基于信息技術的滅火救援模擬訓練應用研究

摘要：滅火救援模擬訓練在消防訓練中占據較大比重，而滅火救援體能訓練的發展變化也給消防員的職業訓練帶來了許多問題，如訓練強度高但效果差、訓練姿勢不足、長期身體損傷等。為了幫助消防員在體能訓練中取得更好的成績，降低受傷概率，本文以短跑訓練為例，通過人工智能技術和大數據技術，采用較好的消防員運動的身體數據，從生物力學角度建立了人體運動模型，并對消防員進行了相應試驗。實驗結果表明，阻力跑可以提高消防員短跑專項力量素質，同時，在使用阻力負荷進行訓練時，最大速度不應超過無阻力時最大速度的90%。在阻力負荷下訓練時，平均水平最大速度下降了約9%，在這個范圍內訓練消防員可以獲得最佳的訓練效果。

關鍵詞：信息技術；滅火救援；模擬訓練；消防員

一、引言

滅火救援模擬訓練是提高消防員專項表現和滅火能力的重要訓練內容之一。如何在滅火救援模擬訓練中提高消防員的表現并降低受傷率，是消防滅火中的重點問題。傳統的研究方法是讓消防員通過各種體能訓練方法進行重復練習，但這種方法存在訓練結果不確定和訓練損傷率高的風險。隨著數字時代的到來，大數據已經成為分析和比較密集數據的有力工具^[1]，能夠為體能訓練提供大量的數據支持。大數據可以收集消防員訓練前后身體的關鍵信息，并結合相應的體能訓練進行數字化^[2]，將其應用于訓練，以提高消防員的成績。同時，大數據可以收集大量消防員的身體和訓練信息，以指導消防員進行相應的運動訓練。但這項工作所需的數據量太大，給培訓參考帶來了一定的挑戰^[3]。目前，學術界對數字體能訓練的研究較少，主要集中在現代智能運動裝備的應用以及消防員訓練和比賽的數據分析。

智能大數據可以分析消防員的技術和身體狀況，并結合生物力學來提高消防員的訓練水平，以達到良好的訓練效果^[4]。本文的創新之處在于進一步簡化智能大數據分析的數量，在收集消防員的數據信息后，構建一個獨特的人體模型來評估比較消防員的表現，以進一步取得良好的實驗結果。

二、智能大數據下運動員體能數據的整理過程

首先，進行數理統計。在對包括生化指標、負荷強度、負荷等在內的相關指標數據進行整理匯總的基礎上，檢測消防員各訓練過程的具體數據，并采用灰色關聯分析法和漸進評分法對相關數據進行分析，采用SPSS19.0數據處理軟件確定各項指標，此外，建立體能指標評價與監測體系，并完善反饋體系，其中Excel表格處理器中的相關功能用于分析監測數據。

其次，采用灰色關聯分析方法對各體能指標的相關系數和權重值進行分析，驗證指標篩選結果和因素分析結果的有效性^[5]，并結合其特殊性和普遍性。具體操作過程及計算公式如下。

確定生成函數X₀和子函數X₁、X₂、X₃、X_n，得到X_i（k）如下：

三、從生物力學角度計算學員的動作

為了進一步提高消防員在短跑中的表現，降低消防員受傷的可能性，本節使用Visual對人體進行建模和計算，便于在信息技術數據采集后總結出最佳訓練模式的運動姿勢和動作，并提取正確的動作姿勢和角度，為消防員的體能訓練提供參考。該軟件的人體建模計算需要捕捉人體的運動形式。

首先，受試者穿著專業的消防服，分別通過Vicon紅外運動捕捉系統、Kistler力板和Delsys無線肌電圖采集系統采集短跑的運動學、動力學和肌電圖數據。在訓練開始前，消防員像往常一樣充分熱身15分鐘，熱身運動包括靜態肌肉伸展（如壓腿）、動態肌肉伸展（如高抬腿、慢跑和加速跑）。然后正式的消防滅火救援模擬訓練開始。圖1為消防員滅火訓練的短跑周期劃分示意圖。

根據圖1，消防員滅火救援過程可以分為加速和落地等階段，包括地面支撐和反應、人體騰空和加速。為了獲取消防員的動作數據，使用了Vicon處理軟件來處理捕捉到的標記點，需要完整地收集整個動作過程才能有效地進行分析。抓握動作的持續時間包括支撐階段和搖擺階段，以及接觸地面前和離開地板后5個畫面的時間，用來計算短跑運動的動態變化。

（一）從生物力學角度提高消防員體能訓練的實驗

本實驗選取某市的8名消防員作為實驗對象，實驗地點位于消防隊員訓練館內，使用MotionPro X相機及其采集軟件來采集途中跑步運動學的原始數據（40 m），使用SBCAS運動學處理軟件進行處理和分析，使用SPSS18.0統計軟件對最終數據結果進行重復測量方差分析，并使用配對樣本檢驗進行多重比較，起點線、終點線和觀看范圍用尺子和錐形記號筆標出。攝像機被放置在距離起跑線40米的地方，其主光軸距離起跑線35米，攝像機高度為1.2米，場寬為8米，高速攝像機采樣頻率為100 Hz^[6]。

（二）短跑消防員加速階段生物力學特性的實驗

利用信息技術中的連接交互動態法，對人體的腿部的動態參數進行分析，目的是探索短跑的加速階段和最大速度階段中，主動肌肉扭矩和其他被動扭矩之間的相互作用是否存在差異。首先，對消防員進行滅火加速訓練，并在加速階段的擺動階段記錄消防員的髖關節和膝關節運動結果。髖關節和膝關節在加速階段的擺動階段的分力曲線如圖2所示。在起跳過程中，消防員的腿部沒有受到任何的地面反力，因此腿部不會受到觸點力矩的影響。而在臀部，主要受慣量和肌肉力矩的影響。在從落地到50%揮桿的這段時間里，肌肉力矩使臀部克服慣性力矩進行彎曲，在整個身體搖擺過程中，直至雙足離地，肌肉扭矩始終是臀部的拉伸扭矩，而慣性扭矩始終是臀部的彎曲扭矩。對于膝關節而言，在直立狀態下，凈力矩轉化為膝關節的拉伸力矩。在這個位置上，大約有60%的時候，總扭矩會返回到膝關節的彎曲扭矩。當消防隊員從落地到被支持60%的時候，總扭矩與慣性扭矩是一致的，但肌肉扭矩是相對的。結果顯示，膝關節的彎曲和拉伸是連續進行的，其中膝關節的彎曲與拉伸是通過肌力與慣性扭矩的相互抵消來實現的。

（三）應用阻力條件對消防員身體表現的實驗

在完成了連桿相互作用動力學和關節力矩的實驗后，本節的內容是研究消防員在施加不同阻力和輔助條件下短跑技術的生物力學變化，以了解在哪些條件下消防員可以達到最佳的訓練效果。本節的實驗測試了消防員在0、10.6%體重、14.1%體重和16.2%體重的阻力負荷下的身體表現。首先，使用SBCAA和CAI SYSTEM-SBCAS運動學處理軟件來獲得獲取的圖像數據，并獲得18個關鍵點的X和Y坐標。通過這18個關鍵點，人體被定義為14個環節，利用德國人體慣性參數確定了人體總重心的位置坐標，并利用信息技術對試驗數據進行采集。實驗數據用平均值表示標準偏差（x ± SD）。表1是本節實驗的步態指數。

如表1所示，結果表明，與消防人員步數有關的各項指數均達到了顯著性水平，其中a=0.008。在奔跑加快時期和最大速度時期，跑速、支撐期和步長上存在著明顯差異，但在步態周期持續時間、步態頻率和搖晃期上，差異并不明顯。步態周期持續時間和步態頻率的P值均小于0.05，但由于以上六個步態指標屬于同一數據，其信息技術數據之間可能存在相關性，這可能會對數據產生一定的影響。因此，通過Bonferroni對 alpha=0.008的顯著水平進行了修正以消除該效應。結果顯示，步態周期持續時間和步態頻率之間以及加速階段和最大速度階段之間沒有統計學上的顯著差異。

（四）步長和步頻分析

根據對試驗后的消防員步長和步頻的分析，發現隨著阻力負荷的增加，步長逐漸減少，而步頻沒有明顯變化。

當阻力負荷為0時，消防員（n=8）的平均步長為2.22±0.23 m；當阻力負荷為10.6%體重時，平均步長為1.97±0.13 m，平均步長減少了11.3%，存在顯著差異（P=0.03）。當阻力負荷為14.1%體重時，平均步幅為1.77±0.18 m，平均步幅減少了20.3%，差異顯著（P=0.001）；當阻力負荷為16.2%體重時，平均步幅為1.64±0.07 m，平均步幅減少了26.1%，差異顯著（P=0.001）。在不同的阻力負荷下，消防員步頻沒有明顯變化，P值均大于0.05，沒有明顯差異。對于短跑來說，消防員在跑步過程中盡量保持身體的平衡，不使身體向后或向前旋轉。當增加阻力負荷時，會產生額外的后旋力矩。為了克服消防員產生額外的后旋力矩，消防員會調整身體姿勢，即通過將身體重心前移來抵消拉力所產生的額外力矩。整個步態周期時間被100%歸一化，并對髖部、膝部、踝部和大腿的連接角度進行了整體分析。結果顯示，隨著阻力負荷的增加，髖關節角度有下降的趨勢，而膝關節、踝關節和大腿關節的角度隨著阻力負荷的增加沒有明顯的變化。此外，在踢離地面的瞬間，軀干連接的角度隨著阻力負荷的增加而減少。

當阻力負荷為0時，主干鏈路的角度為-8.6±4.0度；當阻力負荷為10.6%體重時，與阻力負荷為0%體重時相比，主干鏈路角度為-17.8±3.6度（P=0.011）；當阻力負荷為14.1%體重時，主干鏈路角度為-25.2±7.8度，與阻力負荷為0%體重時的軀干連線角相比有顯著差異（P=0.001）；阻力負荷為16.2%體重時，軀干連線角為-25.9±3.4度，與阻力負荷為0%體重時的軀干連線角有顯著差異（P=0.001）。

四、結束語

本文使用智能大數據對消防員的數據進行收集和分析，研究了消防員滅火訓練不同階段的動力學和運動學。研究發現，在進行阻力負荷訓練時，隨著阻力負荷的增加，消防員的水平速度會下降，平均水平最大速度下降了約9%，任何超過這個范圍的增加都會對訓練成績產生負面影響。因此，在阻力負荷訓練時，最大速度不應超過無阻力時最大速度的90%。

作者單位：王廷喜 宣城市宣州區消防救援大隊

參? 考? 文? 獻

[1]章竹喬.虛擬現實技術在滅火救援模擬訓練中的應用分析[J].中國設備工程，2023（05）：21-23.

[2]趙龍.虛擬場景生成系統在滅火救援訓練中的實施對策[J].今日消防，2021，6（11）：28-29，33.

[3]淡默，汪彤.虛擬現實技術在城市應急救援訓練中的應用[J].安全，2015，36（01）：11-14.

[4]孫悅，李國鑫，楊興爽.提高基層消防中隊滅火救援戰斗力的方法研究[J].今日科苑，2014（05）：92-95.

[5]楊帥.提升消防救援隊伍滅火救援實戰化建設的探究[J].消防界（電子版），2022，8（06）：75-76，79.

[6]羅中敏.關于提高消防部隊滅火救援作戰能力對策的探討[J].江西建材，2016（05）：298，300.

王廷喜（1981.07-），男，漢族，安徽淮南，宣城市宣州區消防救援大隊大隊長，研究方向：滅火救援。