CN115607865A - 一种分布式快速启动紧急救援气囊及救援方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式快速启动紧急救援气囊及救援方法，救援气囊包括主控单元、气源组件、多个呈网格状分布的单元块以及检测单元块的相关参数的检测组件。相邻的单元块间通过第一连接组件连通，第一连接组件上设置控制阀。气源组件包括七氟丙烷，气源组件、控制阀以及检测组件与主控单元通信连接。本发明中的主控单元能够控制气源组件对单元块进行充气，使气囊能够在充气过程中快速自动展开。七氟丙烷安全且方便回收，能够重复利用。当被救援者落到某单元块，主控单元调节接触单元块、与接触单元块连通的部分一级单元块以及与一级单元块连通的部分次级单元块上的排气结构打开进行排气，使被救援者柔性着陆，减少二次伤害。

Description

一种分布式快速启动紧急救援气囊及救援方法

技术领域

本发明属于消防设备及高空跌落救援技术领域，具体涉及一种分布式快速启动紧急救援气囊及救援方法。

背景技术

火灾是一种较为常见的灾害事故，轻则造成财产损失，重则导致人员伤亡。仅根据2020年的统计，全国共接报火灾共25.2万起，死亡1183人，受伤775人，直接财产损失40.09亿元。

现有技术中，火灾发生时常用的救援方式为，在地面铺设消防救生气囊，然后被救援者从高层跳向消防救生气囊。但是现有的消防救生气囊操作过于耗时，铺设气囊整个过程至少需要5人同时操作，具体为4名消防员拽紧绳索拉住气囊，1名消防员操作鼓风机鼓气，导致前期准备时间过长，浪费宝贵的人力资源。现有的消防救生气囊通常使用鼓风机进行充气，至少需要至少一分钟的时间来完成充气过程，60s的时间完成补气过程，一套消防救生气囊总铺设耗时约为7分钟，而根据平均统计，一个房间从起火燃烧至全面燃烧只需要6分钟。

另外，现有的消防救生气囊的救援限高为16m，大致相当于6层楼的高度。现有技术中的消防救生气囊内在使用时始终通过鼓风机吹入高压气体，消防救生气囊的表面应力以及内部气体压力过大，表面弹性过强，有可能使高层坠落下来的坠落者由于反馈弹性作用力太大而被弹开，受到二次伤害。

当前售卖的消防气垫价格参差不齐，1000元以下的气垫充气后的厚度以及平面面积均达不到救援所需，无法保障被救人员的安全着陆以及防止坠楼后的反弹。达到消防救援规模的气垫市场价皆在10000元左右，价格昂贵，具有消防认证的安全气垫更为昂贵，价格在16000-20000元之间。此外，目前的消防气垫质量不一，绝大多数并未标明气垫的材质面料，也无任何消防安全认证，存在极大的安全隐患。

因此，需要提供一种低成本、能够快速铺设，且使用上更加安全的紧急救援气囊。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术中存在的消防气囊的充气效率低，展开慢，弹力过大而容易导致二次伤害的问题，本发明提供一种分布式快速启动紧急救援气囊及救援方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种分布式快速启动紧急救援气囊，包括主控单元、气源组件以及n×n个呈网格状分布的单元块；其中，n为奇数；

所述主控单元与所述气源组件通信连接，所述气源组件用于向每个所述单元块充气；所述气源组件中的气源物质为七氟丙烷；

每个所述单元块与其相邻的单元块之间通过第一连接组件连通，所述第一连接组件上设置第一控制阀，所述第一控制阀与所述主控单元通信连接；

每个所述单元块内设置检测组件，用于检测坠落者的瞬时速度、坠落位置以及单元块的内部气压，所述检测组件与所述主控单元连接；

每个所述单元块上设置与所述主控单元连接的排气结构；

当紧急救援气囊启动，主控单元调节第一控制阀打开，以处于中心位置的单元块为第1充气单元块，与第1充气单元块相邻的单元块为第2充气区，以此类推，直到第n充气区；主控单元控制气源组件按照先后次序对第一充气单元块、第2充气区，...第n-1充气区和第n充气区进行充气，并且在第1充气单元块充满之前即开始对第2充气区充气；

当被救援者落到紧急救援气囊的某个单元块，主控单元调节与被救援者接触的接触单元块、与接触单元块连通的部分一级单元块以及与一级单元块连通的部分次级单元块上的排气结构打开，进行排气。

如上所述的分布式快速启动紧急救援气囊，优选地，当被救援者落到紧急救援气囊的某个单元块，所述接触单元块、所述一级单元块以及所述次级单元块的排气量依次递减。

如上所述的分布式快速启动紧急救援气囊，优选地，所述主控单元包括中心控制芯片以及设置在每个单元块内的区块处理芯片，所述中心控制芯片分别与每个区块处理芯片通信连接；

所述检测组件与区块处理芯片通信连接；所述第一控制阀与区块处理芯片通信连接；所述排气结构与所述区块处理芯片通信连接。

如上所述的分布式快速启动紧急救援气囊，优选地，所述气源组件包括基本气囊、气源以及第二连接组件；

所述基本气囊设置在所述n×n个单元块的下方，并且与所述n×n个单元块的面积相同；所述气源设置在所述基本气囊的内部，所述第二连接组件的数量与所述单元块的数量相同；所述第二连接组件的两端分别与所述单元块以及所述基本气囊连接；所述第二连接组件上设置第二控制阀，所述第二控制阀与所述区块处理芯片通信连接；

所述第二连接组件为气体通道，所述气源以及所述气体通道的外侧设置抗冲击材料；

所述基本气囊内还设置气囊处理芯片，所述气囊处理芯片与所述中心控制芯片通信连接；所述气源的出口处设置电磁阀门，所述电磁阀门与所述气囊处理芯片通信连接。

如上所述的分布式快速启动紧急救援气囊，优选地，所述气源组件包括多个气源，气源的数量与所述单元块的数量相同，每个气源分别设置在每个所述单元块内的底部；

气源包括储气容器以及储气容器内的七氟丙烷；

所述储气容器为塑料材质或者钢制；所述储气容器的外部设置抗冲击材料每个气源的出口处设置电磁阀门，所述电磁阀门与所述区块处理芯片通信连接。

如上所述的分布式快速启动紧急救援气囊，优选地，所述单元块的材料为阻燃的高分子材料。

如上所述的分布式快速启动紧急救援气囊，优选地，所述第一连接组件设置在所述单元块的底部；

所述第一连接组件为气体通道，所述气体通道的外侧设置抗冲击材料。

如上所述的分布式快速启动紧急救援气囊，优选地，所述检测组件包括电磁传感器、气压温度传感器以及电阻式压力传感器；所述电磁传感器用于检测坠落者的瞬时速度，所述气压温度传感器用于检测单元块的内部气压和温度，所述电阻式压力传感器用于检测被救援者的位置和重量；

所述电磁传感器、所述气压温度传感器以及所述电阻式压力传感器分别与所述区块处理芯片通信连接。

本发明还包括一种采用上述分布式快速启动紧急救援气囊的进行紧急救援的方法，包括如下步骤：

S1、充气：启动紧急救援气囊，主控单元调节第一控制阀打开，主控单元控制气源组件按照先后次序对第一充气单元块、第2充气区，...第n-1充气区和第n充气区进行充气，并且在第1充气单元块充满之前即开始对第2充气区充气，使紧急救援气囊自动展开；

S2、救援：被救援者落到紧急救援气囊后，检测组件检测被救援者的掉落位置，以掉落位置所在的单元块为接触单元块，与接触单元块连通的单元块为一级单元块，与一级单元块连通的单元块为次级单元块，主控单元控制接触单元块、部分一级单元块以及部分次级单元块上的排气结构打开，进行排气；

S3：被救援者离开紧急救援气囊，主控单元控制气源组件对经过排气的单元块进行补充充气，然后重复步骤S2，直到救援结束。

如上所述的方法，优选地，步骤S2中，气囊进行排气后，使持被救援者的加速度小于3g。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

第一，本发明以七氟丙烷作为气囊内的气源，七氟丙烷容易压缩，能够抗火阻燃且无毒无害，对人体、设备以及环境没有危害和污染。在使用过程中，对七氟丙烷施加轻微压力后即可使其液化，易于储存，因此通过塑料容器即可储存七氟丙烷，无需使用传统的气体钢罐，使用十分方便。另外，七氟丙烷进行气化时，控制气化速度较为简单，能够保证气体填充过程的安全性。因此，将七氟丙烷储存在气囊内部作为气源，能够使救生气囊的充排气更加简单，使用更加安全。

第二，本发明将救援气囊划分为多个单元块，相邻的单元块通过第一连接组件连通，在充气过程中保持第一阀门打开，并按照先后次序对不同区域的单元块进行先后充气，充气过程中按照充气次序，不同区域的单元块依次逐渐自动展开，不仅使得救援气囊充气和展开的时间被大大缩短，并且气囊能够在充气过程中自动展开，整个充气铺设过程仅需一名操作人员即可完成，节省了人力，提高了救援效率。在整个充气过程中，本发明仅通过主控单元以及气源组件的配合即可实现自动充气，无需配制鼓风机、昂贵的空气压缩机等设备，能够减少设备成本，具有较好的经济效益。

第三，本发明还通过主控单元实现救援过程中被救援者的柔性着陆，减少救援气囊对被救援者的二次伤害。具体地，当救援者跳下并接触到气囊的某个单元块时，检测组件自动检测相关信息，主控单元控制相关单元块进行部分排气，使得气囊在撑住人体的基础上还能够进一步减小对人体的向上弹力，减少被救援者受到的二次伤害，使被救援者能够柔性着陆，救援过程更加安全。

附图说明

图1为本发明中七氟丙烷的结构式示意图；

图2为本发明中分布式快速启动紧急救援气囊的整体结构示意图；

图3为本发明中分布式快速启动紧急救援气囊的另一种整体结构示意图；

图4为本发明中单元块的连接状态示意图(当气源组件包括多个气源时)；

图5为本发明中的分布式快速启动紧急救援气囊的充气顺序示意图；

图6为本发明中的分布式快速启动紧急救援气囊的排气程度示意图；

图7a-7c为本发明中的分布式快速启动紧急救援气囊的充气过程示意图；

图8a-8c为本发明中的分布式快速启动紧急救援气囊在救援中的排气过程示意图；

图9为本发明中分布式快速启动紧急救援气囊的充气算法流程图；

图10为本发明中分布式快速启动紧急救援气囊的排气算法流程图。

【附图标记说明】

1：单元块；2：被救援者；3：第一连接组件；4：气源；5：基本气囊。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1-10所示，本实施例提供一种分布式快速启动紧急救援气囊，包括主控单元、气源组件以及n×n个呈网格状分布的单元块1，其中，n优选为奇数，包括但不限于3,5,7,9等。主控单元与气源组件通信连接，控制气源组件的打开和关闭。本实施例中，气源组件的作用是向每个单元块1充气。本实施例中，气源组件中的气源物质为七氟丙烷。

上述每个单元块与其相邻的单元块之间都通过第一连接组件3连通，第一连接组件3上设置第一控制阀，第一控制阀用于调节第一连接组件3的开关，第一控制阀与主控单元通信连接，主控单元能够控制第一控制阀的开关，进而控制第一连接组件3的开关。当紧急救援气囊启动后，主控单元调节第一控制阀打开，以处于中心位置的单元块为第1充气单元块，与第1充气单元块相邻的单元块为第2充气区，与第2充气单元块相邻的单元块为第3充气区，以此类推，直到划分出第n充气区。主控单元控制气源组件按照先后次序分别开始对第一充气单元块、第2充气区，...第n-1充气区和第n充气区进行充气，并且在第1充气单元块充满之前即开始对第2充气区充气，在第2充气单元块充满之前即开始对第3充气区充气，以此类推。在上述充气过程中，先开始充气的单元块在充气过程中能够通过第一连接组件3将部分气体传递至与其相邻的单元块内，在先开始充气的单元块逐渐展开的过程中，与其相邻的单元块的体积也能够逐渐增加，区别仅在于不同级别的单元块在充气完成之前的展开程度不同，整体来看，紧急救援气囊能够从中心位置开始，自动地逐渐向外展开，这样救援气囊充气和展开的时间被大大缩短，经过测试，本实施例的紧急救援气囊在1min内即可全部展开，争取了更多的救援时间。此外，本实施例的紧急救援气囊在充气过程中能够自动展开，整个充气铺设过程仅需一名操作人员即可完成，节省了人力，提高了救援效率。并且无需配制鼓风机、昂贵的空气压缩机等设备，还能够减少设备的投入成本，具有较好的经济效益。完成充气后，主控单元控制气源组件以及第一控制阀关闭，

上述每个单元块1内还设置与主控单元连接的检测组件，检测组件用于检测坠落者的瞬时速度、坠落位置以及单元块1的内部气压，并将对应的信号传递至主控单元。每个单元块1上设置与主控单元连接的排气结构，主控单元能够控制排气结构的打开和关闭，进而调节单元块1排气的程度。

当被救援者2落到紧急救援气囊的某个单元块，主控单元调节与被救援者2接触的接触单元块、与接触单元块连通的部分一级单元块以及与一级单元块连通的部分次级单元块上的排气结构打开，进行排气。本实施例中，通过检测组件所测的信号，主控单元能够计算得到最佳的排气方式并控制相应的单元块执行该最佳排气方案，确保被救援者2能够柔性着陆，减少气囊对被救援者2的二次伤害。具体地，被救援者2接触气囊后，强大的压力会在第一时间使得七氟丙烷气体液化并迅速降低气垫内部的压力，使单元块内的压力减弱，从而降低紧急救援气囊表面的弹性与反作用力，减少对人体的二次伤害。随后，主控单元能够根据检测组件得到的相关数据，通过非线性排气算法控制接触单元块、以及单元块以及部分次级单元块进行合理的排气，对不同区块的表面应力以及内部压力进行调整，进一步降低气囊表面的弹性与反作用力，使被救援者2柔性着陆，避免被气囊弹飞，避免受到二次伤害。

现有技术中的救生气垫中一般通过空气压缩机压缩大量空气，并通过鼓风机在救援过程中源源不断地将压缩空气鼓入救生气垫。这种操作方式中，气体进入气垫的速度较慢，同样地，气垫使用结束后，还需要将气垫中的空气排出，过程也较为麻烦。基于现有技术中气垫以外部空气作为气源存在的充气和排气操作复杂的问题，本申请的研究人员期待提供一种能够储存在气垫内部、容易压缩/液化、无毒无害、方便回收的气体作为气源，以使气垫的充排气操作更加简单，同时保持较高的安全性能。

七氟丙烷的分子式为C₃HF₇，属于多氟代烷烃，一般作为灭火剂使用，是一种以化学灭火为主，兼有物理灭火作用的洁净气体化学灭火剂。七氟丙烷无色、无味、低毒、不导电、不会污染被保护对象，也不会对财物和精密设施造成损坏。七氟丙烷所需的储存空间小，在常温下即可液化储存，临界温度高，临界压力低，在大气中完全汽化不留残渣，释放后不含粒子或油状残余物，对大气臭氧层无破坏作用，还具有良好的气相电绝缘性。

七氟丙烷具有易于压缩，利于回收，能够抗火阻燃且无毒无害的特性。对七氟丙烷施加轻微压力后即可使其液化，易于储存。另外，七氟丙烷在放出进行气化时，控制气化速度较为简单，能够保证气体填充过程的安全。此外，七氟丙烷通过塑料容器即可储存，无需使用传统的气体钢罐，十分便于使用。因此，本申请的研究人员期待将七氟丙烷储存在气垫内部作为气源，使得救生气垫的充排气更加简单，使用更加安全。

为了尽可能低减少被救援者2受到的来自气囊弹力的二次伤害，当被救援者2落到紧急救援气囊的某个单元块，上述接触单元块、一级单元块以及次级单元块的排气量依次递减，如图6所示，1’、2’、3’、4’单元块中的排气量依次下降。

本实施例中，主控单元包括中心控制芯片以及分别设置在每个单元块1内的区块处理芯片，中心控制芯片分别与每个区块处理芯片通信连接。检测组件、第一控制阀以及排气结构均与区块处理芯片通信连接，区块处理芯片能够控制第一控制阀和排气结构的打开和关闭。

本实施例中，气源组件可以设计2种不同形式，第1种气源组件包括基本气囊5、气源以及第二连接组件。基本气囊5为整体结构，设置在n×n个单元块的下方，与n×n个单元块的面积相同。第二连接组件以及气源的数量与单元块的数量相同，第二连接组件的两端分别与单元块以及基本气囊5连接，以便气源充入基本气囊5的七氟丙烷气体能够顺利充入各个单元块。第二连接组件上设置第二控制阀，第二控制阀与区块处理芯片通信连接。第二连接组件为气体通道，气源以及气体通道的外侧设置抗冲击材料，避免在救援过程中较大的冲击力下受到损坏。本实施例中，气源包括储气容器以及储气容器内的七氟丙烷，储气容器可以直接塑料材质或者钢制。上述基本气囊5内还设置气囊处理芯片，气囊处理芯片与中心控制芯片通信连接，气源的出口处设置电磁阀门，电磁阀门与气囊处理芯片通信连接，通过中心控制芯片唤醒气囊处理芯片，通过气囊处理芯片控制电磁阀门的打开和关闭。

本实施例的第2种气源组件包括多个气源4，气源4的数量与单元块1的数量相同，每个气源4分别设置在每个单元块1内的底部。同样地，每个气源4包括储气容器以及储气容器内的七氟丙烷，储气容器可以直接塑料材质或者钢制，优选地，储气容器的外部还设置抗冲击材料。每个气源4的出口处设置电磁阀门，电磁阀门与区块处理芯片通信连接。

本实施例的两种气源组件都可以确保上述充气方式的进行，并且都能够保证气囊能够在短时间内自动逐步展开，可以根据需要自行选用任意一种。

本实施例中，单元块1的材料为阻燃的高分子材料，相比现有技术，本实施例中能够通过对某些单元块1进行排气实现被救援者2的柔性着陆，因此，根据力的相互作用原理，气囊在救援过程中受到的冲击力也会有所减轻，本实施例中单元块1的厚度相比现有技术中气囊材料的厚度能够减小，进一步减轻了气囊的质量，减少设备的投入成本。

优选地，上述第一连接组件3设置在单元块1的底部，第一连接组件3为气体通道，气体通道的外侧设置抗冲击材料。

本实施例中的检测组件具体包括电磁传感器、气压温度传感器以及电阻式压力传感器。电磁传感器设置在单元块1的内表面，用于检测坠落者的瞬时速度，气压温度传感器用于检测单元块1的内部气压和温度，电阻式压力传感器用于检测被救援者2的位置和重量。电磁传感器、气压温度传感器以及电阻式压力传感器分别与区块处理芯片通信连接。

此外，气压温度传感器还能够用于判定充气是否停止，在充气的过程中，如果单元块1内充气量达到理论体积，那么气压温度传感器就能够检测到理论体积经过换算之后的气压，当气压温度传感器检测到该气压，对应的单元块1即可视为充气完成。

实施例2

本实施例提供一种采用实施例1的分布式快速启动紧急救援气囊的进行紧急救援的方法，包括如下步骤：

S1、充气：启动紧急救援气囊，中心控制芯片唤醒各个单元块内的区块处理芯片，区块处理芯片将第一控制阀调节至打开状态，主控单元控制气源组件按照先后次序对第一充气单元块、第2充气区，...第n-1充气区和第n充气区进行充气，并且在第1充气单元块充满之前即开始对第2充气区充气，在第2充气单元块充满之前即开始对第3充气区充气，在第3充气单元块充满之前即开始对第4充气区充气，在充气过程中紧急救援气囊从中心至外侧逐渐自动展开，直到气压温度传感器反馈至区块处理芯片的压力到达预设值，区块处理芯片发送信号给中心控制芯片，对应的单元块内结束充气，直到全部的单元块内均完成充气。

S2、救援：被救援者落到紧急救援气囊后，电阻式压力传感器检测被救援者的掉落位置，以掉落位置所在的单元块为接触单元块，与接触单元块连通的单元块为一级单元块，与一级单元块连通的单元块为次级单元块，中心控制芯片根据检测组件得到的相关数据，通过非线性排气算法控制接触单元块、以及单元块以及部分次级单元块进行合理的排气，对不同单元块的表面应力以及内部压力进行不同程度的调整，进一步降低气囊表面的弹性与反作用力，使被救援者柔性着陆，避免被气囊弹飞，避免受到二次伤害。具体地，排气完成后，需要使持被救援者的加速度小于3g，优选为小于2.5g。

S3：柔性着陆后的被救援者离开紧急救援气囊，主控单元控制气源组件对排气后的单元块进行补充充气，然后重复步骤S2，直到救援结束。步骤S3中，由于紧急救援气囊已经处于展开状态，因此只需要在主控单元的作用下对部分单元块进行充气即可。

如图7所示，本实施例对5×5的紧急救援气囊进行充气。其中标号为①的第一充气单元块首先进行充气，经过若干次试验，发现当第一充气单元块的充气程度达到50％即开始对第2充气区进行充气时，第2充气区无法实现自动展开，当第一充气单元块的充气程度达到60％即开始对第2充气区进行充气时，第2充气区有自动展开的几率，但是成功概率较低，当第一充气单元块的充气程度达到70％及以上后再即开始对第2充气区进行充气时，第2充气区可以完成自动展开。为了确保气囊具有自动展开的功能，需要在第一充气单元块的充气程度达到74％及以上时开始对第2充气区进行充气。优选地，为了缩短气囊的充气时间，在第一充气单元块的充气程度达到74-76％时开始对第2充气区进行充气，不必等到第一充气单元块完全充满后再开始下一区域的充气。

标号为②的第2充气区第二批进行充气，经过若干次试验，发现当第2充气区的充气程度达到30％即开始对第3充气区进行充气时，第3充气区无法实现自动展开，当第2充气区的充气程度达到50％即开始对第3充气区进行充气时，第3充气区有自动展开的几率，但是成功概率较低，当第2充气区的充气程度达到60％及以上后再即开始对第3充气区进行充气时，第3充气区可以完成自动展开。为了确保气囊具有自动展开的功能，需要在第2充气区的充气程度达到61％及以上时开始对第3充气区进行充气。优选地，为了缩短气囊的充气时间，在第2充气区的充气程度达到61-63％时开始对第3充气区进行充气。

标号为③的第3充气区第二批进行充气，经过若干次试验，发现当第3充气区的充气程度达到30％即开始对第4充气区进行充气时，第4充气区无法实现自动展开，当第3充气区的充气程度达到40％以及45％即开始对第4充气区进行充气时，第4充气区有自动展开的几率，但是成功概率较低，当第3充气区的充气程度达到50％及以上后再即开始对第4充气区进行充气时，第4充气区可以完成自动展开。为了确保气囊具有自动展开的功能，需要在第3充气区的充气程度达到48％及以上时开始对第4充气区进行充气。优选地，为了缩短气囊的充气时间，在第3充气区的充气程度达到48-52％时开始对第4充气区进行充气。

对于剩余的第4充气区，由于此时气囊已经展开较多的部分，因此第4充气区保持与第3充气区相同，当充气程度达到48-52％时开始对第5充气区进行充气。

为了使系统计算结果更加符合真实气囊单体内部情况，本发明采用了CFD物理算法，即使用无旋非离散流动算法和计算流体力学(离散算法)来模拟；程序中引入下渗模型函数等物理计算公式，结合简单流体力学的算法，可以在数秒内给出大致的非线性气体压力分布。

本实施例中，判断人体能否在坠落过程中幸存的指标是人体加速度。为了保证救援的安全性，本实施例在被救援者接触到气囊后，控制到达气囊后的人体加速度以减小损伤。具体地，人体加速度的控制则依靠气囊内部的气体排出实现。

气囊表膜会直接对人体产生反冲力，同时又束缚了气囊内部的高压气体。本发明对气囊表膜产生的弹力进行分析，以定量探讨表膜如何缓冲人体，及考虑内部气体的情况下如何改变表膜形状适应产品的不同使用情况。

1、内容物气体性质

高压气体在无约束的情况下将会自由扩散至与外界气压相同的状态。但是本发明需要对气囊进行排气实现被救援者的柔性着陆，具体包含对高压气体的控制与气压的调节，势必会遇到控制气体的问题。由于经过气囊外膜时气压存在一个不可忽略的梯度，本发明推断这个梯度是由外膜的表面张力的法向分量造成的。

2、气囊表面张力控制

因此，将高压气体填充入气囊用于接住落下的人体需要某种材料作为外膜包裹内部的气体，起到约束作用。并且值得注意的是，外膜所受到的弹性是和内外气体压强的差值Δ＝p–p0(其中p气囊表膜内部的压强，p0为气囊表膜外部的压强)成正比的。与气囊的大小、内部压强绝对值等因素无关。

只有外膜的表面张力才能在具有一定曲率的情况下起到压缩气体的作用，从而停止气体扩散，将具有一定气压的气体稳定的保存。因此，可以确定，薄膜即气囊表膜内部的气压是和薄膜材料的性质直接相关的。经过下式计算，本发明进一步确定了压强与当地曲率的乘积应与表面张力系数成正比。

2πRσ*dθsinθ＝2πRσdθ²＝pπ(Rdθ)² (1)

因此，与传统方案仅仅依靠重力压缩不同，本发明可以考虑通过控制不同位置表面张力的大小以灵活主动控制气囊展开时的状态。比如，可以通过减小气囊边缘处的表面张力(因为其在此处曲率半径由于大幅度扭转而较小)使其自发地形成较为扁平的形状。

3、高维修正胡克定律

人体和气囊内部气体会共同令气囊表膜产生剪应变，这是一个多自由度的模型，因此需要多变量形式的胡克定律帮助计算表膜所产生的弹力。

假设膜张力线性依赖于表面应变，根据Dimitrakopoulos描述红细胞薄膜时采用的描述方式，导出多应变情境下的高维修正胡克定律如下：

由此式可以推导出气体和人体共同令气囊表膜产生应变时表膜的应力，以计算人体所受到的大小，推算人体加速度。

4、标态形变剪切模量的弹簧近似模型

为计算表膜因剪切形变对人体施加的弹力，本发明将气囊表膜等效成弹簧模型。

如希望此薄膜稳定，则单位面积上压强必须与切应力的径向分量平衡。有物体将薄膜下压的情况：

假设表膜半径为L，剪切模量为G，截面积为S，若表膜被外界挤压后偏离平衡位置h距离，则表面会与水平线形成夹角θ，由于L远大于h，将θ近似为小角。根据切变模量的定义可以推出此时表膜产生的弹力：

根据上式，可以将弹性模等效成一个弹簧，弹性系数为GS/L。在此的弹簧体假设大量的化简了整体计算的复杂度，起到了模型近似的作用。由此模型就可以计算气囊表膜对人体产生的反冲力，得到人体的加速度。

5、气囊表膜受力分析

气囊表膜的状态同时还关系到了气体内部的压强，分析表膜的受力可以确定气体压强与表膜形变之间的关系，再根据表膜形变与人体加速度的关系，建立气体压强与人体加速度的联系。

考虑气囊上的某一面积元dS，当人体接触到气囊后，面积元会受到人体施加的向下压强P₁和气囊内部气体施加的向上压强P。由于人和气囊表膜始终接触，两者的加速度相同，所以对面积元可以写出动力学方程：

dma＝(P-P₁)dS (5)

其中σ为表膜的质量面密度，a为人体加速度，此处人体施加的压强P₁可由电阻式压力传感器测得。此公式确定了人体加速度与气体内部压强的关系，只要控制气体压强就可以通过此式得到加速度的相应控制效果。

6、绝热条件下理想气体的流出

实际操作时利用气囊气体的流出减小气囊内部的气体压强，故需探究气体排出速度与气体压强之间的关系。

对于绝热过程，由于所有态转换都是独立于环境的的，且没有外界做功，可以将此过程描述为等熵的变化。

恒熵时有-γdlnV＝dlnp，积分可得：

pV^γ＝p₁V₁ ^γ＝C₀ (8)

即为理想气体的绝热方程，其中C₀为常数，可由气体的初始状态确定。气体初始的温度和压强可由气压温度传感器测得，由理想气体状态方程得到气囊内气体的初始体积。

考虑一容积不变的容器，设其容积为V，内部理想气体压强为P，比热容比为γ，假设有一抽气机以恒定的体积速率u(t)在抽气。

根据体积速率的定义：

dV＝udt (9)

对上式进行微分运算可以得到：

V^γdP+PγV^γ-1dV＝0 (10)

联立(9)式和(10)式可以写出关于压强P和抽气时间t之间的微分方程：

V^γdP+PγV^γ-1udt＝0 (11)

解此微分方程给出压强P和时间t之间的关系；

在本研究场景中，人体对气囊的撞击是一个秒级的快速过程，因此若不考虑七氟丙烷的相变，则气囊内部气体可理想化地视为经历了绝热过程。另一方面，抽气机的抽气速率在实际过程中可操控，即可以被写成一个关于时间的函数u(t)，计算时需要对(11)式到(12)式的推导进行如下更改：

接下来考虑体积可变化的情况。作为初步研究，此处理想化地假设气囊内部体积等于初始体积减去抽走体积，即：

由气体的绝热方程可得气体压强与体积的关系

联立(14)式和(15)式得到：

整理(4)式，(6)式和(16)式，确立气体压强和气体排出速率之间的关系。得到可控的人体加速度：

6、考虑七氟丙烷液化的公式修正

上述计算重力加速度时同时忽略了七氟丙烷气体的液化过程，由于气体液化会延长缓冲过程，计算得出的加速度应比实际值更高。考虑到气体液化所带来的误差应与此数值处于同一数量级，在上述加速度前乘一个修正因子α_液化来近似真实的的加速度大小。

α_液化作为正比系数，可以通过实验测出。此处测量的加速度值均为人体所受最大加速度。经过验证，随着坠落高度增长，修正因数α_液化逐渐在0.69处收敛。所以，对于防止坠落者受伤的情景，将α_液化向上取到0.73是合理且安全的。

因此，本发明通过上述计算导出了人体与气囊碰撞时人体所受加速度的公式。这是整个物理模型的根基，可以通过此模型限制加速度大小并进行调整函数u(t)以得到最合理的气体排放方式，进而将整个气囊运作起来。

本发明分析了人体受力在不同时刻下的大小与人体所受的加速度，最终得出只要能够将人体短时间所受的加速度控制在2.5g以下就不会造成损害。式(2)说明了可以考虑通过控制不同位置表面张力的大小以灵活主动控制气囊展开时的状态。在节省材料的前提下最大化覆盖面积。

为探究表膜对人体产生的缓冲效果，本发明引入切变模量计算出了等价的胡克定律，并对于此情况近似成弹簧体方便运算。针对人体所受加速度大小，本发明进行了进一步的运算与分析。由于撞击过程是一个秒级的快速过程，故将整体撞击过程认为是一个绝热过程。由于整体气体体积是在受两方面变化的，将气体放出造成的损失构造了函数u(t)。可以通过此模型限制加速度大小并进行调整函数u(t)以得到最合理的气体排放方式。考虑到模型忽略了气体相变的影响，本发明还考虑了表面附近气体的液化所造成的压力修正α_液化因子，并通过实验测出了此因子在实际运用中的大小，得到式(18)，成功确定了人体所受的加速度的大小与各参数的关系。可以通过此模型限制加速度大小并进行调整函数u(t)以得到最合理的气体排放方式。

本发明的紧急救援气囊的操作简洁方便，只需要一个消防员启动，剩下可由气囊自动完成展开、充气和排气。气囊的展开与充气能够同时进行，速度快，展开与充气总消耗时间在1分钟以内，约为30-40秒，能够更好地节省救援时间。在救援过程中通过计算使得部分单元块排气，实现被救援者的柔性着陆，减少二次伤害。另外，本发明采用七氟丙烷作为气源物质，安全环保，容易储存。本发明的紧急救援气囊可以至少完成对于100kg重量的人体在50m处的有效、快速、安全救援，并且成本较低，气源使用一次的成本能够控制在100元之内，气囊整体以及电器设施的成本可以维持在1000元以下。

以上实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定，本领域技术人员在权利要求的范围内做出各种变形或修改，均属于本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种分布式快速启动紧急救援气囊，其特征在于，包括主控单元、气源组件以及n×n个呈网格状分布的单元块(1)；其中，n为奇数；

所述主控单元与所述气源组件通信连接，所述气源组件用于向每个所述单元块(1)充气；所述气源组件中的气源物质为七氟丙烷；

每个所述单元块(1)与其相邻的单元块(1)之间通过第一连接组件(3)连通，所述第一连接组件(3)上设置第一控制阀，所述第一控制阀与所述主控单元通信连接；

每个所述单元块(1)内设置检测组件，用于检测坠落者的瞬时速度、坠落位置以及单元块(1)的内部气压，所述检测组件与所述主控单元连接；

每个所述单元块(1)上设置与所述主控单元连接的排气结构；

当紧急救援气囊启动，主控单元调节第一控制阀打开，以处于中心位置的单元块为第1充气单元块，与第1充气单元块相邻的单元块为第2充气区，以此类推，直到第n充气区；主控单元控制气源组件按照先后次序对第一充气单元块、第2充气区，...第n-1充气区和第n充气区进行充气，并且在第1充气单元块充满之前即开始对第2充气区充气；

当被救援者(2)落到紧急救援气囊的某个单元块，主控单元调节与被救援者(2)接触的接触单元块、与接触单元块连通的部分一级单元块以及与一级单元块连通的部分次级单元块上的排气结构打开，进行排气。

2.根据权利要求1所述的分布式快速启动紧急救援气囊，其特征在于，当被救援者(2)落到紧急救援气囊的某个单元块，所述接触单元块、所述一级单元块以及所述次级单元块的排气量依次递减。

3.根据权利要求1所述的分布式快速启动紧急救援气囊，其特征在于，所述主控单元包括中心控制芯片以及设置在每个单元块(1)内的区块处理芯片，所述中心控制芯片分别与每个区块处理芯片通信连接；

所述检测组件与区块处理芯片通信连接；所述第一控制阀与区块处理芯片通信连接；所述排气结构与所述区块处理芯片通信连接。

4.根据权利要求3所述的分布式快速启动紧急救援气囊，其特征在于，所述气源组件包括基本气囊(5)、气源以及第二连接组件；

所述基本气囊(5)设置在所述n×n个单元块(1)的下方，并且与所述n×n个单元块(1)的面积相同；所述气源设置在所述基本气囊(5)的内部，所述第二连接组件的数量与所述单元块(1)的数量相同；所述第二连接组件的两端分别与所述单元块(1)以及所述基本气囊(5)连接；所述第二连接组件上设置第二控制阀，所述第二控制阀与所述区块处理芯片通信连接；

所述第二连接组件为气体通道，所述气源以及所述气体通道的外侧设置抗冲击材料；

所述基本气囊(5)内还设置气囊处理芯片，所述气囊处理芯片与所述中心控制芯片通信连接；所述气源的出口处设置电磁阀门，所述电磁阀门与所述气囊处理芯片通信连接。

5.根据权利要求3所述的分布式快速启动紧急救援气囊，其特征在于，所述气源组件包括多个气源(4)，气源(4)的数量与所述单元块(1)的数量相同，每个气源(4)分别设置在每个所述单元块(1)内的底部；

气源(4)包括储气容器以及储气容器内的七氟丙烷；

所述储气容器为塑料材质或者钢制；所述储气容器的外部设置抗冲击材料每个气源(4)的出口处设置电磁阀门，所述电磁阀门与所述区块处理芯片通信连接。

6.根据权利要求1所述的分布式快速启动紧急救援气囊，其特征在于，所述单元块(1)的材料为阻燃的高分子材料。

7.根据权利要求1所述的分布式快速启动紧急救援气囊，其特征在于，所述第一连接组件(3)设置在所述单元块(1)的底部；

所述第一连接组件(3)为气体通道，所述气体通道的外侧设置抗冲击材料。

8.根据权利要求3所述的分布式快速启动紧急救援气囊，其特征在于，所述检测组件包括电磁传感器、气压温度传感器以及电阻式压力传感器；所述电磁传感器用于检测坠落者的瞬时速度，所述气压温度传感器用于检测单元块(1)的内部气压和温度，所述电阻式压力传感器用于检测被救援者(2)的位置和重量；

所述电磁传感器、所述气压温度传感器以及所述电阻式压力传感器分别与所述区块处理芯片通信连接。

9.一种采用权利要求1-8任一项分布式快速启动紧急救援气囊的进行紧急救援的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、充气：启动紧急救援气囊，主控单元调节第一控制阀打开，主控单元控制气源组件按照先后次序对第一充气单元块、第2充气区，...第n-1充气区和第n充气区进行充气，并且在第1充气单元块充满之前即开始对第2充气区充气，使紧急救援气囊自动展开；

S2、救援：被救援者落到紧急救援气囊后，检测组件检测被救援者(2)的掉落位置，以掉落位置所在的单元块为接触单元块，与接触单元块连通的单元块为一级单元块，与一级单元块连通的单元块为次级单元块，主控单元控制接触单元块、部分一级单元块以及部分次级单元块上的排气结构打开，进行排气；

S3：被救援者(2)离开紧急救援气囊，主控单元控制气源组件对经过排气的单元块进行补充充气，然后重复步骤S2，直到救援结束。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤S2中，气囊进行排气后，使持被救援者(2)的加速度小于3g。

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