水下呼吸器載人試驗評價技術(shù)

顧靖華

（海軍軍醫(yī)大學(xué)海軍醫(yī)學(xué)研究所，上海 200433）

1 引言

隨著國家海洋開發(fā)戰(zhàn)略的不斷深入，民用潛水和軍事潛水的重要性越來越凸顯出來。水下呼吸器是為潛水員從事水下潛水活動提供合適的呼吸氣體，以保障其生命安全的一種必須裝備，其性能的優(yōu)劣直接影響潛水人員在水下的生命安全和作業(yè)能力。為保證水下呼吸器使用的安全性，需要對其開展性能評價，通常包括無人性能檢測和載人試驗評價。無人性能檢測通過特殊的檢測設(shè)備，測試水下呼吸器各個閥件的功能、性能及整機(jī)系統(tǒng)的性能是否滿足指標(biāo)要求，可從實現(xiàn)基本功能、性能的角度對水下呼吸器進(jìn)行評價，具有安全、快速、重復(fù)性好的特點，但不能真實地反映潛水過程中處于應(yīng)激狀態(tài)下潛水員所受的心理、生理等因素的影響，而載人試驗評價能從人機(jī)交互的角度全面反映水下呼吸器的實際使用性能。隨著科技的發(fā)展和以人為本理念的深入，對水下呼吸器的要求不僅局限于滿足功能、性能方面，對使用的安全性、舒適性的要求也越來越高。因此，國際上通常認(rèn)為水下呼吸器在經(jīng)過無人性能測試合格后，還必須要經(jīng)過載人試驗評價。

2 載人試驗評價方法和評價因素

對于水下呼吸器的載人試驗評價，多數(shù)潛水發(fā)達(dá)國家如美國、英國、法國等都根據(jù)自己的特點建立了相關(guān)的評價方法。歸納起來，載人試驗評價可分為工效學(xué)評定、載人性能測試和操作用戶試驗3個部分。

2.1 工效學(xué)評定

工效學(xué)評定是指潛水員在特定的環(huán)境下，通過特定的操作，評價水下呼吸器的適體性、操作性、便捷性和調(diào)節(jié)性等性能。世界上潛水發(fā)達(dá)國家對水下呼吸器的工效學(xué)評定非常重視，其中尤以美國海軍較為完善，要求其水下呼吸器均需經(jīng)過海軍實驗潛水隊的工效學(xué)評定，并對不同類型的水下呼吸器設(shè)置了特定的評價因素和方法。例如，針對M21、suplite17、KM37等水面按需供氣式潛水頭盔，在工效學(xué)評價時，其評價焦點集中在潛水員水下工作時的舒適性、使用性和操作性，主要評價指標(biāo)包括著卸裝時間、潛水時的可操作性、潛水時的視野、休息和勞動時的呼吸阻力、通信時的噪聲等；針對MBS2000閉式氧氣呼吸器及MK16閉式循環(huán)呼吸器，著重于呼吸器在水下時電子控制元器件及電子顯示屏的工效學(xué)評價。英國要求對其所用的水下呼吸器進(jìn)行工效評定，包括常壓環(huán)境和水環(huán)境及模擬英國海上平均溫度下（15℃）的評定。法國海軍也有水下介入中心等對水下呼吸器進(jìn)行工效學(xué)檢測的機(jī)構(gòu)。歐洲的EN250標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定自攜開放式水下呼吸器需經(jīng)過工效學(xué)評定，評價因素包括潛水員在水下使用背托的舒適性、壓力表的可達(dá)性、面罩的視野、潛水中產(chǎn)生的氣泡對視覺的影響、全范圍頭部和手臂運動時呼吸器的性能、微量調(diào)節(jié)閥對呼吸阻力的調(diào)節(jié)性等。在受試者的數(shù)量方面，EN250要求至少需要5名受試者，且每名受試者需進(jìn)行2次潛水試驗；英國針對較復(fù)雜的呼吸器，推薦至少需要8名受試者。在評價尺度方面，各國通常采用量表的方式進(jìn)行評價，如美國將評價尺度分為優(yōu)秀、好、中等、中等偏下、差、極差6個等級，分別對應(yīng)6分、5分、4分、3分、2分和1分。我國在研制水下呼吸器的過程中，通常也會涉及部分工效學(xué)評價內(nèi)容，但尚未形成明確的評定要求和評定方法。

綜合國內(nèi)外情況，水下呼吸器的工效學(xué)評定通常包括常壓環(huán)境試驗和水下環(huán)境試驗。常壓環(huán)境試驗主要是評價水下呼吸器在陸上的著裝和卸裝能力，水下環(huán)境試驗主要是評價水下呼吸器在水中的工效性能。水下環(huán)境試驗通常在可控淺水環(huán)境中進(jìn)行，根據(jù)被測呼吸器的使用環(huán)境設(shè)定相應(yīng)的水溫，受試者佩戴被測呼吸器，分別穿著干式服、濕式服、加熱服或與被測呼吸器配套的潛水服進(jìn)行試驗?？紤]到實際使用過程中不同海域的能見度不同，以及夜間潛水的需要，還應(yīng)在模擬水下能見度為零的情況下開展工效學(xué)評定。在受試者的數(shù)量方面，對于較簡單的自攜開放式水下呼吸器，至少需要5名受試者；對于較復(fù)雜的水下呼吸器，如循環(huán)式呼吸器等，建議適當(dāng)增加受試者的數(shù)量。工效學(xué)評定因素根據(jù)水下呼吸器的類型不同而不同，通常包括陸上和水下的著卸裝能力、水下活動能力、舒適性、靈活性、穩(wěn)性、背帶的安全性和調(diào)節(jié)性能、浮力調(diào)整能力、面罩排水能力、調(diào)壓能力、水下操作和控制閥件的能力、視野清晰度及視野范圍、使用附屬器材（如腳蹼、潛水手表、深度表、潛水刀、指北針等）的便利性、拋卸壓鉛的便捷性等。

2.2 載人性能測試

載人試驗評價的另一個重要內(nèi)容是載人性能測試，主要是通過測試受試者在水下不同運動負(fù)荷、不同姿態(tài)下水下呼吸器的性能指標(biāo)和潛水員的生理指標(biāo)，擴(kuò)展無人試驗結(jié)果，評價在高壓水環(huán)境中浸泡、靜水壓等造成潛水員的生理和行為變化及對呼吸器使用性能的影響。如美國海軍結(jié)合飽和潛水試驗，開展了對KM37的載人性能測試，并測試了水下直立、仰臥、俯臥、跑步、爬梯子情況下潛水員的呼吸功和耗氧量；針對MK16閉式呼吸器，在海洋環(huán)境模擬艙內(nèi)開展了載人性能測試，測試了不同工作負(fù)荷下吸收劑罐的持續(xù)時間，從而評估吸收劑罐的使用效能。英國在完成水下呼吸器工效學(xué)評定后，也要求開展載人性能測試，包括呼吸器吸收劑罐的持續(xù)時間、呼吸阻力、吸氣溫度、呼氣溫度等。我國在水下呼吸器投入使用前，也需要開展載人性能測試，但目前僅局限于設(shè)計單位在加壓艙或水池內(nèi)開展的特定深度下的模擬試驗，主要用來驗證是否滿足設(shè)計深度指標(biāo)，難以全面反映水下呼吸器的性能，也無明確的評定方法和評定要求，與發(fā)達(dá)國家還存在一定的差距。

綜合國內(nèi)外情況，載人性能測試通常是在受控環(huán)境（如高壓水艙）中模擬最大設(shè)計深度的潛水，包括加壓階段、模擬水下停留階段和減壓階段的整個潛水過程。測試指標(biāo)不僅包括水下呼吸器的性能指標(biāo)，還包括受試者的生理學(xué)指標(biāo)。性能指標(biāo)主要包括吸入氣中氧分壓、CO2分壓、吸收罐持續(xù)時間、呼吸阻力、呼吸功等，對這些指標(biāo)進(jìn)行測試可以反映水下呼吸器的機(jī)械性能、呼吸效能和生命支持能力；受試者的生理學(xué)指標(biāo)包括皮膚溫度、核心體溫、心率、通氣量等，通過監(jiān)測生理學(xué)指標(biāo)，不僅可以對受試者的生理狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，還可評估受試者的勞動能力。為保證受試者在載人性能測試期間的安全，通常需要預(yù)先設(shè)定一些關(guān)鍵指標(biāo)的安全范圍，如果測得的指標(biāo)超過這個范圍，需立即終止試驗。例如，吸入氣中的CO2分壓不能超過1.5kPa，以防止CO2中毒；吸入氣中氧分壓一般應(yīng)控制在16～160kPa之間，以保證安全用氧；中等勞動強(qiáng)度下，開放式呼吸器的呼吸阻力不能超過0.5kPa、循環(huán)式呼吸器的呼吸阻力不能超過0.8kPa等。

2.3 操作用戶試驗

載人試驗評價的第三部分是操作用戶試驗。該試驗是對水下呼吸器在工作狀態(tài)下的全過程進(jìn)行測試，一般在開放水域進(jìn)行，主要是評價水下呼吸器在實際工作環(huán)境和實際使用過程中的性能，如受風(fēng)、浪和水流影響后的穩(wěn)性，設(shè)計水深下的通信情況，是否有水下絞纏，上浮速度和上浮姿態(tài)的控制情況等。英國在進(jìn)行水下呼吸器的操作使用試驗時，要求在開放水域，按照水下呼吸器設(shè)定的工作負(fù)荷進(jìn)行耐力游，從而識別呼吸器是否有呼吸軟管塌陷、過度拖曳及潛水員是否有背部和頸部疼痛等問題。我國在水下呼吸器投入使用前，需要進(jìn)行湖上試驗或海上試驗，也屬于操作用戶試驗范疇。

3 結(jié)束語

載人試驗評價可從人機(jī)匹配的角度對水下呼吸器作出比較全面的評價，并能反映不同個體在使用呼吸器過程中由生理學(xué)和行為習(xí)性上的差異導(dǎo)致的不同，為水下呼吸器的研制和改進(jìn)提供人因素依據(jù)，有利于提高水下呼吸器的安全性和作業(yè)效率。我國在水下呼吸器的載人試驗評價方面尚處于初級階段，為縮小與發(fā)達(dá)國家的差距，提出以下建議：

（1）建設(shè)載人試驗設(shè)備。為開展載人性能測試，世界上潛水較發(fā)達(dá)國家如美國、挪威、日本等均研制了載人性能測試設(shè)備，而我國目前僅研制了無人性能試驗設(shè)備，尚無專用的載人性能測試設(shè)備。我國水下呼吸器的載人性能測試一般在高壓水艙內(nèi)進(jìn)行，只能在進(jìn)艙前和進(jìn)艙后對水下呼吸器的性能和潛水員的生理指標(biāo)進(jìn)行測試，無法實時檢測使用過程中呼吸器的性能和潛水員的生理指標(biāo)，無法實現(xiàn)載人性能測試的目標(biāo)。因此，建議盡快建設(shè)完善的水下呼吸器載人性能試驗設(shè)備，為水下呼吸器的載人性能測試提供基礎(chǔ)條件，提高我國水下呼吸器載人性能測試水平。

（2）完善載人試驗評價體系。目前我國水下呼吸器的載人試驗評價處于初級階段，尚未形成載人試驗評價體系。建議開展這方面的研究，系統(tǒng)提出載人試驗評價因素和評價方法，并針對不同類型的呼吸器，建立不同的評價因素和指標(biāo)，從而形成完善的載人試驗評價體系。