創新的設計和技術應用，他們正不斷優化水域救生裝備的性能，以確保在救援行動中能夠提供更為有效的支持和保障。這些努力不僅體現了對救援技術和裝備的持續改進，也反映了對生命至上的尊重和對公共安全責任的承擔。隨著研究的深入，可以預期，國內在水域救生裝備領域將取得更多具有國際影響力的成果。

三、 模塊化設計理論

（一）模塊化設計原則

模塊化設計的發展可追溯到20世紀50年代，最初起源于軟件工程領域。隨著軟件系統日益復雜，傳統的整體式設計方式已經無法滿足需求，因此需要更有效的方法來管理和組織系統的功能，模塊化設計應運而生。其核心思想是將系統分解成獨立的模塊，每個模塊負責一部分功能，以降低系統的復雜度，提高系統的可維護性和可擴展性[4]。隨著時間的推移，模塊化設計的概念逐漸擴展到產品設計領域。伴隨產品功能的不斷豐富和用戶需求的多樣化，模塊化設計逐漸成為了一種廣泛應用的設計方法。不僅強調產品的創新設計，還致力于提供更優質的服務和用戶體驗。在具體設計應用中，設計師需要遵循一些重要原則：①力求以少量的模塊組成盡可能多的產品。通過合理劃分模塊并進行組合，提高產品的靈活性和適用性。同時確保產品精度高、性能穩定、結構簡單、成本低廉，模塊間的聯系盡可能簡單，以便提高產品的整體性能和用戶體驗。②模塊的系列化。其目的在于用有限的產品品種和規格來最大限度地滿足用戶的各種需求，提高生產效率，降低生產成本，同時確保產品品質的一致性和穩定性。

（二）模塊化設計步驟

模塊化設計作為一種綠色設計方法，將產品的系列化、組合化、通用化、標準化的需求融為一體。救生產品作為一種需要時刻儲備并時常升級的產品來說，模塊化設計的特征與之適配度極高。其優勢在于，一是可以縮短產品的開發和生產周期，增加產品系列，改善產品的品質，迅速適應市場的變化。二是能降低和排除對環境的負面影響，方便產品的重用、升級、維修和拆卸、回收[5]。

在具體的設計應用過程中，模塊化設計遵循一系列嚴謹的步驟，包括需求分析、產品分解、模塊定義、模塊設計、模塊測試和模塊集成等。通過這些步驟，新型技術能夠精確地被整合到各個功能模塊中，從而針對性地解決用戶的具體需求。針對水域救生領域，根據以往的調查研究，時效響應是面臨的最大挑戰。在這一背景下，模塊化設計的運用顯得尤為重要。通過引入模塊化設計，提升救生裝備的靈活性，迅速適應不同的救援環境。緊急情況下，救援人員可以根據實際情況快速組裝或更換所需的救生模塊，從而大幅縮短救援準備時間，提高救援效率。此外，模塊化設計還為救生裝備的升級和維護提供了便利。隨著科技的進步，新型救生技術和設備不斷涌現。模塊化設計使得救生裝備能夠靈活地融入這些新技術，無需對整個系統進行大規模改造，即可實現性能的提升。在維護方面，模塊化設計簡化了維修流程，降低了維修成本，確保了救生裝備的持續可靠運行。

四、模塊化水域救生裝備的設計實踐

（一）調查分析

1.復雜水域環境特征

受天氣、水流情況的影響，水域救援相比于陸地搜救有更多的不可預測性，具有如下幾個主要特征：

（1）可視性不佳。受環境天氣的影響，如霧、雨、飄浮物等會對視線產生遮擋，夜晚或昏暗環境下人眼視線同樣受限。且水面反光、光線折射容易使人產生炫目，并對物體位置判斷產生誤差。這些因素均會影響水上救援活動的順利展開。

（2）氣溫偏低。天然水體的氣溫通常低于自來水，中、高海拔山區則會低于自來水四至八攝氏度，氣溫較低容易造成疲憊，水流則會迅速降低身體的體溫。在靜止狀態下的水流中，人體溫度的消散速率是在空氣條件下的25倍，而在流速為2米每秒的水流中，人體溫度的消散速率是在空氣條件下的250倍。因此，在緊急情況下，要特別重視保持身體的溫度。

（3）水流不穩定。在江河洪流等水域環境，水流不穩定，人容易被攜卷順流而下。且水速越大，不論是落水者還是救援裝備承受的水流壓力也越大，不僅對落水者體力消耗較大，也對營救工作的施展造成一定的困難。

2.用戶需求

根據遇險時所處角色的不同，水域救生裝備的用戶群體可大致分為救援人員和遇險者兩類。

水域救援工作者負責在海洋、湖泊、河流等水域執行緊急救援任務，救助溺水遇險者、處理水上事故和災害等緊急情況。要求具備專業的潛水技能、急救知識和救援經驗，具備應急響應和決策能力，以確保在危險情況下能夠迅速、有效地展開救援行動。這些高危、高難度的專業任務對救援工作者的體能和心理素質提出了較高要求。而現實中，即便訓練有素、經驗豐富的救援團隊也會有難以解決的復雜場面，進行營救的人員也會面臨生命危險[6]。因此，在開展救援行動時，水域救援工作者需在保證自身生命安全的前提下高效安全地履行職責。他們對救生產品的需求主要集中在耐用可靠、舒適適應、具備浮力救援功能、可見性防護性強、智能化便攜性好等方面。

遇險者是在水域遭遇意外情況或身處險境需要救援的人員。由于處于生命危險狀態，水域救生裝備的效率和功能對遇險者的重要性不言而喻。按照需求緊迫程度劃分，救生裝備需要滿足以下4項必要條件：①高浮力。救生裝備需要具有足夠的浮力，確保遇險者在水中保持浮在水面上的狀態，減少溺水風險。②穩定性。救生裝備需要具備良好的穩定性，在水中不易失穩或滑落，確保遇險者在安全位置上。③舒適性。救生裝備應該舒適透氣，確保遇險者長時間使用時不會感到不適，以便后續等待轉移或進行自救。④防水耐用性。救生裝備應該具有良好的耐用性和防水性能，長時間浸泡在水中依然有效，為遇險者提供持久的保護。

綜合調查結果來看，將救援人員和遇險者的需求對比分析，找出兩者對于救生設備的需求共通點（見表2），從而明確了水域救援裝備設計所面臨的4個痛點：

（1）水面遼闊，水下環境不明，遇險人員分散，不利于集中救援，增加救援人員的行動次數。

（2）救生圈等基礎裝備數量有限，不能多人同時使用，且無法追蹤到受難者，難以精準定位。

（3）在救生圈中等待轉移的受難者常面臨體溫下降、缺氧、呼吸困難等生理情況。

（4）救援工作者難以預測環境變化，同樣面臨生命危險。

（二）設計定位

根據前文調研分析，對設計中的各項要素進行分析，從而明確了救生裝備設計的適用環境、使用方式、技術功能等各項要求。

1.適用環境：定位于水域面積大、水流速度較為平穩、離岸較遠救援人員無法到達且視線可追蹤的靜水水域，如景區湖泊、沙灘泳場、遼闊海面、洪澇堵塞聚集水面等。

2.使用方式：采用救生裝備與救援人員協同工作的方式，救援裝備與遇險者直接交互，通過救援工作者在岸上遙控定位、控制救生裝備的運動導航與返航。目的是縮短救援時間、提高救援成功率、避免救援人員直接下水營救，保障其生命安全。

3.技術功能：裝備搭載智能運動攝像機來捕捉救援畫面，同時配有應答接收裝置，以獲得精準的位置和時間信息，幫助岸上救援人員了解遇險者的生命狀況。為了避免因體力消耗或不會游泳而難以接近救援區域的遇險者，一體式救生圈氣壓彈射功能能夠追蹤鎖定裝置周圍的受困人員，為其提供應急救援，再緩慢游至圍合的水域，接受簡易醫療急救，集中等待救援轉移。

（三）模塊化運用

1.模塊化結構劃分

基于模塊化的設計特點，裝備整體外觀采用組合式結構，可以單獨拆分出獨立模塊同時工作。在進行結構造型設計時，要充分考慮水面救援的特殊性，結合動力學等基本原理使得裝備在水面運動時能夠保持自身結構的穩定性，減小水面風浪等對裝備工作狀態的不利影響。大量研究表明流線型設計可以降低產品的水面行進阻力，能夠減小渦旋作用或避免渦旋的形成，進而也減小水面阻力以及沖擊對產品帶來的損耗，提升產品運動時速。通過優化形狀、選擇合適的材料與表面處理技術等方式來降低阻力，提高裝備行進的穩定性和操控性。此外，裝備的穩定性還與其模塊組合形式相關。在產品設計中，三角形結構具有較好的分布和傳遞力的特性，能夠有效減輕受力部件的壓力，防止材料的變形或破壞，具有明顯的穩定性優勢。因此裝備的整體結構將被分為3個模塊，共同組合成為扁平三角形形態。每個模塊可單獨拆卸替換，更靈活地適應不同水域環境，同時便于維修和替換損壞部件，從而降低了維護和運營成本。

2.各模塊功能劃分

通過對遇險者求生需求的分析，該裝備的功能設計能夠確保在水域救援時，最大限度地滿足被救者的生存需求。浮力支撐是首要功能，能夠確保被救者保持在水面以上，使其呼吸道暢通，避免遭受持續性嗆水、溺水?？紤]到多人遇險時基礎救生設備（如救生圈）難以同時滿足需求，需在模塊組合形式下設計模塊組的二次形態變換：通過高壓氣瓶迅速充氣使模塊間連接的折疊氣囊迅速展開，三模塊為頂點、三氣囊為邊長，在水面圍合出一塊可容納多人的浮力承載區域。每個模塊均搭載動力推進裝置，可以幫助遇險者更快脫離危險區域。此外，3個模塊的附加功能區分別承擔不同任務：①加熱設備。能夠幫助遇險者保持體溫，抵抗水流導致的體溫下降。②營養補給。對于遇險者的體力恢復至關重要。③急救醫療。提供簡易氧氣瓶等醫療物資。

工作狀態各模塊作為整體共同營救，協同滿足集中救援、快速響應事故的實際需要，回收檢修階段各模塊可根據受損等實際情況獨立拆解替換。

（四）方案設計

此方案需滿足以下幾點設計要求：

1.滿足救援人員岸上遙控，靈敏度要高，在視線范圍內可追蹤產品運動情況。

2.外觀造型要便于運輸，模塊化設計簡明易懂，易上手操作。

3.配色方案選用醒目鮮艷橘紅色系，便于視線追蹤、落水者發現目標。

4.材質考慮環保、防水；尤其電池組及氣罐處的密封性問題。

5.尺寸結構設計在滿足水面運動浮力情況下考慮人體尺寸，尤其是氣囊救生圈的剖面半徑。

6.高壓氣瓶的位置設計要綜合考慮模塊平衡性與氣體流通方向。

最終呈現的救生裝備設計方案，研究了工程技術在救援裝備功能實現中的應用支持。該方案采用了高效能的流體動力學設計，以優化水下推進系統的性能，確保裝備在復雜水環境中的穩定性和機動性。同時，選用高強度、輕質化的復合材料來構建裝備結構，以提升耐腐蝕性和減輕整體重量。此外，裝備還集成了先進的自動控制模塊，實現了遠程操作的精準性和響應速度，為救援行動提供了可靠的技術保障。該救生裝備由3個獨立而又相互協作的模塊構成，每個模塊均巧妙地劃分為主體和救生圈兩個部分（見圖1）。在色彩設計上，采用了醒目的紅白色調，這種強烈的色彩對比能夠大大提高了救援工作者在緊急情況下對救生裝備行進狀態的辨識度。

當救援中心接收到求救信號的第一時間，岸上的救援人員立即行動，通過手中的遙控器精確操控救生裝置。裝置迅速而穩定地穿越起伏的水面，向散布在水面的遇險者靠近。一旦到達預定位置，救援人員按下模塊分離開關，裝置內的制動機構開始帶動鋼針做直線運動，順勢刺破高壓氣瓶，使得瓶內的高壓氣體迅速噴出，通過單向止氣閥將氣體輸送至折疊狀態的氣囊，位于3個模塊中央的連接氣囊將在瞬間充氣膨脹（見圖2）。這一設計巧妙地利用了氣囊的擴張力，使得3個模塊向各自相反的方向迅速分離，從而在水面迅速圍成一個邊長約2米的等邊三角形救生區域，足以容納8-9名落水者，以便后續救援船只集中轉移落水者。對于集中點較遠的遇險者，各模塊救生圈的彈射機制通過內置的壓縮氣體系統，能以極高的速度向3個不同方向彈射，通過氣體噴射閥門的調節來控制救生圈的彈射方向和彈射距離，使救生圈準確地覆蓋至附近的遇險者身邊，實現定向救援。每個模塊的主體部分均配備了齊全的醫療箱和補給箱，為遇險者等待轉移的間隙提供了基礎的生存保障。

在產品水下部分，裝配了高效的噴泵推進器和高清勘測相機，這不僅保證了救生裝備的快速行進能力，同時也讓救援人員能夠實時監控水下情況，為救援行動提供準確的信息支持。3個模塊的設計充分考慮了流體力學原理，使得它們在水面上運動時受到的阻力降至最低。裝備的厚度約為30cm，總體扁平形態使氣囊展開圍合區域時的穩定性也得到了極大提升，即便在風浪中也能保持穩定，不易被顛覆。此外，模塊的可拆卸設計大大簡化了維修和替換的流程，確保了裝備的長期可靠使用。動力系統采用高速噴泵推進器，救援人員可以根據行進方向的需要，遙控選擇對應模塊的噴泵進行工作，實現靈活而高效的操控。至于救生圈的彈射和氣囊的分離充氣，則選擇了小型、輕便且易于更換的高壓二氧化碳氣瓶，每個氣瓶都能在短時間內產生約30MPA的巨大壓力，迅速完成充氣動作，為救援贏得寶貴的時間[7]。

從事故發生到遇險者接觸到救生裝備，整個過程的時效相較于傳統救援行動大幅縮短，節省了救援工作者親裝上陣的準備時間（見圖3）。救生裝備的快速響應不僅能夠縮短救援時間、提供安全保障，還可以提供心理支持，從而為遇險者的生還提供了全面的幫助和保障。

結論

水域救援所面臨的困難與挑戰復雜多變，本研究對靜水水域救生特征與痛點進行分析總結，引入模塊化設計理論，以遙控追蹤、定向彈射、集中救援為突破點，旨在避免救援人員直接下水營救，提高救援效率和遇險者生存幾率。本次實踐成果不僅對靜水水域中的救援工作具有重要意義，也為其他救生裝備的設計與研究提供了有益的參考和借鑒。

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