基于TRIZ的懸掛式空軌列車逃生問題的方案設計

2016-03-18 01:04:53ProjectdesignoftheescapeofsuspendedmonorailvehiclebasedonTRIZ

制造業自動化 2016年1期

Project design of the escape of suspended monorail vehicle based on TRIZ

胡安新，李　彥，王　凱，夏文涵

HU An-xin, LI Yan, WANG Kai, XIA Wen-han

（四川大學制造科學與工程學院，成都 610065）

基于TRIZ的懸掛式空軌列車逃生問題的方案設計

Project design of the escape of suspended monorail vehicle based on TRIZ

胡安新，李彥，王凱，夏文涵

HU An-xin, LI Yan, WANG Kai, XIA Wen-han

（四川大學制造科學與工程學院，成都 610065）

摘要：針對緊急情況下懸掛式空軌列車上乘客難以快速逃生的問題，將發明問題求解理論（Theory of inventive problem solving, TRIZ）引入到該問題的方案設計中。在對現有問題分析和現有逃生方式分析的基礎上建立沖突模型，通過查詢沖突矩陣得到沖突問題的發明原理，在對所有發明原理進行解讀，思考后篩選出能夠用到的發明原理，在發明原理的啟發思考下得到懸掛式空軌列車快速逃生問題的初步方案，用模糊評價法對初步方案做出評價并從中選出較好的方案進一步設計，并且檢驗該方案是否符合最終理想解的要求。最終，設計出一種列車在遇到意外事故時乘客快速逃生的方案，能提高乘客逃生效率。

關鍵詞：懸掛式空軌列車；快速逃生；TRIZ；方案設計；模糊評價法

0 引言

懸掛式空軌列車是單軌交通中的一種，列車的軌道梁由墩柱支撐懸掛在空中，列車懸吊在軌道梁下運行。懸掛式空軌列車跟其它類型的交通方式相比存在諸多優點[1～4]：1）建設成本低，其建設費用遠低于地鐵，僅為地鐵的1/3～1/4，而且其保養費用也比地鐵和傳統鐵路要低；2）建設工期短，地鐵和輕軌的建設周期至少需要3～5年的時間，而空軌的建設周期最多需要1～2年的時間；3）占地面積小，空間適應行強，空軌列車只占用地面支座的土地面積就可以在空中建立起一條運輸線，無需道床，對地面建筑影響極小，更不會影響地下管道；4）爬坡能力強，空軌列車使用橡膠輪胎，可通過100%的坡道和半徑30m的曲線；5）乘坐舒適噪聲小，橡膠輪胎可以減小噪聲和振動，列車運行平穩。

懸掛式空軌列車為解決城市交通擁堵問題提供了一個新的思路，因此學者們從多個角度研究懸掛式空軌列車。C.H. Lee[5]等提出了空軌列車在運行情況下由振動引起的動態響應的一種分析步驟。V.GUTAREVYCH[6]構建了一種在空軌列車運行時懸掛式空軌列車車廂的允許彈性應變模型，并通過該模型來確定懸掛式空軌列車車廂的特點和懸掛部分之間的相互連接。V.GUTAREVYCH[7]同時構建了一種空軌列車在運行時各節車廂互相作用的動態模型，并且考慮了側擺。最后通過運動方程分析并判斷出各節車各自的振動頻率。

相比較而言，對于懸掛式空軌列車上乘客逃生的研究較少。空軌列車雖然運行安全，但一旦遇到突發狀況，由于掛在半空中，乘客即使打開車門或者砸開車窗也無法逃生。因此，目前很多時候乘客都是等待救援[8]。在緊急情況下，也可以借助車門的緩降裝置來逃生[9]。在急需落地逃生的時候，主要運用類似大樓失火逃生方法，在列車值乘人員的指揮和協助下，乘客利用繩索或帆布滑道由車廂直接降到地面，或運用救火車的云梯將乘客轉載到地面[10]。但是上逃生方式都存在一些不足。等待救援會花費的時間較多；借助帆布滑道時，列車下方必須有人固定帆布下端；使用繩索等緩降裝置逃生時，效率較低；而使用云梯則費時費力。因此，本文借助TRIZ理論，以懸掛式空軌列車上的乘客的快速逃生問題為研究對象，以提高緊急情況下乘客逃生效率為目標，以沖突解決理論和最終理想解為工具，最終提出一種針對該問題的創新設計方案。

1 基于TRIZ的創新設計策略

發明問題求解理論（Theory of inventive problem solving, TRIZ）是前蘇聯著名發明家Altshuler領導的研究機構分析了全世界近250萬件高水平專利的基礎上，綜合多學科領域的原理后提出的一套理論方法體系[11]。經過60多年的發展，TRIZ理論已經形成了一套解決產品開發實際問題的九大經典理論體系。

1.1 沖突解決理論

沖突解決理論是TRIZ理論中一種重要的發明問題解決方法。TRIZ中可以這樣理解沖突，它是指內在要素、作用或主張彼此不一致或相反的情況。在TRIZ中，沖突分為技術沖突和物理沖突。技術沖突是指改善技術系統中某一特性，某一參數時，常常會引起系統中另一特性或參數的惡化。而物理沖突是指一個系統的某個參數具有相反的要求。通常在應用沖突解決理論解決實際問題時，首選要判斷該問題屬于技術沖突還是物理沖突，然后再應用相應的求解方法求解。技術沖突的求解通常需要應用沖突矩陣和發明原理，而物理沖突的求解則需要使用四大分離原理。英國Bath大學的Mann提出, 解決物理沖突的分離原理與解決技術沖突的發明原理之間存在關系, 一條分離原理可以與多條發明原理存在對應關系[12]。簡而言之，很多物理沖突問題可以轉化為技術沖突問題解決。因此，本文重點使用技術沖突。

技術沖突[13]的求解過程會用到通用技術參數、沖突矩陣、發明原理。通用技術參數是Altshuler通過對大量專利文獻分析后，陸續總結出來39個通用技術參數。借助39個通用技術參數，可以將一個具體問題轉化并表達為標準的TRIZ問題。發明原理是Altshuler通過對大量的專利進行分析，研究，總結，提煉出TRIZ中最重要最普遍的40個發明原理。40個發明原理為實際問題的解決提供一個思考途徑，可以快速的找到解決問題的方向。而把通用技術參數和發明原理聯系起來的則是沖突矩陣表，沖突矩陣表中的行表示的是改善的通用技術參數，列表示的是惡化的通用技術參數，行和列交叉的每個單元格表示這兩個技術參數組成的技術沖突對應的發明原理。

技術沖突求解步驟分為三步。首選，提取出實際問題中的技術沖突——改善某一技術參數卻導致另一技術參數惡化。然后查詢沖突矩陣，得到發明原理解。最后，根據發明原理解得到解決問題的方案。

1.2 最終理想解

最終理想解認為：技術系統的理想化狀態是不存在物理實體，不消耗資源和能量，卻能夠實現所有必要的功能[14]。產品處于理想狀態的解稱為理想解。理想解的作用是指明通往解決方案的路，使問題尖銳化，不走折中之路。理想化是系統的進化方向，不管是有意改變還是系統本生的進化發展，系統都在朝著更理想的方向發展，而最終理想解就是終極的追求目標。

最終理想解有4個特點：1）保持了原系統的優點；2）消除了原系統的不足；3）沒有使系統便得更復雜；4）沒有引入新的不足。因此，對于提出的解決問題的方案只要符合上述4個特點就是符合要求的方案。

1.3 基于沖突解決理論——最終理想解的創新設計策略

綜上所述，首選對選定的產品問題分析并建立沖突模型；其次應用沖突解決理論求解上述沖突得到發明原理解，并由發明原理解構思出解決問題的初步方案；然后應用模糊評價法對上述方案進行評價，從中篩選出較好的方案；最后對篩選出的方案進一步設計，并且按照最終理想解的要求進一步設計的方案進行驗證得到最終方案。基于沖突解決理論——最終理想解的創新設計策略流程圖如圖1所示。

圖1　基于沖突解決理論——最終理想解的創新設計策略流程圖

2 基于TRIZ的懸掛式空軌列車逃生方案設計

2.1 問題分析

懸掛式空軌列車作為一種交通工具，主要的功能是運送乘客。從外面看，懸掛式空軌列車主要分成三個部分：車體、轉向架和軌道梁體。車體包括駕駛艙和乘客艙，軌道梁體是空軌列車運行的軌道，而轉向架上部通過走行輪和導向輪相對固定在軌道梁體內部，轉向架下部通過連接桿、車鉤和緩沖裝置連接車體。轉向架上安裝有驅動電機，在電機的帶動下，轉向架中的走行輪和導向輪在軌道梁的內部運動，從而帶動整個車體前行。懸掛式空軌列車的運行情況和懸掛結構示意圖如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖2　懸掛式空軌列車運行情況和懸掛結構示意圖

當列車出現意外事故時，車上乘客必須快速離開列車，快速逃生。由于懸掛式空軌列車運行在距離地面6米左右高的位置，乘客無法直接離開列車到達地面。當然，目前也有一些應對措施：在懸掛式空軌列車上預先放置緩降逃生，一旦發生意外事故，乘客可以借助緩降逃生裝置降落到地面。使用帆布滑道，于現在列車上配備帆布滑道并折疊放好；當需要用帆布滑道逃生時，需要將帆布滑道打開并且一端固定在地面，另一端固定在列車車門處，乘客可沿帆布滑道滑到地面。也可以在列車上預先準備繩索軟梯等緩降逃生設備以備急用。

上述方法都能起到一定的救援作用，但是都存在一些不足。在空軌列車上安裝緩降裝置雖然能夠讓乘客逃生到地面，但是使整個空軌列車變復雜。使用帆布滑道雖然可以保證乘客順利逃生到地面，但是必須要地面有人固定帆布滑道的另一邊，這樣使得逃生的操作流程變復雜。在空軌列車上預先放置繩索等逃生設備，雖然可以在一定程度上減小逃生的時間損失，但是增加了空軌列車的元件數量。因此，需要一種更加優化的解決方案。

2.2 建立沖突模型

通過上述問題分析，可以看出目前的逃生方法某一技術參數得到提升的同時，另一技術參數卻在下降。改善的技術特性：乘客逃生的可靠性，乘客逃生的時間損失。由此導致惡化的技術特性：整個類車系統變復雜，乘客逃生流程繁瑣，列車元件數量。從上述分析可以得到如下沖突模型。

沖突一：

希望改善的技術參數：可靠性。

致惡化的技術參數：系統的復雜性。

沖突二：

希望改善的技術參數：可靠性。

沖突三：

導致惡化的技術參數：操作流程的

導致惡化的技術參數：操作流程的方便性。

2.3 查詢沖突矩陣表

根據上述4個技術沖突查詢沖突矩陣表，得到對應的發明原理，如表1所示。

表1是沖突矩陣表的一部分，表格中的行表示改善的技術參數，表格中的列表示惡化的技術參數，行和列交叉就表示兩個技術參數構成技術矛盾，而表格中的數字表示對應的發明原理序號，具體解釋參照文獻[13]。

表1　沖突矩陣

2.4 初步方案

上述發明原理提供解決問題的一種思路，只有一部分的發明原理能得到比較合適的解決方案。結合懸掛式空軌列車乘客逃生的具體情境，類比其他情況下的逃生[15,16]，思考得到如下的初步方案，如表2所示。

表2　懸掛式空軌列車快速逃生初步設計方案

3 方案評價與選擇

3.1 模糊評價法

對于上述方案，本文采用模糊評價法進行評價。模糊評價法是引入模糊數學的概念，對多種模糊因素所影響的事物或現象進行總的評價，是一種定量研究多屬性事物的工具[17]。使用模糊評價法的具體步驟如下[18,19]：

4）確定模糊評價矩陣R( rij)n× m；

rij( i= 1,2,L ,n , j= 1,2,L ,m )表示第i個評價指標第j個等級所占的比重，其值一般通過專家打分得到；

6）最后對結果C按優劣進行排序。

3.2 方案評價

對于第2節中的四個方案，按照3.1節模糊評價法的步驟進行評價。根據懸掛式空軌列車的優缺點及其需求分析，確定評價指標為：列車生產成本（X1），逃生過程的復雜程度（X2），逃生的效率（X3），環保低噪節能（X4）。

建立評價指標對應的權重系數集K={0.1，0.3，0.4，0.2}。權重系數是根據鐵二院專家的打分結果統計處理后得到。

評價集共有三個等級，并且賦予定值：

Y={Y1，Y2，Y3}=（優，中，差）=｛3，2，1｝

建立4個方案的模糊評價矩陣RA、RB、RC、RD，矩陣中的數據是根據鐵二院專家打分結果由統計法求得。

然后，計算出各方案的模糊評價值：

最后，對各個方案的模糊評價值進行排序，上述四個方案優劣排序為：C，A，B，D。于是選擇方案C，即可伸縮的懸掛式空軌列車。

4 最終方案

進一步設計，該方案對懸掛桿與車體的連接和安全鋼索做了相應的改進。原來的懸掛式空軌列車懸吊結構簡圖如圖2所示，懸掛桿與車體之間的連接是不可拆卸連接，而安全鋼索主要作用是穩定懸掛式空軌列車，使列車的搖擺限定在安全舒適范圍內。改進后的懸吊關系圖如圖3所示，懸掛桿和車體的連接狀態是根據列車上的控制裝置來改變的。并且原來的安全鋼索長度增加，大約5、6米的長度，由于懸掛桿上端到下端長度較短，所以安全鋼索環繞呈類似彈簧的形狀。

圖3　可伸縮懸掛式空軌列車示意圖

在空軌列車正常運行的時候，列車懸掛在較高的適合運行的高度，懸掛桿和列車連接牢固，并且靠重力自鎖。當列車出現意外事故的時候，機車操作人員操作控制裝置使懸掛桿和車體脫離連接。此時，空軌列車車體由于重力下落，從而使纏繞的安全鋼索變成一條豎直鋼索。鋼索豎直之后，車體便不能在下降。選擇合適長度的安全鋼索，空軌列車停在距離地面不超過1米的高度，這樣乘客便可以直接從列車上到達地面，從而實現快速安全逃生。此外，安全鋼索的下端連接液壓減震器，在列車下落的過程中可以起到一定的減震緩沖作用。

按照最終理想解的要求對上述最終方案進行驗證。把該方案和原來的逃生情況相比，可以看出：1）該方案保持了目前空軌列車建設成本低，工期短，占地面積小等優點；2）該方案消除了原系統的不足，目前的懸掛式空軌列車普遍存在逃生較慢的問題，針對該問題，本文提出了改進方案，列車車體可以在發生事故的降到地面使乘客快速逃生；3）該方案使系統稍微變得更復雜。改進方案中改進了懸掛桿和車體的連接方式以及安全鋼索的纏繞方式，但是并未增加很多的元件，使系統便得過于復雜；4）該方案沒有引入新的不足。因此，該方案基本符合最終理想解的要求。可伸縮懸掛式空軌類車對于解決懸掛式空軌列車乘客快速逃生具有一定的指導意義。

5 結論

本文在發明問題求解理論（TRIZ）的基礎上，提出了一種基于沖突解決理論——最終理想解的創新設計策略，并把該策略應用在懸掛式空軌列車乘客快速逃生問題方案設計中，在通過對實際問題分析的基礎上，確定技術沖突，由沖突矩陣確定可用到的發明原理，由發明原理提供的思路得到初步方案，應用模糊評價法對初步方案進行評價并選出較好的方案進行進一步設計得到最終方案，最后按照最終理想解的要求對最終方案進行驗證。從結果可以看出：可伸縮懸掛式空軌列車方案設計可以提高乘客逃生效率，除了改變車體和懸掛桿的連接方式和安全鋼索，沒有其他方面的不足。因此該方案可以為解決懸掛式空軌列車的乘客逃生問題提供一個思考方向。

參考文獻：

[1] 李芾,許文超,安琪.懸掛式空軌列車的發展及其現狀[J].機車電傳動,2014 (2):19-20.

[2] 張建全,黃運華,李芾,等.獨軌交通的發展及其在城市軌道交通中的應用[J].鐵道機車車輛.

[3] 溫宇平.單軌交通在我國發展模式的探討[J].鐵道運輸與經濟,2001,23(11):23-24.

[4] 周美艷.懸掛式空中列車的應用發展[ J ] .國外鐵道車輛,2014,51(2):10-11.

[5] C.H. Lee, M. Kawatani, C.W. Kim, et al. Dynamic response of a monorail steel bridge under a moving train[J].Journal of sound and vibration, 2006, 294: 562-579.

[6] Viktor GUTAREVYCH. A mathematical model study of suspended monorail[J].Transport Problems,2012:61-66.

[7] Viktor GUTAREVYCH. Dynamic model of movement of mine suspended monorail[J].Transport Problems,2014:13-18.

[8] 祁玉華.單軌車輛的安全性分析[J]學術論壇,2005:25-27.

[9] 張建全,黃運華,李芾.獨軌交通的發展及其在城市軌道交通中的應用[J].地鐵與輕軌,2009,29(1):25-30.

[10] 沈文敏.懸掛式空軌列車系統的特點和優勢[J]中國工程咨詢,2013(6):64-65.

[11] 李彥,李文強.創新設計方法[M].北京:科學出版社,2013:100-104.

[12] 張路軍.公理化設計理論與TRIZ集成的設計方法研究[J],工程設計學報,2006,13(6):447-450.

[13] 李彥,李文強.創新設計方法[M].北京:科學出版社,2013:117-142.

[14] ALTSHULLER. The innovation algorithm: TRIZ. systematic, innovation and technical creativity[M]. East Lansing. Mich., USA: Technical Innovation Centre.2000:77-89.

[15] 姚燕生,朱達榮,吳振坤.高層建筑火災緩降逃生設備綜述[J].安徽建筑工業學院學報,2013,21(4):41-45.

[16] 康輝,陳沫.高層逃生自救設備的研究與創新設計[J].機械設計,2014,31(12):78-81.

[17] 孫保權,董少杰,邵作玖,等.探討模糊評價法在水質評價中的應用[J].水利與建筑工程學報,2009,7(3):127-128.

[18] 張志英.模糊評價法在本科畢業設計成績評定中的應用[J].浙江理工大學學報,2011,28(3):467-470.

[19] 樊自甫,魏晶瑩,萬曉榆.基于層次分析法與模糊綜合評價的突發事件應急預案有效性評估[J].數字通信,2012,4(1):15-18.

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