《Applied Ergonomics》：Physical fatigue increases shipboard firefighting simulation completion time and perceived workload
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摘要
消防作业包含在高温和时间压力下执行的体力要求极高的任务。尽管先前研究已报道了相关体力负荷，但体力疲劳在多大程度上妨碍消防表现——尤其是在船舶环境中——仍未得到充分探索。本研究采用基于实验室的船舶消防模拟，考察了体力疲劳和热应激如何影响完成任务时间（t
摘要
消防作业包含在高温和时间压力下执行的体力要求极高的任务。尽管先前研究已报道了相关体力负荷，但体力疲劳在多大程度上妨碍消防表现——尤其是在船舶环境中——仍未得到充分探索。本研究采用基于实验室的船舶消防模拟，考察了体力疲劳和热应激如何影响完成任务时间（time-to-completion, TTC）、感知工作负荷以及肌肉力量。三十名受试者在新鲜（Fresh）、疲劳（Fatigue）和疲劳+热应激（Fatigue+Heat）三种条件下完成模拟，随后进行体能测试。与新鲜条件相比，模拟TTC在疲劳和疲劳+热应激条件下分别增加7.2%和8.5%（p<0.001；d=0.62–0.69），自觉疲劳程度（RPE）分别增加32%（疲劳）和46%（疲劳+热应激）（p<0.001；d=1.31–2.39）。此外，与对照力量测量值相比，模拟前疲劳显著降低了模拟后测量的等长大腿中部上拉和俯卧撑峰值力量（p<0.05；d=0.18–0.27）。本研究强调了体力疲劳如何在消防情境中削弱身体能力。
研究背景与问题
消防作业要求个体在高温高压环境中从事剧烈体力活动的同时保持警觉。消防员需要拖拽高压水带、攀爬楼梯和梯子、执行搜救任务、抬升梯子并携带重型设备（如油桶、灭火器），同时穿戴重20–31 kg的消防个人防护装备（personal protective equipment, PPE），其中包含自给式呼吸器（self-contained breathing apparatus, SCBA），重量达10–16 kg。尽管PPE提供热和毒性防护，但通过阻碍热量散发提高了热应激，导致完成任务时间（TTC）和主观疲劳评分（RPE）高于不穿戴PPE的情况。既有研究已量化消防任务的体力需求，但少有研究探讨体力疲劳如何损害消防表现及其所需的肌肉力量。Smith等（2001）描述了重复实战消防演练导致的疲劳随时间推移损害表现的现象。Thruston等（2025）报告训练后消防员等长大腿中部上拉（IMTP）峰值力量下降6.5%、立定跳远距离下降7.4%、下肢爆发力下降14.8%。Dennison等（2012）发现，与不训练相比，在消防模拟前约10分钟进行抗阻训练使心率显著增加4.1%、TTC增加9.6%。Mason等（2023）也发现高强度抗阻训练使模拟消防场地测试完成时间增加45%、空气消耗增加27%、工作效率降低40%。热应激可进一步加剧疲劳效应，极端温度（>300°C）导致更高平均、最大及恢复心率及RPE。然而疲劳与热的交互作用尚未被充分研究，且多数消防研究以结构性消防员为对象，舰船消防员的研究相对缺乏。舰船火灾响应具有独特挑战，如舱下复杂受限空间导航和疏散困难。既有舰船消防研究侧重刻画特定消防任务的需求，未探讨疲劳如何影响任务表现。Bilzon等（2001）评估英国皇家海军舰船上五项4分钟消防任务的需求，Burdon等（2019）采用储存、消防和伤员疏散任务确定澳大利亚皇家海军代谢需求最高活动，两项研究均以新鲜状态、任务间设休息期进行孤立评估，可能无法反映作战现实——舰员可能在已疲劳状态下被召去灭火。因此，完整连续舰船消防模拟的累计体力负荷及既存疲劳对表现的影响仍属未知。
研究人员开展了什么研究
本研究采用一种新型基于实验室的舰船消防模拟，首次量化既存体力疲劳在两种温度条件下对连续舰船消防模拟表现的影响。研究旨在确定先前体力疲劳（10分钟疲劳方案与新状态对比）如何影响舰船消防模拟期间的身体和生理表现，并通过模拟后等长力量和爆发力测量考察疲劳的持续效应。假设为：与新状态相比，先前体力疲劳将损害表现，增加模拟TTC、心率、核心温度和感知工作负荷，同时降低模拟后等长力量。
方法与关键技术
研究采用受试者内重复测量设计，三十名休闲活跃成人（24男6女；年龄27.5±7.4岁；身高1.76±0.08 m；体重74.3±11.0 kg；最大心率195.9±11.1次/分；最大摄氧量49.5±7.1 mL·kg?1·min?1）自愿参与。样本来自普通人群，经麦考瑞大学人类研究伦理委员会批准。研究包含三个测试阶段：第一阶段完成标准化热身、体能领域测试（包括反向跳[CMJ]、蹲跳[SJ]、等长大腿中部上拉[IMTP]、等长俯卧撑[IPU]和握力测试）及最大摄氧量测试；第二和第三阶段随机分配，受试者先完成10分钟体力疲劳方案（含步行、俯卧撑和垂直跳，穿戴10 kg负重背心），随后立即进行舰船消防模拟（Fatigue或有/无桑拿服[Fatigue+Heat]条件），模拟后再进行体能领域测试。舰船消防模拟包含六项连续任务：楼梯行走1、水带拖拽、喷嘴保持、灭火器携带、伤员拖拽和楼梯行走2。模拟期间受试者穿戴标准消防PPE（含10 kg负重背心模拟SCBA），在装有240°屏幕的圆形房间内进行。心率使用Equivital eq02+ LifeMonitor连续监测，核心温度通过心率衍生算法估算，热感觉和舒适度使用ASHRAE和Bedford量表，感知工作负荷使用NASA-TLX，步数使用惯性测量单元（IMU）记录。统计分析采用重复测量方差分析（ANOVA）和Tukey事后检验。
研究结果
3.1 舰船消防模拟完成时间
总模拟TTC在条件间差异显著（F(1.82, 52.74)=23.17, p<0.001, η2p=0.44）。与Fresh条件（7.53±0.80 min）相比，Fatigue（8.07±0.93 min；p<0.001, d=0.62）和Fatigue+Heat（8.17±1.05 min；p<0.001, d=0.69）条件下TTC显著延长，分别增加7.2%和8.5%。Fatigue与Fatigue+Heat之间无显著差异（p=0.53, d=0.10）。总步数在Fatigue（873±118步；p<0.001, d=0.50）和Fatigue+Heat（858±106步；p=0.007, d=0.39）条件下显著高于Fresh。
3.2 心率和核心温度估算值
模拟期间受试者心率达最大心率的91%。平均心率在Fatigue（d=0.65）和Fatigue+Heat（d=0.91）条件下显著高于Fresh（p<0.001），且Fatigue+Heat显著高于Fatigue（p<0.01, d=0.24）。平均和最大核心温度估算值（CTE）在两种疲劳条件下均显著高于Fresh（p<0.001）。最大心率在条件间无显著差异。热感觉和热舒适评分在疲劳条件下显著更高。
3.3 RPE和主观工作负荷（NASA-TLX）
模拟条件显著影响RPE（F(1.89, 54.88)=54.86, p<0.001, η2p=0.65）和NASA-TLX总分（F(1.97, 57.24)=15.41, p<0.001, η2p=0.35）。与Fresh（RPE: 60）相比，Fatigue（RPE: 79）和Fatigue+Heat（RPE: 88）条件下RPE分别增加32%和46%。Fatigue+Heat的RPE显著高于Fatigue（p=0.001; d=0.88）。NASA-TLX中脑力需求、体力需求和挫折感在两种疲劳条件下显著高于Fresh，Fatigue+Heat条件下的努力程度显著高于Fatigue（p=0.008）。
3.4 体能领域测试
与Control（模拟前）相比，IMTP峰值力量在Fatigue（?4.8%；p=0.01; d=0.20）和Fatigue+Heat（?6.1%；p<0.001; d=0.26）条件下显著降低；IPU峰值力量在两种疲劳条件下均降低5.7–6.3%（p<0.001; d=0.24–0.27），且与Fresh相比也低4.5–5.0%（p<0.05; d=0.19–0.22）。CMJ和SJ高度不受疲劳影响，但CMJ离心峰值力量在Fatigue（?5.3%；p=0.049; d=0.26）和Fatigue+Heat（?6.1%；p=0.008; d=0.31）条件下显著低于Control。CMJ峰值着地力量在Fatigue+Heat条件下显著高于Control（+13.7%；p=0.005; d=0.44）和Fresh（+11.3%；p=0.009; d=0.38）。握力不受疲劳不利影响。
讨论总结
研究人员首先指出主要发现：急性体力疲劳使模拟TTC较Fresh增加7.2%（33秒），桑拿服附加热应激后增加至8.5%（39秒），与Dennison等（2012）报告的9.6%增幅一致。疲劳条件下所有任务（除伤员拖拽外）TTC均显著长于Fresh；伤员拖拽TTC无显著差异可能归因于学习效应或任务持续时间过短，但平均TTC从Fresh的31.4秒增至Fatigue的32.1秒和Fatigue+Heat的36.7秒（增加17%），提示热应激对该任务的不利影响。Fatigue与Fatigue+Heat之间各任务TTC均无显著差异，表明桑拿服穿戴在疲劳状态下未进一步损害表现，这可能是因为桑拿服不能完全代表先前研究中的高温消防环境，或剧烈疲劳方案后附加热应激不再进一步升高CTE。体力疲劳方案本身使平均和最大CTE较Fresh增加2%，但模拟可能过短不足以凸显疲劳条件间的CTE差异。桑拿服穿戴显著提高了热感觉和热舒适评分，说明尽管未显著升高CTE，但增强了主观热应激感知。疲劳条件下完成模拟的感知负荷更高，Fatigue和Fatigue+Heat的RPE分别较Fresh增加32%和46%，Fatigue+Heat的RPE显著高于Fatigue，可能归因于心率和感知热应激升高。NASA-TLX中脑力需求、体力需求和挫折感升高，提示疲劳和热应激下的更高工作负荷与更高脑力需求和挫折感相关。疲劳未损害跳高高度，但降低了CMJ离心峰值力量，提示制动阶段力量产生能力下降；CMJ峰值着地力量增加可能表明残余疲劳导致更僵硬的着地策略和神经肌肉控制下降。在疲劳条件下完成模拟显著降低IMTP绝对力量（较Control降低5–6%）和IPU绝对力量（较Control和Fresh降低约6%），握力不受影响。总体而言，体力疲劳显著降低上下肢力量，可能损害水带拖拽、梯子抬升、伤员疏散和楼梯攀爬等关键损害控制任务的表现。研究人员讨论了对值勤训练的启示：尽管训练可提高任务效率和耐受性，但舰船火灾较陆基火灾更不可预测，海军部队无法依赖呼叫量时间来管理消防员疲劳，可考虑轮换执勤周期、强制恢复期和可穿戴设备监测体能/恢复状态，以及在疲劳状态下进行常规消防演练以帮助人员适应额外挑战。研究局限性包括：受试者为普通休闲活跃成人而非训练有素的舰船消防员，实验室模拟无法完全再现真实舰船火灾环境（受限空间、烟雾、能见度降低、通讯需求和真实热辐射暴露）。阶段顺序和熟悉化方面，第一阶段包含各单项任务熟悉化，疲劳阶段之前受试者更熟练，练习效应会缩短疲劳条件完成时间、缩小观察到的差异，因此报告的效应是保守估计。未来研究可考察体力疲劳是否损害舰船消防中的认知、通讯和决策能力，并在模拟前增加专门熟悉化阶段和完全平衡阶段顺序。
研究结论翻译
本研究表明，在舰船消防模拟之前完成一轮体力消耗性运动损害了表现，当附加热应激时进一步增加了感知和生理负担。尽管完成时间在Fatigue和Fatigue+Heat条件之间无显著差异，但受试者在热应激条件下体验了更高的感知疲劳、平均心率和热不适。体力疲劳对肌肉力量也有残留效应，上肢和下肢等长力量测试峰值力量均降低。这些结果凸显了疲劳和热应激对消防任务表现的影响，并强调需要让人员为舰船紧急情况中体力与热应激的联合需求做好准备。体能训练计划和任务管理策略应反映这些作战现实，以优化表现和安全性。
