基于信息技術(shù)的滅火救援模擬訓(xùn)練應(yīng)用研究

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

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；滅火救援；模擬訓(xùn)練；消防員

一、引言

滅火救援模擬訓(xùn)練是提高消防員專項(xiàng)表現(xiàn)和滅火能力的重要訓(xùn)練內(nèi)容之一。如何在滅火救援模擬訓(xùn)練中提高消防員的表現(xiàn)并降低受傷率，是消防滅火中的重點(diǎn)問題。傳統(tǒng)的研究方法是讓消防員通過各種體能訓(xùn)練方法進(jìn)行重復(fù)練習(xí)，但這種方法存在訓(xùn)練結(jié)果不確定和訓(xùn)練損傷率高的風(fēng)險(xiǎn)。隨著數(shù)字時代的到來，大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為分析和比較密集數(shù)據(jù)的有力工具^[1]，能夠?yàn)轶w能訓(xùn)練提供大量的數(shù)據(jù)支持。大數(shù)據(jù)可以收集消防員訓(xùn)練前后身體的關(guān)鍵信息，并結(jié)合相應(yīng)的體能訓(xùn)練進(jìn)行數(shù)字化^[2]，將其應(yīng)用于訓(xùn)練，以提高消防員的成績。同時，大數(shù)據(jù)可以收集大量消防員的身體和訓(xùn)練信息，以指導(dǎo)消防員進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動訓(xùn)練。但這項(xiàng)工作所需的數(shù)據(jù)量太大，給培訓(xùn)參考帶來了一定的挑戰(zhàn)^[3]。目前，學(xué)術(shù)界對數(shù)字體能訓(xùn)練的研究較少，主要集中在現(xiàn)代智能運(yùn)動裝備的應(yīng)用以及消防員訓(xùn)練和比賽的數(shù)據(jù)分析。

智能大數(shù)據(jù)可以分析消防員的技術(shù)和身體狀況，并結(jié)合生物力學(xué)來提高消防員的訓(xùn)練水平，以達(dá)到良好的訓(xùn)練效果^[4]。本文的創(chuàng)新之處在于進(jìn)一步簡化智能大數(shù)據(jù)分析的數(shù)量，在收集消防員的數(shù)據(jù)信息后，構(gòu)建一個獨(dú)特的人體模型來評估比較消防員的表現(xiàn)，以進(jìn)一步取得良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

二、智能大數(shù)據(jù)下運(yùn)動員體能數(shù)據(jù)的整理過程

首先，進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)。在對包括生化指標(biāo)、負(fù)荷強(qiáng)度、負(fù)荷等在內(nèi)的相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總的基礎(chǔ)上，檢測消防員各訓(xùn)練過程的具體數(shù)據(jù)，并采用灰色關(guān)聯(lián)分析法和漸進(jìn)評分法對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用SPSS19.0數(shù)據(jù)處理軟件確定各項(xiàng)指標(biāo)，此外，建立體能指標(biāo)評價與監(jiān)測體系，并完善反饋體系，其中Excel表格處理器中的相關(guān)功能用于分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。

其次，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對各體能指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)和權(quán)重值進(jìn)行分析，驗(yàn)證指標(biāo)篩選結(jié)果和因素分析結(jié)果的有效性^[5]，并結(jié)合其特殊性和普遍性。具體操作過程及計(jì)算公式如下。

確定生成函數(shù)X₀和子函數(shù)X₁、X₂、X₃、X_n，得到X_i（k）如下：

三、從生物力學(xué)角度計(jì)算學(xué)員的動作

為了進(jìn)一步提高消防員在短跑中的表現(xiàn)，降低消防員受傷的可能性，本節(jié)使用Visual對人體進(jìn)行建模和計(jì)算，便于在信息技術(shù)數(shù)據(jù)采集后總結(jié)出最佳訓(xùn)練模式的運(yùn)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(xùn)練提供參考。該軟件的人體建模計(jì)算需要捕捉人體的運(yùn)動形式。

首先，受試者穿著專業(yè)的消防服，分別通過Vicon紅外運(yùn)動捕捉系統(tǒng)、Kistler力板和Delsys無線肌電圖采集系統(tǒng)采集短跑的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和肌電圖數(shù)據(jù)。在訓(xùn)練開始前，消防員像往常一樣充分熱身15分鐘，熱身運(yùn)動包括靜態(tài)肌肉伸展（如壓腿）、動態(tài)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(xùn)練開始。圖1為消防員滅火訓(xùn)練的短跑周期劃分示意圖。

根據(jù)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(yīng)、人體騰空和加速。為了獲取消防員的動作數(shù)據(jù)，使用了Vicon處理軟件來處理捕捉到的標(biāo)記點(diǎn)，需要完整地收集整個動作過程才能有效地進(jìn)行分析。抓握動作的持續(xù)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(jì)算短跑運(yùn)動的動態(tài)變化。

（一）從生物力學(xué)角度提高消防員體能訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)選取某市的8名消防員作為實(shí)驗(yàn)對象，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于消防隊(duì)員訓(xùn)練館內(nèi)，使用MotionPro X相機(jī)及其采集軟件來采集途中跑步運(yùn)動學(xué)的原始數(shù)據(jù)（40 m），使用SBCAS運(yùn)動學(xué)處理軟件進(jìn)行處理和分析，使用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件對最終數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行重復(fù)測量方差分析，并使用配對樣本檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較，起點(diǎn)線、終點(diǎn)線和觀看范圍用尺子和錐形記號筆標(biāo)出。攝像機(jī)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(jī)高度為1.2米，場寬為8米，高速攝像機(jī)采樣頻率為100 Hz^[6]。

（二）短跑消防員加速階段生物力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)

利用信息技術(shù)中的連接交互動態(tài)法，對人體的腿部的動態(tài)參數(shù)進(jìn)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(jìn)行滅火加速訓(xùn)練，并在加速階段的擺動階段記錄消防員的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動結(jié)果。髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)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(diǎn)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(jìn)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(guān)節(jié)而言，在直立狀態(tài)下，凈力矩轉(zhuǎn)化為膝關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)的彎曲扭矩。當(dāng)消防隊(duì)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(jié)果顯示，膝關(guān)節(jié)的彎曲和拉伸是連續(xù)進(jìn)行的，其中膝關(guān)節(jié)的彎曲與拉伸是通過肌力與慣性扭矩的相互抵消來實(shí)現(xiàn)的。

（三）應(yīng)用阻力條件對消防員身體表現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)

在完成了連桿相互作用動力學(xué)和關(guān)節(jié)力矩的實(shí)驗(yàn)后，本節(jié)的內(nèi)容是研究消防員在施加不同阻力和輔助條件下短跑技術(shù)的生物力學(xué)變化，以了解在哪些條件下消防員可以達(dá)到最佳的訓(xùn)練效果。本節(jié)的實(shí)驗(yàn)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(fù)荷下的身體表現(xiàn)。首先，使用SBCAA和CAI SYSTEM-SBCAS運(yùn)動學(xué)處理軟件來獲得獲取的圖像數(shù)據(jù)，并獲得18個關(guān)鍵點(diǎn)的X和Y坐標(biāo)。通過這18個關(guān)鍵點(diǎn)，人體被定義為14個環(huán)節(jié)，利用德國人體慣性參數(shù)確定了人體總重心的位置坐標(biāo)，并利用信息技術(shù)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值表示標(biāo)準(zhǔn)偏差（x ± SD）。表1是本節(jié)實(shí)驗(yàn)的步態(tài)指數(shù)。

如表1所示，結(jié)果表明，與消防人員步數(shù)有關(guān)的各項(xiàng)指數(shù)均達(dá)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(tài)周期持續(xù)時間、步態(tài)頻率和搖晃期上，差異并不明顯。步態(tài)周期持續(xù)時間和步態(tài)頻率的P值均小于0.05，但由于以上六個步態(tài)指標(biāo)屬于同一數(shù)據(jù)，其信息技術(shù)數(shù)據(jù)之間可能存在相關(guān)性，這可能會對數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響。因此，通過Bonferroni對 alpha=0.008的顯著水平進(jìn)行了修正以消除該效應(yīng)。結(jié)果顯示，步態(tài)周期持續(xù)時間和步態(tài)頻率之間以及加速階段和最大速度階段之間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。

（四）步長和步頻分析

根據(jù)對試驗(yàn)后的消防員步長和步頻的分析，發(fā)現(xiàn)隨著阻力負(fù)荷的增加，步長逐漸減少，而步頻沒有明顯變化。

當(dāng)阻力負(fù)荷為0時，消防員（n=8）的平均步長為2.22±0.23 m；當(dāng)阻力負(fù)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(dāng)阻力負(fù)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(dāng)阻力負(fù)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(fù)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(zhuǎn)。當(dāng)增加阻力負(fù)荷時，會產(chǎn)生額外的后旋力矩。為了克服消防員產(chǎn)生額外的后旋力矩，消防員會調(diào)整身體姿勢，即通過將身體重心前移來抵消拉力所產(chǎn)生的額外力矩。整個步態(tài)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(jìn)行了整體分析。結(jié)果顯示，隨著阻力負(fù)荷的增加，髖關(guān)節(jié)角度有下降的趨勢，而膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和大腿關(guān)節(jié)的角度隨著阻力負(fù)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(fù)荷的增加而減少。

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

四、結(jié)束語

本文使用智能大數(shù)據(jù)對消防員的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，研究了消防員滅火訓(xùn)練不同階段的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)。研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行阻力負(fù)荷訓(xùn)練時，隨著阻力負(fù)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(xùn)練成績產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在阻力負(fù)荷訓(xùn)練時，最大速度不應(yīng)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(qū)消防救援大隊(duì)

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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