基于系統論和TRIZ理論的空軌貨運動車設計

武月琴，武雨飛，史志遠

基于系統論和TRIZ理論的空軌貨運動車設計

武月琴1，武雨飛1，史志遠2

（1.西華大學，成都 610039；2.武漢理工大學，武漢 430070）

改善當前中小型港口水鐵聯運銜接能力不足，運輸低效、交通擁堵的問題。首先對水鐵聯運的現狀進行調研分析，運用系統論的研究方法，確定公路運輸是集疏運系統的薄弱環節，在現有研究的基礎上發現空軌符合未來聯運發展的方向，對空軌貨運動車的系統及組件進行分析，利用“人-機-環境”理論與TRIZ理論分析空軌貨運動車的設計，并減少內部物理沖突與技術沖突，得到最終的設計方案。以系統論和TRIZ理論為依據，設計出一款水鐵聯運、清潔高效、無人駕駛的全自動空軌貨運動車。綜合使用兩種方法，可以從宏觀與微觀層面找到系統的薄弱環節、減少內部矛盾，更加準確有效地設計空軌貨運動車，滿足中小型港口低成本、高效率、占地少的需求，具有一定的理論參考與實際研究價值。

系統理論；TRIZ；空軌；工業設計

《水運“十四五”發展規劃》指出水運行業要充分發揮低碳綠色的優勢，完善集疏運體系，大力發展水鐵聯運，做好與其他運輸方式的融合發展。目前水鐵聯運主要有“水公鐵”“水鐵”兩種模式[1]，“水公鐵”模式因公路運輸的靈活性與適應性而占比較多，近70%需要公路短駁。但從成本、運輸批量和能耗方面來看，公路運輸難以完全承擔聯運重任[2]，與城市共用交通網絡易造成交通擁堵，延長運輸時間，降低運輸效率，增加運輸過程的碳排量，有悖于高質量發展的長遠計劃。因此，需要將現有技術創造性地應用于“水”“鐵”連接，以達到節能減排、綠色發展的目的。

1 基于系統論的水鐵聯運問題分析

水鐵聯運由裝卸機械、運輸機械、信息共享與交流平臺、資金流通渠道、物資運輸路線、場域作業等構成，并受社會環境和自然環境的影響，這些因素共同構成一項復雜的系統性工程。對復雜系統的研究需要從全局考慮，以綜合性、整體性、最優化的觀念分析問題，才能建立有效的研究框架，明確問題主次與各因素間的限制，達到系統整體平衡與高效運行的目的。利用系統性的設計思維，可以增強分析過程的整體性與邏輯性[3]，輔助設計具體產品[4]，進行“人-機-環境”的系統設計[5]及服務設計[6]。因此，可以借助系統論的設計思想，以水鐵聯運整體為研究對象，按功能目的拆解為多個子系統及子系統間的聯系方式，從系統整體角度考慮優化，著重考慮整體效益與局部效益的關系、系統整體與外部環境制約的關系，協調水路系統與鐵路系統之間的關系，以最佳的方式處理問題，達到整體的最高效益。

“水鐵”模式依托港口國際性的功能，以港口為媒介，直接在港口后方鋪設鐵路線，用裝卸設備和搬運設備實現火車與貨船的物資交換，減少中轉環節。在該模式下，人主要負責信息處理和后勤維修，參與的直接搬運任務較少，主要由機械自主完成貨物裝卸，因此，將“機-環境”系統作為研究重點。“水鐵”系統可以分為水路運輸系統、鐵路運輸系統以及平臺轉運系統，水路與鐵路運輸系統通過平臺轉運系統相連接，平臺轉運系統除提供裝卸設備、短距離搬運設備、物流信息服務之外，還必須提供足夠的場域用于貨船和貨運火車停靠站的建設、貨物裝卸作業以及貨物堆放儲存。由于商品貨物運量快速增長，原有鐵路鋪設線以及碼頭停靠位的數量不能滿足需要，需要更多的建設場地，因此，地方可供建設面積是制約“水鐵”聯運發展的因素之一。此外，由于鐵路運力緊張、運輸組織不協調、缺少物流公共信息平臺、定價機制差異大、運輸利益分配較不合理[7]，以及聯運建設的經濟成本較大，維修費用較高，所以這種貨運模式占比較小，更適用于國際化的大型港口，中小型港口仍以“水公鐵”為主，因此將中小型港口作為研究對象，以提出更合理的轉運方式。

中小型港口貨運量較少，出于成本與時間的考慮，公路接駁水路與鐵路是最常用的方式，也就是“水公鐵”轉運模式。用“機-環境”系統理論[8]分析“水公鐵”集疏運方式中的要素組成、相互作用方式和要素與環境之間的聯系，找到系統中的薄弱環節，明確制約因素，進而加以改進。“水公鐵”集疏運系統見圖1，通過分析可知，在目前的系統中，貨車運輸效率受機動車與非機動車數量限制，以及天氣條件、地理環境和人口密度的影響，是制約因素最多的二級子系統；水路運輸系統雖然受水文氣象影響且航速較慢，但具有運量大、運費低，對環境破壞小的優點，且涉及國際運輸，難以改進與代替。根據TRIZ技術系統進化模式可知，公路運輸系統是最影響整體運輸效率的環節。結合現有交通形式，提出以下改進方向：一是使用地下或空中運輸網絡，減少地面交通壓力；二是使用無人控制車輛，提高運輸效率；三是鋪設軌道，降低環境影響。

圖1 “水公鐵”集疏運系統

2 “人機環境”系統下的空軌貨運動車設計

對比現有交通方式發現，空軌交通基本符合以上方向，可替代“水公鐵”模式中的公路運輸，空軌全稱為懸掛式空中軌道，列車位于軌道下方，由墩柱支撐在空中，能夠分擔地面交通壓力，提高運輸效率，具有安全可靠、造價低廉、適應程度高、占地面積小的優點。第一條空軌線路是1901年德國建造的烏帕塔爾線，具有客運功能，隨后在多特蒙德工業大學建造空軌，便于學生校內通行；日本在引入空軌技術后進行了本土化改良，建造了東山動物園線、千葉線等，具有觀光游覽、客運通行的功能，在速度和承運人數上都有所提升；我國目前建成了青島四方試驗線、開封中建試驗線、武漢中鐵試驗線和開封中建試驗線；在能源選擇和使用方式上有所創新，中唐集團將超級鋰電池作為新能源空軌列車動力源，取消管道線，簡化空軌系統組成。

國內對空軌車的掛車方案[9]、國內的適應性[10]、集疏運系統[11]、裝卸工藝等進行了研究[12]，綜合國家知識產權局網站的相關專利檢索結果，依據TRIZ技術進化模式可知，空軌集疏運技術尚處于關鍵技術涌現的嬰兒期。結合上述案例，空軌的發展方向有三方面：一是中長距離運輸，目前空軌主要用于短距離運輸，但建設長度呈增長趨勢；二是功能目的本土化，根據本地需要改動空軌組件，可用于城市客運、觀光游覽、園內通行以及其他功能；三是空中貨運，空軌技術有較大進展，載重和速度有明顯提升，能源動力向綠色、持久方向發展，具備綠色貨運的技術條件。

2.1 “機-環境”系統下的空軌貨運動車設計

港口貨運量大，輸送貨物需求強烈，因此可將空軌功能本土化，將空軌系統引入港口貨運，替代或分流部分公路運輸，承擔貨運功能。結合實例與現有文獻，可以將空軌貨運系統劃分為動車系統、軌道系統、供電系統、運行控制系統、信息系統和站點裝卸系統六個子系統[11]。基于“機-環境”系統理論，可以得到六個子系統與環境之間的相互作用關系，見圖2。可以得知動車系統是整個系統的核心，且動車系統受制約因素最多。動車系統在尺寸上需與集裝箱的尺寸相匹配，滿足載重要求且起吊過程平穩安全，同時還會受到港口環境氣候的影響，港口氣候潮濕且風力較強，對動車防銹措施以及起吊裝置的穩定性有一定要求，因此，主要對動車系統進行設計。

圖2 空軌貨運系統分析

空軌貨運動車由走行裝置、防護裝置、升降裝置、吊取裝置、懸吊裝置組成[11,13-14]。走行裝置：由走行輪、導向輪、搖枕裝置、牽引裝置和制動裝置構成牽引電機，從而驅動走行輪滾動，進而帶動整個動車前進；導向輪貼合軌道梁側壁，在導向軌內行走，負責控制列車轉向；由于貨物通常在20 t左右，且位置較高，有墜落風險，需由防護裝置加強集裝箱在運輸過程中的穩定性。升降裝置由卷揚機、鋼絲繩組成，卷揚機通過控制鋼絲繩的長短實現集裝箱的取放；吊取裝置包括上下兩部分，上方為車架，下方為吊具，吊具通過將懸鎖插入集裝箱角件的橢圓孔內，連桿機構推動懸鎖轉動90°卡緊角件，以實現集裝箱的固定；懸吊裝置用以連接走行裝置與吊取裝置，并裝有液壓減震器和止擋橡膠，減少空軌在行走過程中的橫向振動（見圖3）。

空軌貨運動車不與地面接觸、不受人的操作影響，而主要受氣候環境、極端天氣的影響。港口位于沿海位置，以季風氣候為主，冬季風力較大，春季風向多變但風力較弱。運輸過程中空軌貨運動車容易受到橫向風力的影響，穩定性與安全性下降，根據牛頓第二定律公式，列車受到的橫向風力的計算公式為：

圖3 空軌貨運動車示意圖

表1 國際標準集裝箱外尺寸

Tab.1 Outer dimensions of international standard container ft

2.2 “人”對空軌貨運動車的設計影響

利用“人-機-環境”系統理論整體分析空軌貨運動車的設計，“人”作為產品的服務對象應重點考慮，從視覺聽覺觸覺多感官滿足人的心理需求、審美需求以及安全需求。由于空軌貨運動車使用無人駕駛系統，所以“人”因素是指空軌貨運動車的維修人員以及空軌貨運線附近的行人。從安全角度出發，應避免工作人員或行人位于車輛下方，而空軌貨運動車在運輸過程中必然經過港口作業區與城區，因此可以通過設計提醒下方人員遠離。考慮到人主要的信息接受方式為視覺與聽覺，那么提示信息可表現為燈光與聲音提醒。人眼視度為124°，而燈光位于貨運動車頂部和底部時不易被觀察到，因此貨運提示燈應位于吊具側面下方位置，確保可視性。聲音提示以變化間斷的方式呈現，否則容易造成人的聽覺疲勞，降低警惕性，聲音的大小為70～110 dB，足夠引起注意且不損傷聽力。

從心理需求出發，空軌貨運動車發出遠離信息的同時也要給人以安全感，提高人的心理接受度。現有空軌貨運動車以功能形態為主，是工程結構的產物，而暴露的復雜結構容易讓人感到緊張不安，因而需要弱化“工程屬性”，增加“產品屬性”。最簡單的方式是添加外殼將結構包裹在內，同時具有保護內部結構的功能，根據現有空軌貨運動車的結構，外殼需分為上下兩部分，便于裝卸集裝箱，顏色以黃色與黑色為主，與周圍環境形成反差，使人警戒。對于維修人員應考慮維修的便捷性，整體外殼容易更換，局部外殼具有可拆性。

3 運用TRIZ理論工具解決問題

3.1 明確改進方向

發明問題解決理論[16]（TRIZ）主要包括39個工程參數、40條發明創造原理、分離原理、理想解等創新工具與模型，可融合可拓學、AHP等方法輔助設計思維[17-18]，快速找到問題本質，創造性地解決問題并進行產品設計。解決問題首先要明確問題，因而可以先明確空軌貨運系統的理想解，找到理想解與目前系統的差距，進而精確定義問題，隨后對應矛盾沖突原理，將沖突轉化為39個工程參數，然后對照沖突矩陣查詢解決原理，在此基礎上提出解決方案，根據理想化水平公式確定解決方案是否成立。空軌貨運動車的現實案例主要參照青島港的空軌貨運系統，理想解與目前狀態的對比見表2，由此可見主要的設計對象為吊取裝置、升降裝置、防護裝置。

3.2 建立沖突模型

前文提到的集裝箱側面積需減小但又不可改動的情況，是待解決的第一個沖突。集裝箱常用20 ft、40 ft兩種尺寸，10 ft、30 ft使用較少，為提高工作效率、增加吊具的適應性，需要同時滿足四種尺寸。目前集裝箱的取放主要通過吊具進行操作，大部分集裝箱專用機械使用伸縮式吊具[19]，能夠根據集裝箱尺寸伸長或縮短，然而這種吊具結構較為復雜，重量較大，與空軌貨運動車的輕量化要求相矛盾，此為第二個沖突。第三個沖突是卷揚機和鋼絲繩配合吊具實現集裝箱升降，但鋼絲繩在起吊過程中并不平穩，與實現精準抓放集裝箱的目標相矛盾，屬于技術沖突。

表2 理想解與實例的對比

沖突一為物理沖突，解決物理沖突的方法有空間分離原理、時間分離原理、條件分離原理、整體與局部分離原理，綜合40條發明創造原理，最終選擇使用時間分離原理和動態化原理。增加風向感應裝置，并在懸吊裝置與吊取裝置之間增加旋轉裝置，可根據風向自主旋轉吊具，使集裝箱側面積小的一面迎風。沖突二是物理沖突，吊具尺寸需同時滿足4種尺寸，結合生產成本與工作效率進行考慮，融合使用空間分離原理與復制原理。以三節車架為一組，一節使用液壓伸縮式集裝箱吊具，滿足全尺寸集裝箱使用；兩節為機械吊具，同時滿足20 ft與40 ft集裝箱使用。同時滿足兩種尺寸屬于物理沖突，可利用沖突原理進一步分析，將空間分割原理與維數變化原理相結合，吊具長度為40 ft，使用兩組旋鎖裝置，每組4個，在垂直方向劃分兩個層次，下方一組用于固定40 ft集裝箱，上方一組固定20 ft集裝箱，改進后的吊具簡圖如圖4所示。圖4中橙線下方為40 ft集裝箱的旋鎖裝置，20 ft集裝箱的則在上方，在吊運時，集裝箱與旋鎖裝置的空間位置互不沖突。

圖4 吊具示意圖

對沖突三進行技術矛盾描述，結合39個工程參數得到表3，查閱沖突矩陣表，得到對應的發明原理為1、13、35，分別對應分割、反向以及參數變化。

對于可靠性和系統復雜性的矛盾，可以得到以下兩種解決方案：第一種，應用原理1和13，將卷揚機、鋼絲繩以及下方吊具與整體分割，由地面升降車完成接取集裝箱任務，固定、防護集裝箱則由上方吊取裝置完成，能夠減輕車體重量、降低系統復雜性；第二種，應用原理35，將柔性繩索改為剛性的升降裝置，提升操作準確度。減少元素間的相互作用或元素數量，可以增強系統的穩定性[20]，因此選擇使用方案一。梳理以上解決方案后，發現旋轉裝置的位置與車架成組運行的方式產生了新的矛盾，即在車架成組運行的情況下，旋轉裝置無法運作，產生了物理沖突。綜合使用空間分割原理與中介物原理，將吊取裝置改為車架、旋轉裝置、吊具三層結構，旋轉裝置能夠帶動吊具與集裝箱同時旋轉。

表3 技術沖突分析

Tab.3 Analysis technical conflicts

4 設計方案的提出

空軌貨運動車在空中運行時間長、距離地面高且路途較遠，需添加二級防護裝置增加集裝箱在運輸過程中的穩定性與安全性，現有裝置在吊車兩側添加兩組防護欄，防護欄底部向內彎折以支撐集裝箱的底側梁。在運輸過程中集裝箱底部中央壓力最大，可改變防護裝置的形態增加對集裝箱底部的支持力。延長橫向防護欄至底部中央，連接同側兩組防護欄的底部，防護欄形態貼合集裝箱，使用時兩組防護欄在集裝箱底部接觸，增加對集裝箱底部的支持力。由于一級防護裝置旋鎖與二級防護裝置防護欄不可同時使用，存在物理沖突，可以通過時間分離原理與周期性作用原理進行解決。起吊時旋鎖先鎖緊集裝箱，隨后防護欄旋轉固定集裝箱；放置集裝箱時則順序相反。根據表1集裝箱尺寸，利用三角函數（式2）可以算出防護欄的旋轉角度約為26.7°，考慮集裝箱的尺寸誤差以及能源節省，將設置為最大值30°，防護欄在0°至30°進行旋轉，空載時防護欄處于垂直狀態。由于集裝箱高度不統一，防護欄需具備伸縮功能以適應集裝箱尺寸，采用液壓伸縮機構實現該功能。

結合現有技術，空軌貨運動車的系統組成與技術參數見表4。空軌貨運動車系統，由走行裝置、旋轉裝置、防護裝置、吊取裝置、懸吊裝置、提示裝置構成。使用ATP/ATO系統實現空軌貨車無人駕駛；從空氣動力學及心理學角度考慮，外殼扁平，采用流線型降低風阻，顏色以黃黑為主，使人警覺并與周圍環境相區別；在外殼周圍增加光帶、發聲器，以視覺、聽覺的方式提醒行人與工作人員遠離；使用時間分離原理和動態化原理，通過增加旋轉裝置解決集裝箱受力面積與橫向風阻的矛盾，旋轉裝置根據風向帶動吊具以及集裝箱旋轉，始終以集裝箱最小的側面迎風，減少空軌貨運動車受到的橫向風阻；改善二級防護裝置，增強對集裝箱底面的支持度，并應用時間分離原理與周期性作用原理合理安排旋鎖裝置與二級防護裝置的工作順序；應用技術沖突原理解決可靠性與系統復雜性的矛盾，從系統穩定性考慮，選擇簡化吊取裝置，由地面升降車完成集裝箱裝卸；運用復制原理，以三節車架為一組進行運輸，可滿足全尺寸集裝箱的使用需求，最多可同時運輸三種尺寸的集裝箱，綜合運用空間分割原理與維數變化原理，能提高20 ft與40 ft集裝箱的運輸質量；每節車架長12.33 m，車架間距為1 m。空軌貨車每日工作時長為22 h，最高運行速度為50 km/h，車體下凈空為5.5 m，整體的設計方案見圖5。

兩種方法綜合使用的過程實際是將問題逐步拆解、逐步細化的過程，遵循“發現問題—分析問題—解決問題”的規律，與設計流程的邏輯相符，具有合理性。前期的使用系統分析，有兩個目的，一是整合復雜信息，使之有序化、系統化，便于理清邏輯思路；二是明晰系統中的薄弱環節，縮小問題范圍。聯系系統論與TRIZ理論的關鍵在于問題定義，系統論將問題縮小至產品范圍，理想解與實際模型相對比，進一步將問題清晰化，最終準確定義擬解決的問題與矛盾，并利用創新工具解決。這個過程將宏觀的問題把握與微觀的細節考究相結合，研究范圍由大到小、研究內容由面到點，兩者互為補充，層層遞進，形成一種新的綜合式研究方法，提供一種新的設計思路。

表4 空軌貨運動車的系統組成及技術參數

Tab.4 System composition and technical parameters of suspended monorail of freight

圖5 最終方案示意圖

5 結語

空軌高效、綠色、安全的特點使其發展空間更廣闊，本研究在現有的空軌技術、港口貨運技術和空軌貨運系統研究的基礎上，進一步探討空軌貨運動車的設計。基于“人機環境”理論，結合空軌貨運的實際情況，從“機-環境”“人”角度，明確限制因素與設計要點，在現有技術的基礎上做進一步設計改良。使用TRIZ工具細化解決空軌貨運動車系統中的矛盾沖突，設計出了一輛能夠降低風阻、綠色安全、持續高效的空軌貨運動車。兩種方法的綜合使用為以后的設計問題提供了一種新思路，也為空軌貨運發展提供了一種可能的解決方案。

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Design of Suspended Monorail of Freight Based on System Theory and TRIZ Theory

WU Yue-qin1, WU Yu-fei1, SHI Zhi-yuan2

(1.Xihua University, Chengdu 610039, China; 2.Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

The work aims to solve the problems of inadequate capacity, inefficient transportation and traffic congestion of ship and railway intermodal transport in small and medium-sized ports. Firstly, the current status of ship and railway intermodal transport was investigated and analyzed. The research method of system theory was adopted to determine that highway transport was a weakness in the collection and distribution system. On the basis of existing research, it was found that the suspended monorail was in line with future intermodal transport development. Then, the system and components of the suspended monorail of freight were analyzed. The design of suspended monorail of freight was analyzed by "Human-Machine-Environment" Theory and TRIZ Theory and the internal physical and technical conflicts were reduced to get the final design. Based on system theory and TRIZ theory, a fully automatic clean, efficient and unmanned suspended monorail of freight with ship and railway intermodal transport was designed. The two methods can be used in combination to find the weakness of the system, reduce the internal conflicts from macro and micro levels, and design the suspended monorail of freight more accurately and effectively to meet the needs of small and medium-sized ports with low cost, high efficiency and small land area, which has certain theoretical reference and practical research value.

system theory; TRIZ; suspended monorail; industrial design

TB472

A

1001-3563(2023)04-0406-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.04.051

2022–09–14

四川省社會科學重點研究基地四川礦產資源研究中心（SCKCZY2022-YB023）；四川省2021-2023年高等教育人才培養質量和教學改革項目（JG2021-919）

武月琴（1982—），女，博士，教授，主要研究方向為設計史與產品創新系統，設計產業。

武雨飛（1998—），女，碩士生，主攻工業設計、地域文化與產品設計。

責任編輯：馬夢遙