基于RGV的環形橫移式循環電梯創新設計

陳繼文，王 磊，李 鑫，鞏玉濱，常國雷，李凱凱

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101；2.山東省綠色制造工藝及其智能裝備工程技術研究中心，山東濟南250101；3.山東信息通信技術研究院管理中心，山東濟南250101）

隨著社會的進步和科學技術的發展，建筑的規模不斷擴大，功能日益綜合。從建筑學角度來看，環形建筑有利于減小風的阻力，降低高樓風的形成概率；同時，環形建筑具有未來感十足的空間形象，更符合大眾的審美標準。因此，在大中型城市中越來越多的環形建筑（如大型體育中心、藝術中心及會展中心等）拔地而起［1］。環形建筑（如圖1所示的東莞市光啟科學中心和圖2所示的濟南市高新齊魯軟件園等）往往具有較大的建筑半徑，而建筑高度略低，這對建筑內水平方向的交通運輸能力提出了較高的要求［2］。

圖1 光啟科學中心Fig.1 Guangqi Scientific Center

圖2 濟南市高新齊魯軟件園Fig.2 Jinan High-tech Qilu Software Park

電梯作為高層建筑內必不可少的交通運輸工具，能夠有效地解決建筑內人員、貨物的運輸問題［3］。傳統電梯只能在電梯井道內實現垂直運輸，僅能通過提高電梯運行速度、增加電梯數量及加大電梯轎廂負載來緩解大客流運輸壓力，但不能實現水平方向的運行，難以滿足現代高層建筑的運輸需求［4］。

RGV（rail guided vehicle，有軌制導車輛）廣泛用于高密度儲存倉庫之間的物料運輸。RGV可在軌道上平穩快速地運行，能夠大幅提高倉庫間貨物的運輸效率［5］。TRIZ（Teorija Rezhenija Inzhenernyh Zadach，發明問題解決理論）是由蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒等通過總結技術發展進化所遵循的規律而提出的解決各種矛盾和實現產品創新設計的理論［6］，該理論強調解決實際問題，特別是發明問題，并通過解決發明問題來實現創新設計。TRIZ闡述了發明問題解決的過程、支持工具等，是世界級的創新方法，廣泛應用于各個領域［7］。

本文擬以TRIZ為指導，在傳統電梯的基礎上，提出一種基于RGV的環形橫移式循環電梯的創新設計方案，以實現電梯在環形建筑內的垂直和水平運行，并對其調度策略進行分析和研究。

1 TRIZ簡介

TRIZ著力于強調系統中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。與傳統創新方法（如頭腦風暴法、試錯法等）不同，TRIZ經過七十多年的發展，已經成為較為完善的創新理論體系，其含有一整套用于分析問題和解決問題的算法和工具，能夠解決實際發明問題［8］。其中：問題分析工具包括矛盾分析、物-場分析、功能分析和因果分析等，這些工具能夠對待解決的技術系統問題進行分解分析，并建立相關的問題模型［9］；問題求解工具包括發明問題標準解法、科學原理知識庫、技術矛盾創新原理和物理矛盾分離方法等，針對運用問題分析工具建立的問題模型，選擇相應的問題求解工具來獲取問題的解決方案。此外，TRIZ中還包括最終理想解法、資源分析法、九屏幕法、聰明小人法和尺寸-時間-成本法等創新思維工具，可幫助設計人員拓展創新思維，突破思維慣性［10］。

基于TRIZ的發明問題求解流程如圖3所示。本文將選用TRIZ中的因果分析、技術矛盾創新原理和物理矛盾分離方法來解決環形建筑內人員移動效率低的問題：利用因果分析對工程問題進行識別，確定要解決的關鍵問題；使用技術矛盾創新原理和物理矛盾分離方法進行求解并生成解決方案，并對最終的解決方案進行可靠性驗證。

圖3 基于TRIZ的發明問題求解流程Fig.3 Solution process of invention problem based on TRIZ

2 基于TRIZ的問題分析

因果分析是一種研究事物發展結果與產生原因之間的關系，并對影響因果關系的因素進行分析的方法。因果分析始于由項目目標決定的初始缺點，通過分析其影響因素得出中間缺點，進而繼續挖掘下一層級的影響因素，直至得到末端缺點。因果分析的目的是梳理問題中隱藏的邏輯鏈及對應形成機制，找出問題產生的根本原因，然后從梳理出的邏輯鏈及形成機制中找到可解決問題的所有可能的突破點，最終找到最優突破點［11］。

本文選用因果分析中的因果鏈分析，從最表層的待解決問題——環形建筑內人員移動效率低出發，尋找該問題產生的直接原因，然后以這些原因為結果，繼續尋找產生這些結果的原因，重復上述過程直至找到環形建筑內人員移動效率低的根本原因。當導致問題產生的原因有多個時，通過“and”（多個原因同時存在才會導致問題產生）或者“or”（多個原因只要有一個存在就會導致問題產生）來連接它們［12］。環形建筑內人員移動效率低的因果鏈模型如圖4所示。由圖4可知，環形建筑內人員移動效率低的主要原因是：1）相比于普通建筑，環形建筑內人員需要移動的距離過長；2）現有的垂直電梯暫時無法實現橫向移動，現有的橫向自動人行道無法實現環形移動，即暫無有效的可實現環形橫移的交通工具。

由因果鏈分析結果可知，環形建筑內人員的移動距離較長，而安裝的多部電梯之間獨立運行，缺乏合理的連接。若想實現電梯的環形橫移，必須對現有電梯的結構進行改進。基于此，提出一種環形橫移式電梯：在2個垂直電梯之間加裝環形橫移通道，當電梯需要環形橫移時，其轎廂進入環形橫移通道即可實現環形橫移。環形橫移式電梯的結構如圖5所示。

圖4 環形建筑內人員移動效率低的因果鏈模型Fig.4 Causal chain model of low personnel movement effi-ciency in the annular building

圖5 環形橫移式電梯的結構示意圖Fig.5 Structure diagram of annular transverse elevator

3 基于TRIZ的問題求解

TRIZ將常見的矛盾分為2類：技術矛盾和物理矛盾［13］。當技術系統中的某一特性或參數被改善時，系統中的另一特性或參數惡化，這種矛盾為技術矛盾。技術矛盾主要描述技術系統中2個特性或參數之間的矛盾，即技術系統內部的矛盾。在很多情況下，被改善的參數為技術系統的功能或效果等，而惡化的參數需客觀判斷［14］。物理矛盾是指對一個技術系統中的同一個參數提出了相反或不同的要求，即物理矛盾表征的是對技術系統中同一個參數提出相互排斥需求的一種物理狀態［15］。

3.1 技術矛盾求解

環形橫移式電梯可大幅縮短電梯同層移動的時間，但是由于電梯內僅有1個轎廂，當該轎廂進入環形橫移通道后，垂直井道內無轎廂運行，這增加了垂直方向上乘客的候梯時間。環形建筑內電梯結構的改進，雖提高了人員的橫向移動效率，但降低了電梯在垂直方向上的運行效率，這兩者之間的矛盾屬于技術矛盾，可將該技術矛盾歸納為環形建筑內電梯結構的改進導致電梯垂直方向上的時間損失。查詢TRIZ中由39個通用工程參數組成的矛盾矩陣表可知，可用于解決該技術矛盾的發明原理為No.10預先作用、No.14曲面化、No.17多維化及No.34拋棄與再生。

根據No.17多維化原理［14］，提出將普通單轎廂電梯改為循環式多轎廂電梯的設計方案：將垂直井道改為垂直循環井道，在垂直循環井道的拐角處設置環形橫移通道，同時在井道內部設置多個垂直轎廂和橫移轎廂，且轎廂可在井道頂層和底層進行換向［16］。電梯正常運行時，垂直轎廂和橫移轎廂在垂直循環井道內垂直循環運行，當乘客有橫移需求時，橫移轎廂進入環形橫移通道以實現環形橫移。循環式多轎廂電梯的轎廂采用直線電機驅動［17］，直線電機的動子安裝在轎廂背面的旋轉裝置上，直線電機的導軌鋪設在垂直循環井道壁上，在井道拐角處安裝換向裝置。當電梯轎廂到達換向處時，轎廂由井道壁上的鎖止裝置固定，導軌旋轉換向并帶動直線電機換向，換向完成后鎖止裝置松開，直線電機驅動轎廂運行。運用多維化原理改進的電梯結構如圖6所示。

圖6 運用多維化原理改進的電梯結構示意圖Fig.6 Structure diagram of elevator improved by multi-di-mensional principle

將環形建筑內的普通單轎廂電梯設計為循環式多轎廂電梯，解決了傳統電梯單個轎廂占用單個井道所導致的建筑空間浪費問題，大幅縮短了垂直方向上乘客的候梯時間，提高了垂直方向的運行效率，減少了時間損失。但是，由于垂直循環井道與環形橫移通道的連接處需設置為通孔以保證橫移轎廂通過，使得驅動轎廂運行的直線電機的導軌無法在該處鋪設，即此處結構設計不合理，說明電梯結構不穩定。對時間損失和電梯結構穩定性這一技術矛盾進行分析，查矛盾矩陣表可知，可用于解決該技術矛盾的發明原理為No.3局部質量、No.5組合、No.22變害為利及No.35狀態和參數變化。

選用No.3局部質量原理和No.5組合原理［14］對電梯結構進行改進。首先，應用No.3局部質量原理中使物體各部分均處于完成各自動作的最佳狀態的原理，提出將環形橫移通道與垂直循環井道拆分為2個獨立的部分，使得環形橫移通道和垂直循環井道均處于最佳狀態，以解決其連接處直線電機導軌無法鋪設的問題；然后，應用No.5組合原理中在空間上將相同操作組合在一起的原理，將橫移轎廂進入環形橫移通道的過程與轎廂在垂直循壞井道內換向的過程組合，即在垂直循環井道與環形橫移通道的連接處設置轎廂緩沖區，當橫移轎廂需要從垂直循環井道進入環形橫移通道時，橫移轎廂在原有的換向處進行換向后進入緩沖區，在保證不影響垂直循環井道內其他轎廂運行的前提下，在緩沖區內等待進行環形橫移動作。運用局部質量原理和組合原理改進的電梯結構如圖7所示。

圖7 運用局部質量原理和組合原理改進的電梯結構示意圖Fig.7 Structure diagram of elevator improved by local mass principle and combination principle

將環形橫移式電梯設計為循環式多轎廂結構，并對環形橫移通道的位置進行了合理安排，實現了電梯在垂直方向上的快速運行。但是，對于橫移轎廂進入環形橫移通道的過程及橫移轎廂在環形橫移通道內的運行方式等仍需繼續改進。

3.2 物理矛盾求解

解決物理矛盾的關鍵是實現矛盾雙方的分離，分離原理是解決物理矛盾的重要方法?？赏ㄟ^查矛盾矩陣表或者直接查40條創新原理來尋找解決物理矛盾的工具，即獲取解決物理矛盾的發明原理［14］。通過分析可知，循環式多轎廂電梯橫向運行時要求橫移轎廂先直線運行至緩沖區，再進入環形橫移通道進行環形運行，即要求橫移轎廂既能直線運行又能環形運行，這兩者之間的矛盾屬于物理矛盾，該矛盾主要體現為運行方向上的沖突，可選用空間分離原理來解決。空間分離原理是將矛盾雙方在不同的空間分離，以解決問題或降低問題的難度［17］?？捎糜诮鉀Q上述物理矛盾的發明原理為No.1分割、No.2抽取、No.3局部質量、No.4對稱性、No.7嵌套、No.13逆向思維、No.17多維化、No.24中介物、No.26復制及No.30柔性外殼或薄膜。解決橫移轎廂運行方向矛盾的流程如圖8所示。

圖8 解決橫移轎廂運行方向矛盾的流程Fig.8 Process for solving contradiction of operation direc-tion of horizontal moving cage

根據No.24中介物原理中使用中介物完成所需動作的原理，基于現有的RGV等有軌道的交通運輸工具［18］，提出一種基于RGV的環形橫移式循環電梯設計方案，利用轉運轎廂運載橫移轎廂來實現電梯的環形運行。在環形橫移通道上鋪設軌道，采用輪軌驅動技術實現轉運轎廂在環形橫移通道上的快速運行。根據RGV的驅動系統結構，在轉運轎廂底部安裝驅動裝置并采用單側驅動方式，即驅動裝置外側的2個輪子有電機驅動（驅動輪），內側的2個輪子無電機驅動（從動輪）。轉運轎廂驅動裝置包括牽引支座、電機、防側翻輪、驅動輪、從動輪和導向輪等結構。在轉運轎廂上設置直線電機導軌，使得轉運轎廂可與緩沖區對接，對接完成后，橫移轎廂可直接從緩沖區橫移進入轉運轎廂，并在轉運轎廂的運載下實現環形運行。為了實現橫移轎廂與直線電機導軌的對接，需要改變其中一處垂直循環井道的安裝方向，如圖9所示。基于RGV的轉運轎廂結構如圖10所示，其驅動裝置的結構如圖11所示。

圖9 運用中介物原理改進的電梯結構示意圖Fig.9 Structure diagram of elevator improved by intermedi-ary principle

綜上，通過對環形橫移式電梯的技術矛盾和物理矛盾的分析和解決，提出了一款基于RGV的環形橫移式循環電梯，其運行流程如圖12所示。

圖10 基于RGV的轉運轎廂結構示意圖Fig.10 Structure diagram of transfer cage based on RGV

圖11 轉運轎廂驅動裝置的結構示意圖Fig.11 Structure diagram of driving device of transfer cage

圖12 基于RGV的環形橫移式循環電梯的運行流程Fig.12 Operation process of annular transverse circulation el-evator based on RGV

4 基于RGV的環形橫移式循環電梯的關鍵技術

4.1 基于直線電機的電梯驅動技術

直線電機具有結構簡單、可靠性強等優勢，廣泛應用于軍事、工業、交通運輸業等領域。直線電機能夠直接產生直線運動，無需任何中間轉換機構，適用于作直線運動的場合［19］。國內外專家學者對基于直線電機的電梯驅動技術進行了深入的研究并已取得了開拓性的成果。例如：賈宏新［20］提出了一種基于圓筒形直線感應電機的電梯，并對其控制系統進行了研究；付強［21］基于永磁直線電機對電梯控制系統進行了改進，并研究了由永磁直線電機驅動的電梯的速度波動以及電梯失控時的應急響應；蒂森克虜伯公司研發的MULTI磁懸浮電梯樣機采用直線電機來驅動轎廂的運行與換向［22］，實現了轎廂在井道內的循環運行。

基于直線電機的電梯驅動技術擺脫了傳統曳引鋼絲繩的限制，同時結合了直線電機驅動力大、安全性高、運行噪聲小等優點，是電梯驅動技術的重大突破。

4.2 無繩提升安全保護技術

直線電機導軌上裝有鎖止裝置、位置檢測裝置（位置傳感器）和光電編碼器等。鎖止裝置在斷電時對電梯進行鎖止保護，防止轎廂墜落；位置檢測裝置與電梯控制系統互聯，實時監測轎廂位置，保證轎廂在合適位置處進行停層動作；光電編碼器用于測量相鄰轎廂之間的距離以及轎廂的速度和加速度，當相鄰轎廂間距離小于安全距離時，電梯控制系統控制直線電機運行以使轎廂減速或制動，避免轎廂發生碰撞。

4.3 多轎廂換向技術

電梯轎廂在垂直循環井道頂層和底層換向時，轎廂先在換向處停住，鎖止裝置將轎廂固定，旋轉裝置和換向裝置同時轉動90°并與環形橫移通道對接，鎖止裝置取消鎖止，直線電機使能以驅動轎廂進行環形橫移或垂直運行動作?；赗GV的環形橫移式循環電梯的轎廂換向流程如圖13所示，換向裝置動作過程如圖14所示。

圖13 基于RGV的環形橫移式循環電梯的轎廂換向流程Fig.13 Cage reversing flow for annular transverse circula-tion elevator based on RGV

4.4 基于RGV的環形驅動技術

圖14 基于RGV的環形橫移式循環電梯轎廂換向時換向裝置動作過程Fig.14 Action process of reversing device during cage re-versing of annular transverse circulation elevator based on RGV

RGV按工作方式可分為直行穿梭車和環形穿梭車［23］，以RGV為基礎設計的轉運轎廂驅動裝置外側的電機直接驅動其驅動輪，從動輪無驅動，僅起到從動作用；牽引支座連接驅動裝置與轉運轎廂；4個導向輪分為2組，每組2個，分別置于軌道的兩側，以確保驅動輪和從動輪能按照預定的環形軌道運行；防側翻輪安裝在驅動輪與從動輪的一側，防止轎廂運行時發生側翻。

RGV與電梯轎廂的結合是電梯結構設計上的重大突破?；赗GV的轉運轎廂綜合了RGV安全性高、可靠性高、快速準確和成本低等優點，能夠運載橫移轎廂并進行環形橫移。基于RGV的轉運轎廂的環形運行流程如圖15所示。

圖15 基于RGV的轉運轎廂的環形運行流程Fig.15 Annular operation flow of transfer cage based on RGV

基于直線電機的電梯驅動技術、無繩提升安全保護技術、多轎廂換向技術和基于RGV的環形驅動技術等四大關鍵技術充分保證了基于RGV的環形橫移式循環電梯的經濟性、可靠性及可行性。相較于傳統曳引電梯，基于RGV的環形橫移式循環電梯具有更短的候梯時間、更小的振動噪聲和井道占用面積等優點，雖然目前該類電梯僅處于工程試驗階段，但其應用前景可觀，可帶來巨大的經濟效益與社會效益。

5 基于交叉控制的電梯轎廂調度策略

基于RGV的環形橫移式循環電梯運行時需對垂直轎廂、橫移轎廂和轉運轎廂進行實時調度。基于交叉控制策略［24］，提出了基于RGV的環形橫移式循環電梯轎廂的調度策略，為電梯轎廂規劃最優調度方案，以協調各轎廂之間的運行?；赗GV的環形橫移式循環電梯的調度策略如圖16所示。

圖16 基于RGV的環形橫移式循環電梯的調度策略Fig.16 Scheduling strategy of annular transverse circulation elevator based on RGV

由圖16可知，基于RGV的環形橫移式循環電梯的調度策略具體為：

S1：垂直循環運行動作。垂直循環井道內的垂直轎廂均獨立運行，動態響應乘客的指令。

S2：停層動作。當垂直轎廂或橫移轎廂到達垂直移動乘客或橫向移動乘客的呼梯層時，若當前轎廂不超載，則轎廂停層；當垂直轎廂或橫移轎廂到達乘客的目標層后，轎廂停層。

S3：當有乘客按下廳外垂直呼梯按鈕時，就近的垂直轎廂到達呼梯層并進行停層動作，然后垂直轎廂進行開門動作，乘客進入垂直轎廂，垂直轎廂進行關門動作，乘客按下轎廂內的選層按鈕以選定當前井道內的目標層，電梯指令更新，清除此次已完成的垂直呼梯指令。

S4：當有乘客按下廳外水平呼梯按鈕時，就近的橫移轎廂達到呼梯層并進行停層動作，然后橫移轎廂進行開門動作，乘客進入橫移轎廂，橫移轎廂進行關門動作，乘客按下轎廂內的選層按鈕以選定另一井道內的目標層，電梯指令更新，清除此次已完成的橫移呼梯指令。

S5：橫移轎廂到達當前井道緩沖區并進行停層動作，等待緩沖區與轉運轎廂對接，對接完成后，橫移轎廂進入轉運轎廂，并在環形橫移通道上進行橫移，待移動到目標井道后，轉運轎廂停站并與緩沖區對接，橫移轎廂進入目標井道緩沖區，電梯指令更新，清除此次已完成的環形橫移指令。

S6：橫移轎廂到達目標井道緩沖區后進行停層動作，等待垂直循環井道換向裝置換向，換向完成后，橫移轎廂進入垂直循環井道，指令更新，即橫移轎廂的橫移指令轉換為當前井道的垂直停層指令。

由于橫移轎廂在水平方向需滿足橫移條件后才可進行橫移動作，本文調度策略中橫移條件為橫移轎廂在當前移動方向無順向截梯指令且執行完垂直運行指令。橫移轎廂進入轉運轎廂沿環形橫移通道運行至另一垂直循環井道后，按照順向停層的原則響應橫移轎廂內乘客的指令。

6 結 論

針對大跨度環形建筑，根據TRIZ提出了一種基于RGV的環形橫移式循環電梯。在垂直方向上，該電梯打破了傳統曳引電梯的結構形式，通過在單個井道中安裝多個轎廂實現了上下行分離和循環運行，提高了電梯的運輸效率；在水平方向上，通過架設環形橫移通道來連接垂直循環井道，并基于RGV設計了轉運轎廂，實現了橫移轎廂在環形橫移通道上的運行?；赗GV的環形橫移式循環電梯擺脫了傳統電梯垂直井道和曳引系統的束縛，可同時完成垂直方向和水平方向的運輸任務，減少了橫移轎廂運行時對垂直轎廂的影響，能夠有效提高環形建筑內乘客的水平移動效率，從而使建筑內乘客的整體移動效率提高，具有重要的理論和工程實踐價值。