空氣呼吸器發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究

馮帥頎 馮杰

摘要：空氣呼吸器廣泛應(yīng)用于消防、化工等行業(yè)，供給消防隊員或搶險救護人員在濃煙、毒氣等各種環(huán)境下安全有效地進行滅火、搶險救護等工作。其重要性不言而喻。本文詳細(xì)介紹了空氣呼吸器的發(fā)展歷程，總結(jié)了國內(nèi)外空氣呼吸器的主要特點及使用情況。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合消防救援人員的需求，提出了空氣呼吸器應(yīng)具有高可靠性、高度智能化、可長時間工作等三大發(fā)展趨勢，可以為空氣呼吸器的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：空氣呼吸器;智能化;發(fā)展現(xiàn)狀;趨勢

1 引言

19世紀(jì)30年代煤礦事故頻繁發(fā)生、礦工死亡數(shù)量增多、財產(chǎn)遭受嚴(yán)重?fù)p失，為保障礦工的安全，制造發(fā)明了空氣呼吸器，為礦井事故的救援提供了技術(shù)保障。時至今日，空氣呼吸器已應(yīng)用到有毒有害氣體、化學(xué)污染物、高溫、濃煙、缺氧等環(huán)境下進行作業(yè)和搶救的場合中，為使用者提供呼吸保護，保障生命安全。

20世紀(jì)40年代又發(fā)明了正壓式空氣呼吸器。20世紀(jì)50年代空氣呼吸器配置到市政消防領(lǐng)域。正壓式空氣呼吸器是一種自給式開放式呼吸器。在進行消防救援工作時，消防救援人員佩戴正壓式空氣呼吸器進入工作現(xiàn)場，以應(yīng)對濃煙、有毒有害氣體、蒸汽或缺氧等惡劣條件，從而有效保障消防員的生命安全。

2 空氣呼吸器發(fā)展現(xiàn)狀

2.1空氣呼吸器的發(fā)展歷程

空氣呼吸器的發(fā)展歷程大致可分為三個階段：

第一階段自19世紀(jì)50年代到20世紀(jì)初，隨著工業(yè)化革命的進程，空氣呼吸器成為一種應(yīng)運而生的產(chǎn)品。當(dāng)時的空氣呼吸器為負(fù)壓式空氣呼吸器（面罩內(nèi)壓力低于環(huán)境壓力）。由于當(dāng)時材料科學(xué)研究方面還處于叫低級階段，設(shè)計的產(chǎn)品體積大、笨重、攜帶不方便、壓力低、有效使用時間短。

第二階段自20世紀(jì)初到20世紀(jì)80年代，這個階段是空氣呼吸器發(fā)展的成長階段。在這個階段中，發(fā)明了正壓空氣呼吸器，使得空氣呼吸器發(fā)生了革命性的改變。正壓式因其使用安全系數(shù)高、呼吸感覺舒暢的優(yōu)勢成為空氣呼吸器發(fā)展的主流方向。德國的德爾格（DRAGER）公司和AUER公司在歐洲市場大展身手。1975年P(guān)A80型空氣呼吸器憑借著其在當(dāng)時的技術(shù)優(yōu)勢，成為正壓式空氣呼吸器國際標(biāo)準(zhǔn)制定的參照標(biāo)桿。

德國AUER公司在20世紀(jì)30年代開發(fā)的PA37/1600型空氣呼吸器開始應(yīng)用于潛水作業(yè)。20世紀(jì)50年代的BD55型空氣呼吸器配置到市政消防領(lǐng)域。

第三階段自20世紀(jì)80年代至今。這個階段是呼吸器發(fā)展的成熟階段。傳統(tǒng)空氣呼吸器的設(shè)計原理越趨成熟，空氣呼吸器材料的選用也達到了新的高度，防化學(xué)、防老化、耐高溫的特種橡膠材料成為空氣呼吸器面罩的主要選材。防火或者阻燃的Kevlar芳綸纖維材材料被廣泛應(yīng)用到空氣呼吸器的織帶中，提高了空氣呼吸器的攜帶安全性。航空航天用的高強度碳素纖維也被用到工業(yè)空氣呼吸器的氣瓶增強包輔材中，使得氣瓶的整體質(zhì)量只相當(dāng)于鋼瓶的三分之一左右。

2.2我國空氣呼吸器的發(fā)展歷程

20世紀(jì)70年代末，我國消防、煤礦、石油化工系統(tǒng)開始引進了許多比較先進的空氣呼吸器。當(dāng)時的空氣呼吸器為負(fù)壓式空氣呼吸器（面罩內(nèi)壓力低于環(huán)境壓力）。氣瓶為鋼制氣瓶，氣瓶容量比為1.1-1.2，充氣壓力為20Mpa。

1982年公安部上海消防科學(xué)研究所和上海潛水裝備廠合作，成功研制了我國第一代HZK-7型消防負(fù)壓式空氣呼吸器。1988年，研制出我國第一代正壓式空氣呼吸器。

空氣呼吸器由負(fù)壓到正壓，這是技術(shù)上的重大突破。80年代末，美國梅思安的產(chǎn)品進入中國。90年代中期，美國斯科特公司、法國巴固公司等國外公司產(chǎn)品相繼進入中國，推動了正壓式空氣呼吸器的迅速發(fā)展。

進入21世紀(jì)后，國內(nèi)新興的空氣呼吸器生產(chǎn)商相繼誕生。中國空氣呼吸器生產(chǎn)進入了成熟發(fā)展階段。隨著新技術(shù)，新材料新工藝的大量運用，碳纖維全饒鋁合金內(nèi)膽復(fù)合氣瓶在中國應(yīng)運而生。他的誕生，使正壓式空氣呼吸器整套裝具的佩戴質(zhì)量減輕了30%，從而有效的降低了消防隊員及搶險救援人員的負(fù)荷，保證了滅火戰(zhàn)斗及搶險救援工作的順利進行。2002年公安部消防局及時下達了空氣呼吸器選用鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶，淘汰高強度輕質(zhì)鋼瓶的通知，為空氣呼吸器的發(fā)展提供了強有力的支持。

2.3空氣呼吸器智能化發(fā)展現(xiàn)狀

社會的高速發(fā)展，災(zāi)害險情的復(fù)雜多變，如何最大限度的保證消防救援人員的生命安全和戰(zhàn)斗力，成為空氣呼吸器技術(shù)性能發(fā)展的重要支撐。近年來，基于信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的空氣呼吸器智能化改進，使其從單一使用功能進階到集通訊、顯示、快充、他救于一體的生命保障系統(tǒng)。

目前我國空氣呼吸器技術(shù)水平較發(fā)達國家仍有一定差距，主要體現(xiàn)在以下四個方面：

（1）國內(nèi)產(chǎn)品全面罩及背架部件設(shè)計不夠合理，不夠科學(xué)，國外產(chǎn)品較國內(nèi)產(chǎn)品更注重作業(yè)者佩戴的舒適度，其完全按照人體工程學(xué)原理設(shè)計，相關(guān)部件與面部、背部貼合的非常好，可有效減輕消防救援人員的攜帶負(fù)擔(dān)。

（2）國外產(chǎn)品所用材料更為先進，例如制造全面罩密封框時所使用的材料，國外使用的材料，無論是密封性還是柔軟性，都勝國內(nèi)一籌。

（3）國外產(chǎn)品對供氣閥的設(shè)計更具優(yōu)勢，主要體現(xiàn)為活門靈活、供氣流量大。

（4）國內(nèi)產(chǎn)品智能化程度不高。相較于同類型國內(nèi)產(chǎn)品，國外設(shè)備融入了大量智能元素，如：增加了位移報警、抬頭顯示等功能。

3 空氣呼吸器未來發(fā)展趨勢分析

作為一種十分重要的消防裝備，空氣呼吸器應(yīng)隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展而發(fā)展，以滿足新形勢下滅火救援任務(wù)的需求。其發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：

3.1延長有效使用時間

空氣呼吸器使用時間的長短直接影響消防救援人員救援效率的高低，更長的使用時間也將使得消防員可以在充分熟悉環(huán)境后實施更行之有效的救援，進一步減少人民群眾生命財產(chǎn)損失與消防人員的傷亡。而目前有效延長空氣呼吸器使用時間的方法主要有三種：

其一，增加空氣呼吸器氣瓶的容積，目前最常用的空氣呼吸器氣瓶的規(guī)格為6.8L，為了能夠滿足部分作業(yè)的特殊需求，空氣呼吸器制造商陸續(xù)開發(fā)了8L、9L、12L碳纖維復(fù)合氣瓶，這樣氣瓶容積不斷增大，可有效延長空氣呼吸器的有效使用時間。

其二，提高空氣呼吸器氣瓶的工作壓力。目前常用的空氣呼吸器氣瓶壓力為30Mpa，為了能夠增加氣瓶的儲氣量，通過提高氣瓶的初期壓力也是一個有效的方法;氣瓶壓力從15Mpa提高到20Mpa、30Mpa，儲氣量不斷增加。美國正在開發(fā)5500psi（37.5MPa）的碳纖維復(fù)合氣瓶，這種氣瓶與同容積的現(xiàn)有氣瓶相比可增加多與20%的使用時間，提供了一種解決方案。

其三，在空氣中呼吸器供氣閥或者面罩上，增加一個大氣切換開關(guān)。在使用空氣呼吸器中，當(dāng)外界環(huán)境空氣能夠滿足呼吸條件時，將開關(guān)切換到使用者呼吸環(huán)境中空氣;當(dāng)發(fā)現(xiàn)空氣質(zhì)量不能滿足呼吸條件時，切換到呼吸氣瓶中的空氣，這樣也能延長空氣呼吸器的使用時間。

這三種延長空氣呼吸器的使用時間的方法各有利弊。增加氣瓶容積，雖然可以延長使用時間，但是隨著氣瓶容積的不斷增大，氣瓶外形體積和質(zhì)量隨之增加，使用者的負(fù)荷也隨之增加。另外部分作業(yè)環(huán)境由于空間狹小，使用者根本無法進入使用。提高氣瓶工作壓力雖然可以延長工作時間，但隨著壓力不斷上升，儲氣量與壓力提高不成線性上升，且為了提高壓力需要增添更高壓力的充氣設(shè)備，增加成本。增設(shè)切換開關(guān)，看似相對簡便，使用時將面罩內(nèi)、外空氣隨意切換，也可以延長使用時間的效果，但是由于在切換過程中，需要確定外界環(huán)境空氣質(zhì)量是否可滿足呼吸條件，監(jiān)測環(huán)境氣體質(zhì)量需要額外設(shè)備投入。即使這樣，一旦監(jiān)測不及時或是失效，仍可能導(dǎo)致使用者吸入有毒有害氣體，存在一定的使用安全風(fēng)險。

3.2提高使用安全性

隨著科技發(fā)展，大量新技術(shù)涌現(xiàn)，把其運用于空氣呼吸器的改進創(chuàng)新上，將會大大提高其使用安全性。

考慮到空氣呼吸器使用環(huán)境條件的復(fù)雜性，在保證選用安全可靠空氣呼吸器的同時，在空氣呼吸器的功能方面增加監(jiān)控功能也是大家所關(guān)注的方向。通過無線遙感技術(shù)，作業(yè)監(jiān)護人可隨時追蹤使用者使用空氣呼吸器的情況，例如監(jiān)控空氣呼吸器的氣瓶壓力、剩余可持續(xù)使用時間、使用者的運動感應(yīng)狀態(tài)、使用者的生理體質(zhì)信息、使用者的作業(yè)位置等。

目前市場上的正壓式空氣呼吸器只具備聲響低壓報警功能，氣瓶內(nèi)充裝的高壓空氣經(jīng)減壓后供佩戴者呼吸，呼出的空氣通過呼氣閥排到大氣中。隨著作業(yè)或救援時間的延續(xù)，氣瓶內(nèi)的高壓空氣被不斷消耗，當(dāng)氣瓶壓力低于6MPa時，正壓式空氣呼吸器將聲響報警，然而，在惡劣的工作環(huán)境和高噪音的情況下，可能由于聽不到報警聲而導(dǎo)致因氣瓶所剩氣量不足造成消防員不能安全撤離。使用傳統(tǒng)的空氣呼吸器，佩戴者在使用過程中要想知道氣瓶中的氣壓必須借助光源才能看清呼吸器自帶的指針式壓力表，很難根據(jù)佩戴者實際消耗氣量動態(tài)估算出氣瓶中剩余氣體及可供氣時間，因此在實際應(yīng)用中存在諸多不便。

為了彌補傳統(tǒng)正壓式空氣呼吸器壓力顯示和報警裝置的不足，壓力抬頭可視功能便應(yīng)運而生。壓力抬頭可視功能利用HUD，將工作環(huán)境溫度、氣瓶剩余氣量、剩余使用時間、低氣壓報警等數(shù)據(jù)與功能集成顯示于面罩或安裝在面罩內(nèi)的HUD顯示器上，避免消防員因注意力中斷，導(dǎo)致對火場環(huán)境以及呼吸器狀況的掌控受到影響，顯著提升了空氣呼吸器的使用安全性。

3.3提高智能化程度

近年來，人工智能，5G、物聯(lián)網(wǎng)等一系列新技術(shù)正在深刻影響并改變著社會的方方面面。為面對新形勢下滅火救援任務(wù)帶來的全新挑戰(zhàn)，積極對標(biāo)習(xí)近平總書記對國家綜合性消防救援隊伍“國家隊”“主力軍”的職能定位，運用智能技術(shù)推動消防救援隊伍轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)強能將成為滿足上述需求的不二法門。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，空氣呼吸器將發(fā)展成智能化空氣呼吸器系統(tǒng)?？蓴?shù)字顯示壓力、氣瓶氣量情況、剩余使用時間、環(huán)境溫度、電池電量、與基站相對距離、撤離等信息，以及具有跌倒聲光報警、求救報警、環(huán)境溫度過高報警、低氣壓報警、身份自動讀取等功能。所有監(jiān)控到的數(shù)據(jù)將自動保存并能實時無線傳送給監(jiān)控基站顯示器上。指揮部可在后場接收并監(jiān)控所有使用裝備的人員情況，如有危險發(fā)生可立刻向救援人員發(fā)送單個撤離或全體撤離命令。使空氣呼吸器形成智能化空氣呼吸器系統(tǒng)。真正成為消防救援人員“救民與水火，助民于危難”的“神兵利器”。

4 結(jié)語

作為一種十分重要的消防裝備，空氣呼吸器是消防員執(zhí)行滅火救援任務(wù)時生命安全的重要保障，而在新時期，消防救援人員面臨著新的挑戰(zhàn)與新的職能定位，因此，了解空氣呼吸器的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀、及未來的發(fā)展趨勢十分有必要。本文通過詳述國內(nèi)外空氣呼吸器的發(fā)展歷程，對比國內(nèi)外產(chǎn)品的優(yōu)劣，結(jié)合當(dāng)前滅火救援任務(wù)對空氣呼吸器的要求，提出了正壓式空氣呼吸器后續(xù)發(fā)展應(yīng)具有高可靠性、高度智能化、可長時間工作等特點。目前，隨著國家對消防工作的重視度逐步提高，空氣呼吸器已經(jīng)越來越趨于對高品質(zhì)、定制化、新技術(shù)、優(yōu)質(zhì)服務(wù)的需求。國內(nèi)優(yōu)秀的空氣呼吸器廠家已經(jīng)逐步趕超國外品牌，研制推廣了一系列具有中國特色的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，成為民族空氣呼吸器發(fā)展的生力軍，更好地滿足了消防救援人員的需要，為我國應(yīng)急管理事業(yè)的發(fā)展貢獻“中國力量”。

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