公交车内部消防装置优化设计研究

摘要：目的从备受关注的消防问题着手，结合严峻形势，为提升交通安全，在现有公交车内部基础上进行有关消防装置的优化设计。方法首先通过用户体验的调查研究、市场调查及数据分析等方式，调查现有公交车的消防措施和消防方式，分析并初步了解大众的消防意识、与消防有关的自救措施的认知程度，以及在灾难来临时是否能够做出良好的反应等；然后针对公交车的内部结构做初步分析，利用TRIZ的系统冲突理论，查找发明原理，以此提出对现有公交车的消防装置系统的优化设计。结论以真实案例为背景分析，实地调研为设计基础，TRIZ为设计手段，提出有一定合理性及可行性的公交车消防装置设计，从身体、心理层面考虑安全性设计，为大众的公共交通安全问题更添一份保障。

关键词：产品设计；消防装置；安全；TRIZ

2016年初在银川发生了一起轰动一时的公交车燃烧事故，事故造成了严重的人员死伤。这次事故将公交系统的消防安全推入了人们的视线范围；如何加强城市公交的消防安全工作、保护人民的生命财产安全，成为城市公交消防工作亟待解决的严峻课题。提升交通安全，逐渐受到全社会的瞩目。由于现代交通工具大部分由易燃体柴油、汽油、天然气或电力等燃料驱动，均存在火灾隐患。并且公交车内部的消防设施大多只有灭火器、安全锤及逃生窗，相关设施的不完善也是扩大灾害影响的重要原因之一。现有的公交车的消防改造方案也只停留在增设急救箱、自动爆破器、阻燃材料内饰等方面，这些也不能在火灾及爆炸危险来临之际进行最直接的扑救。因此公交车内部消防系统的优化设计极富意义。

1热点事件的调研与分析

1.1公交车火灾原因调查及应对措施。首先汽车起火的三要素有：可燃物、助燃物及火源；车上的可燃物包括：树脂部件、橡胶制品、纺织物及油品（汽油、润滑油）等。如今引发公交车或汽车类火灾的主要原因有电路系统故障、燃油系统故障、机械摩擦引起故障、高温表面、遗留火种、人为放火等[1]。因此公交车的消防逃生方式也亟待科普。第一，遇突发火灾要保持头脑冷静，公交车都有灭火器，应迅速寻找火源，喷射灭火器，控制火势蔓延。第二，当公交车开始发生燃烧，车门和车窗就是最重要的逃生出路，出于行车安全考虑，公交车车窗大都很封闭，不能迅速开启，紧急情况下，要利用安全锤击破车窗进行逃生。需要注意的是，正确的破窗点一般车窗上都会标明；如果没有，则需用力砸击车窗四个边角。第三，两个紧急逃生出口位于公交车顶部，人们经常错认为是通风口。在紧急情况下旋转应急开关，打开窗口逃生。第四，车门顶部设有紧急开关，若车门无法正常打开，按照开关提示语操作（旋转或者拉出开关）即可开门，有序下车，切不可慌乱拥挤，提高逃生效率。第五，司机应当在火灾发生时尽量将车辆驶到人烟稀少处，并将乘客疏散至安全地点。若在加油站等易发生爆炸的场所附近，应立即将车驶离，否则后果不堪设想[2]。公交车逃生指南见图1。1.2研究现状与发展趋势。银川消防总队官方消息显示，消防总队先后派七十名指战员赶赴现场，并于当日7时13分将火扑灭。事故造成十四人死亡，三十二人受伤。现如今许多人都接受过消防安全教育，有关安全逃生的知识也知道不少。可见伤亡惨重的原因大多与人在火灾来临时不当的应急反应有关，包括极度紧张慌乱引起的骚动、未经过专业的逃生培训、侥幸心理引起的消防意识淡薄，这些种种因素都是影响安全逃生的关键，尤其是在公交车这一相对密闭的易燃易爆的空间中更加明显。严峻的形势必将加速推动公交汽车消防新技术、新工艺的发展。目前，有较多的消防装置可用于处置公交车发动机舱火灾，但在公交车客舱消防方面还有很多工作要做。现许多公交车都采用瓶装灭火器，破窗器等传统的装置，可这些并不能很好地起到作用。因此，提出对于现有公交车的消防装置系统的优化设计，希望保障人们身体安全的同时也能够对心理产生一定的安全感。

2目前消防现状分析研究

2.1现有公交车的内部结构及消防措施。公交车内部除了最基本的仪表台、方向盘、座椅、扶手等功能设施，随着客流量的增加、客车技术的进步及乘客要求的提高，现公交车内部都加装了老弱病残孕专席、GPS定位系统、拉环、电子报站器、电子显示屏、刷卡机、垃圾桶、灭火器、破窗器、下线和电子呼叫按钮等设施[3]。现有公交车内部的消防措施少之又少，大多是靠人工来触发的，比如车门口放置的灭火器、车顶的安全逃生窗口、车门口的应急开关；还有最近强制在公交车上普及安装的改良安全锤。公交车上的安全设备见图2。综上所述，有关公交车的内部消防措施的研究，仍需努力。2.2公交车内消防隐患。有关公交车内部安全设备的调查显示，以上列举仅是灭火手段，并未建立灭火系统，智能化的消防装置也尚未完善，并且单纯依靠智能化也难免会出现纰漏。高峰时期的公交车上乘客密度高，又是密闭空间，火源一旦出现，蔓延速度会很快，同时热量也会迅速增大，温度很快便能达到900℃，不同类型车辆发生火灾时的最高温度见表1[4]。浓烟和高温通常是致命的，加之车内设施大多为易燃的塑料制品或皮质座椅，车体中大量的钢结构在引燃时温度会迅速升高，增加危险系数。逃生时被高温车体烫伤造成二次伤害，也是公交车火灾中最主要的受伤方式之一。车厢内起火后，门口极易造成拥堵，很难打开，安装的应急出口开关也容易被大火损坏。这些因素都会加剧事故的伤亡。2.3大众的消防意识及自救知识的调查。大众对消防认识多半是一知半解，心存侥幸。有以下几个现象。第一，违反消防规章制度乱丢烟头，或无意识携带易燃易爆物品上车。据了解，烟头的表面温度为200℃~300℃，中心温度可达700℃~800℃，超过了棉、麻、毛线、纸张等可燃物的燃点[5]。第二，消防基本知识的匮乏。不懂得灭火器的规范使用，以及逃生锤的使用技巧。缺乏安全的逃生和自防自救能力。相关调查发现只有3.80%人员完全掌握灭火器的用法，剩下的96.20%对于灭火器的使用都有问题[6]。作为目前公交车内部唯一能使用的灭火装置，人们对其的掌握存在严峻问题。第三，大多数人的现状就是消防意识的严重淡薄，他们普遍了解消防知识，可是认为火灾离自己很远，不会在自己身上发生，心存侥幸。对于有关部门举行的消防安全知识教育和培训活动没有足够重视。调查显示有98.10%的人知道在火场中如何逃生，83.87%的人知道火灾时应向安全出口方向逃疏散，89.08%的人知道身上着火时不能迎风快跑[3]；这些调查证明了大部分人还是具备一定消防自救知识的。2.4大众在灾情来临时的反应。可是光有理论支撑没有实践操作还是一纸空谈。消防部门做了一个实验，以一辆装载三十六人的大巴车为对象，模拟从危险发生至最后一位乘客安全撤离，最快也需要42s。如果着火燃料是车头部分的汽油，前排乘客逃生机会很小，那逃生机会较大的是后排乘客，时间大约为30s。然而要考虑到实验现场是有武警和消防员提醒的，因此实验员有心理准备，但现实中的普通乘客肯定做不到如此快速。实际情况是，车头着火时，前排乘客会拼命挤到后方，这就需要后排乘客以最快速度击碎车窗帮助逃生，但是也可能在慌乱中找不到安全锤，或者不能正确使用。车厢空间密闭狭小容易造成恐慌，拥堵逃生出口，这些都会增加伤亡[7]。同时数据也表明了，不同年龄段人员的反应速度都有很大的区别，具体反应时间[4]，见表2。

3TRIZ理论指导下的问题分析

3.1身体上、心理上感到危险的原理分析。当危险真的来临，人员的逃生移动受到温度、热辐射、烟气、情绪等影响，每个人的个体运动也都会受到影响，大众在灾情来临时的反应普遍不乐观。在燃烧起火的公交车内，人们的视觉及触觉都会受到极大的冲击。皮肤作为触觉最庞大的感受界面，是最直接能感受到危险的器官，同样也可以是优化设计的切入点。研究表明，皮肤的所有区域由快速和慢速两种疼痛纤维支配，第一波疼痛快速、准确，提供了直接威胁的信号；第二波疼痛有弥散性、持久性，并能激发相应的行为或情绪[8]。在燃烧的车辆中，无意间抓到滚烫的扶手，第一波疼痛让你立刻松开，随后甩手释放第一波疼痛时，强烈的灼热感甚至会产生焦灼不安的情绪，这就是第二波疼痛了。总之感知和情绪相互之间高度依赖，疼痛唤起的或战或逃的反应，促进了焦虑的产生，同时焦虑也反过来增强了疼痛[8]。3.2问题分析及问题解决。根据访问及数据研究，由于公交车的车体和扶手杆都是金属制品，在火灾发生时会迅速升温，因其并不像火苗那样肉眼可见，反而成为逃生过程中给人造成烧烫伤的直接威胁因素。针对以上问题的提炼，利用矛盾矩阵，寻求解决方法，定义问题冲突，矛盾矩阵归纳见表3：物体产生的有害因素（31）——期望改善的参数；温度（17）——导致恶化的参数；发明原理（22，35，2，24）——查找矛盾矩阵可得出[9]。发明原理22——变有害为有益原理。将系统中的有害因素加以利用，获得有益结果。由此可以想到，车厢内部的扶手横杆虽然高温会有烫伤威胁，但是它贯穿车厢内部前后，也许可以变为有益因素。发明原理35——参数变化原理。改变物体的物理状态。由此原理来改变车体或扶手，采用耐高温且不导热的材质，可能导致车体结构的强度减弱或成本提高。发明原理2——隔离原理。将物体中有害因素隔离出去。由此可得，水的隔离降温作用，在火场中无疑是最直接高效的手段。然而要考虑公交车内部的储水设施及喷水装置的安装使用问题。发明原理24——中介物原理。利用中介物传递某一物体或某一种过程。由此可得，可以利用公交车内部的扶手杆作为输送消防用水的中介物，覆盖车头至车尾，全面有效，可以快速地喷洒，给车体、扶手管材甚至是惊慌失措的人们，起到直接的降温、隔火、镇静的作用。3.3设计方案的提出。针对上述分析，据发明原理2得出，水在火灾，尤其在公交车这样封闭狭小的空间中是最直接有效的隔离物。水能最直接地将人的身体与火隔离，更重要是能最直接地将人的心理与紧张的情绪隔离，从而在身体与心理上获得双重安全保证。根据发明原理24得出，公交车内部扶手横竖杆作为传递消防用水的中介物，这不仅充分利用了公交车原有的基础设施，又增加了它的消防功能；不光瞬时对火势的控制做出反应，还降低了在火灾时管材高温对人的伤害。综上，此次公交车改良设计的方案更多从发明原理2和发明原理24中受启发。装置细节见图3。根据以上的数据分析，以及利用TRIZ发明原理的查找，提出了可以在现有公交车结构上进行改造的方案——利用公交车上连接扶手的横向或纵向的铁管为媒介，在车的后部凸起处或司机座椅后方加装消防专用气体箱与加压装置，当应急消防装置启动后，铁管内会充满消防用水并从小孔处喷出。公交车消防系统简单示意（前方视角）见图4。因为管道贯穿全车，所以喷洒的面积大、覆盖全面、效果好，可以第一时间抑制火灾的蔓延，第一时间增强乘客的身体、心理上的安全感，为逃生赢得时间，为生命财产安全提供保障，消防装置理念见图5。

4优化设计后可行性分析及展望

4.1装置的创新点与各层次的可行性分析。此消防装置的创新点在于：（1）利用连接扶手的铁管的中空结构为喷洒消防用水的媒介，可对现有的公交车直接进行优化改造，节约成本，也不占用额外空间；（2）利用其贯穿车体前后的结构特征，喷水时保证涉及到全车范围；（3）考虑到当火灾来临时车体温度过高，导致管体自身温度升高，喷淋系统开启后对车厢内部尤其是铁管本身起到一定的降温作用，避免了对乘客造成第二次伤害，安全有效，具有合理性。公交车消防栓水管分布见图6，系统喷淋效果演示见图7。从现代人普遍掌握的消防自救知识及其应激反应情况来看，将触发按钮设置在司机驾驶座位旁有一定的科学性。一是可以防止乘客因好奇或是失误而造成的触发，因而造成不必要的损失；二来是驾驶员的职责，即司机在公交车火灾事故处置中居于十分重要的地位[10]，平时除了检查与维护消防设施，更重要的是熟练掌握对有关设施的操作，以及具备良好的心理素质。从实际情况方面保证了在危急时刻装置能有效启动，具有可行性。从产品构造学原理角度分析，此装置也具有可行性。考虑到了有限的公交车空间，以及最大限度地利用车辆上的现有装置并加以改造。在车上加装一个小型的加压泵，当紧急装置启动后，加压泵立即展开运作，随后压力使得消防用水瞬间充满连通全车的所有管道。压力的大小是可控的，压力大则水珠细喷洒范围广，适用于火灾面积已经过大，局面难以控制的情况；压力小则流体可能为柱形，适用于局部可控的失火情况。理论上简单易行而且造价成本低。从人机工程学的角度来考虑，此装置也有许多细节值得分析。管道上小孔的位置也需要考量，可从灭火的全面性、有效性进行考虑，小孔的方向决定了喷射的角度。因此同一边管道的小孔在方向上应有左右的转换，两边的小孔在同一水平位置上也应有前后的交错。角度问题的解决保证了灭火的质量，也一定程度上防止对乘客的直接喷射。在数量上也应考量，根据液体的密度及特性，研究出它有效的喷洒范围，这样也就大致估算出小孔的数量。小孔的不同喷射方向和数量分布就保证了水的全面喷洒。全面喷洒的目的不仅是为了灭火，另一原因是降低车体的温度；管道中充满水，管体的温度就不会受大火的影响而迅速升高。这样以来，在灭火的同时，一旦车门被损坏无法打开，可以减缓对与跳窗逃生乘客的被高温车体烫伤的危险。从心理安全的角度考虑，安全的内涵及外延内容表明，安全不仅指人的身心健康、躯体不伤、不死，而且还要保障人的心理安全与健康[11]。安全感作为情感需求的一种，在马斯洛模型中得出，它是人类基本的情感需求，现阶段的产品设计或系统设计多从外观或功能角度考虑，往往忽略其实心理层面的安全感设计也是优化设计的切入点。在灾情来临时，喷淋系统瞬间启动，瞬时间对火情起到控制作用，乘客瞬时得到心理上的安全反馈，从一定程度上缓解焦虑情绪，增加逃生几率[12]。装置简单、易行、可靠，喷洒的面积大、覆盖全面、效果显著。在第一时间抑制了火灾的蔓延，延长了火灾中乘客的自救时间，不再是令人无法及时反应的“黄金42s”，赢得了宝贵的逃生时间；保证了等待救援时车内人员的暂时安全，也为救援赢得宝贵时间；也解决了当车内人员都安全逃离后，公交车仍然熊熊大火甚至爆炸，对周边的人或建筑物造成的二次伤害。4.2装置优化设计展望。根据输送消防用品管道的巧妙特性，一般的移动公共乘车系统中都会有这种管道装置。例如在地铁中用于连接扶手的管道，高铁及火车中，头顶上行李架用于支撑的管道结构。当然针对地铁、火车这种分节式的公共交通工具而言，就要在每一节都加装压力泵，或者是在总开关的交互界面上设定分车厢开启的消防装置，从而实现定点消防。这一装置理念在移动公共交通设施中的利用，也许可以改善以往在车厢内仅凭灭火器灭火的单一消防方式。甚至可以利用“心境诱导”的手法，乘客在乘坐公共交通时，就可以在车厢内的移动电视上，通过观看消防安全的宣传短片，了解车内消防设施及使用方法，让大众时刻处于安全的正性情绪之中[13]。

5结语

基于公交车现有的车体结构而改造的车内消防系统，只需要对车体进行简单的加工改造，结构简单易行、成本低。装置的应用也许可以填补现阶段车内消防装置的空白，在车内客舱消防方面踏出探索性的一步。消防安全的保障永远是人类需要研究的课题，有关移动交通的消防问题及消防设施的设计与改造，仍需大量考察研究。当然在改造设施的同时，更重要的是再次加强消防安全知识的普及，真正把消防安全演练落到实处。找到可以将大众把目光注视到消防方面的关键点，抓住大众对于消防问题的兴趣点或是痛点，从而真正将消防意识植入到人们潜意识中。由于人的认知和情绪之间的高度依赖，产品的设计优化要从身体甚至心理安全的角度考虑，增强使用者的安全感，在一定程度上弥补产品在功能上的不足，多考虑人的心理安全与健康，为生命安全更添一分保障。

作者:李稼桢 林鸿  单位:苏州大学