基于TRIZ的懸掛式空軌列車逃生問題的方案設(shè)計(jì)

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(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

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基于TRIZ的懸掛式空軌列車逃生問題的方案設(shè)計(jì)

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(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

摘 要：針對(duì)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(fā)明問題求解理論（Theory of inventive problem solving, TRIZ）引入到該問題的方案設(shè)計(jì)中。在對(duì)現(xiàn)有問題分析和現(xiàn)有逃生方式分析的基礎(chǔ)上建立沖突模型，通過查詢沖突矩陣得到?jīng)_突問題的發(fā)明原理，在對(duì)所有發(fā)明原理進(jìn)行解讀，思考后篩選出能夠用到的發(fā)明原理，在發(fā)明原理的啟發(fā)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(píng)價(jià)法對(duì)初步方案做出評(píng)價(jià)并從中選出較好的方案進(jìn)一步設(shè)計(jì)，并且檢驗(yàn)該方案是否符合最終理想解的要求。最終，設(shè)計(jì)出一種列車在遇到意外事故時(shí)乘客快速逃生的方案，能提高乘客逃生效率。

關(guān)鍵詞：懸掛式空軌列車；快速逃生；TRIZ；方案設(shè)計(jì)；模糊評(píng)價(jià)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(yùn)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(yōu)點(diǎn)[1～4]：1）建設(shè)成本低，其建設(shè)費(fèi)用遠(yuǎn)低于地鐵，僅為地鐵的1/3～1/4，而且其保養(yǎng)費(fèi)用也比地鐵和傳統(tǒng)鐵路要低；2）建設(shè)工期短，地鐵和輕軌的建設(shè)周期至少需要3～5年的時(shí)間，而空軌的建設(shè)周期最多需要1～2年的時(shí)間；3）占地面積小，空間適應(yīng)行強(qiáng)，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(yùn)輸線，無需道床，對(duì)地面建筑影響極小，更不會(huì)影響地下管道；4）爬坡能力強(qiáng)，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(dòng)，列車運(yùn)行平穩(wěn)。

懸掛式空軌列車為解決城市交通擁堵問題提供了一個(gè)新的思路，因此學(xué)者們從多個(gè)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(yùn)行情況下由振動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的一種分析步驟。V.GUTAREVYCH[6]構(gòu)建了一種在空軌列車運(yùn)行時(shí)懸掛式空軌列車車廂的允許彈性應(yīng)變模型，并通過該模型來確定懸掛式空軌列車車廂的特點(diǎn)和懸掛部分之間的相互連接。V.GUTAREVYCH[7]同時(shí)構(gòu)建了一種空軌列車在運(yùn)行時(shí)各節(jié)車廂互相作用的動(dòng)態(tài)模型，并且考慮了側(cè)擺。最后通過運(yùn)動(dòng)方程分析并判斷出各節(jié)車各自的振動(dòng)頻率。

相比較而言，對(duì)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(yùn)行安全，但一旦遇到突發(fā)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(shí)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(shí)候，主要運(yùn)用類似大樓失火逃生方法，在列車值乘人員的指揮和協(xié)助下，乘客利用繩索或帆布滑道由車廂直接降到地面，或運(yùn)用救火車的云梯將乘客轉(zhuǎn)載到地面[10]。但是上逃生方式都存在一些不足。等待救援會(huì)花費(fèi)的時(shí)間較多；借助帆布滑道時(shí)，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(shí)，效率較低；而使用云梯則費(fèi)時(shí)費(fèi)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(duì)象，以提高緊急情況下乘客逃生效率為目標(biāo)，以沖突解決理論和最終理想解為工具，最終提出一種針對(duì)該問題的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

1 基于TRIZ的創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略

發(fā)明問題求解理論（Theory of inventive problem solving, TRIZ）是前蘇聯(lián)著名發(fā)明家Altshuler領(lǐng)導(dǎo)的研究機(jī)構(gòu)分析了全世界近250萬件高水平專利的基礎(chǔ)上，綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理后提出的一套理論方法體系[11]。經(jīng)過60多年的發(fā)展，TRIZ理論已經(jīng)形成了一套解決產(chǎn)品開發(fā)實(shí)際問題的九大經(jīng)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(fā)明問題解決方法。TRIZ中可以這樣理解沖突，它是指內(nèi)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(shù)沖突和物理沖突。技術(shù)沖突是指改善技術(shù)系統(tǒng)中某一特性，某一參數(shù)時(shí)，常常會(huì)引起系統(tǒng)中另一特性或參數(shù)的惡化。而物理沖突是指一個(gè)系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)具有相反的要求。通常在應(yīng)用沖突解決理論解決實(shí)際問題時(shí)，首選要判斷該問題屬于技術(shù)沖突還是物理沖突，然后再應(yīng)用相應(yīng)的求解方法求解。技術(shù)沖突的求解通常需要應(yīng)用沖突矩陣和發(fā)明原理，而物理沖突的求解則需要使用四大分離原理。英國(guó)Bath大學(xué)的Mann提出, 解決物理沖突的分離原理與解決技術(shù)沖突的發(fā)明原理之間存在關(guān)系, 一條分離原理可以與多條發(fā)明原理存在對(duì)應(yīng)關(guān)系[12]。簡(jiǎn)而言之，很多物理沖突問題可以轉(zhuǎn)化為技術(shù)沖突問題解決。因此，本文重點(diǎn)使用技術(shù)沖突。

技術(shù)沖突[13]的求解過程會(huì)用到通用技術(shù)參數(shù)、沖突矩陣、發(fā)明原理。通用技術(shù)參數(shù)是Altshuler通過對(duì)大量專利文獻(xiàn)分析后，陸續(xù)總結(jié)出來39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)。借助39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)，可以將一個(gè)具體問題轉(zhuǎn)化并表達(dá)為標(biāo)準(zhǔn)的TRIZ問題。發(fā)明原理是Altshuler通過對(duì)大量的專利進(jìn)行分析，研究，總結(jié)，提煉出TRIZ中最重要最普遍的40個(gè)發(fā)明原理。40個(gè)發(fā)明原理為實(shí)際問題的解決提供一個(gè)思考途徑，可以快速的找到解決問題的方向。而把通用技術(shù)參數(shù)和發(fā)明原理聯(lián)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(shù)參數(shù)，列表示的是惡化的通用技術(shù)參數(shù)，行和列交叉的每個(gè)單元格表示這兩個(gè)技術(shù)參數(shù)組成的技術(shù)沖突對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理。

技術(shù)沖突求解步驟分為三步。首選，提取出實(shí)際問題中的技術(shù)沖突——改善某一技術(shù)參數(shù)卻導(dǎo)致另一技術(shù)參數(shù)惡化。然后查詢沖突矩陣，得到發(fā)明原理解。最后，根據(jù)發(fā)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(rèn)為：技術(shù)系統(tǒng)的理想化狀態(tài)是不存在物理實(shí)體，不消耗資源和能量，卻能夠?qū)崿F(xiàn)所有必要的功能[14]。產(chǎn)品處于理想狀態(tài)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(tǒng)的進(jìn)化方向，不管是有意改變還是系統(tǒng)本生的進(jìn)化發(fā)展，系統(tǒng)都在朝著更理想的方向發(fā)展，而最終理想解就是終極的追求目標(biāo)。

最終理想解有4個(gè)特點(diǎn)：1）保持了原系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)；2）消除了原系統(tǒng)的不足；3）沒有使系統(tǒng)便得更復(fù)雜；4）沒有引入新的不足。因此，對(duì)于提出的解決問題的方案只要符合上述4個(gè)特點(diǎn)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(chuàng)新設(shè)計(jì)策略

綜上所述，首選對(duì)選定的產(chǎn)品問題分析并建立沖突模型；其次應(yīng)用沖突解決理論求解上述沖突得到發(fā)明原理解，并由發(fā)明原理解構(gòu)思出解決問題的初步方案；然后應(yīng)用模糊評(píng)價(jià)法對(duì)上述方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，從中篩選出較好的方案；最后對(duì)篩選出的方案進(jìn)一步設(shè)計(jì)，并且按照最終理想解的要求進(jìn)一步設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行驗(yàn)證得到最終方案?；跊_突解決理論——最終理想解的創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(chuàng)新設(shè)計(jì)策略流程圖

2 基于TRIZ的懸掛式空軌列車逃生方案設(shè)計(jì)

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(yùn)送乘客。從外面看，懸掛式空軌列車主要分成三個(gè)部分：車體、轉(zhuǎn)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(yùn)行的軌道，而轉(zhuǎn)向架上部通過走行輪和導(dǎo)向輪相對(duì)固定在軌道梁體內(nèi)部，轉(zhuǎn)向架下部通過連接桿、車鉤和緩沖裝置連接車體。轉(zhuǎn)向架上安裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在電機(jī)的帶動(dòng)下，轉(zhuǎn)向架中的走行輪和導(dǎo)向輪在軌道梁的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)車體前行。懸掛式空軌列車的運(yùn)行情況和懸掛結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖2　懸掛式空軌列車運(yùn)行情況和懸掛結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)列車出現(xiàn)意外事故時(shí)，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(yùn)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(dá)地面。當(dāng)然，目前也有一些應(yīng)對(duì)措施：在懸掛式空軌列車上預(yù)先放置緩降逃生，一旦發(fā)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(xiàn)在列車上配備帆布滑道并折疊放好；當(dāng)需要用帆布滑道逃生時(shí)，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(yù)先準(zhǔn)備繩索軟梯等緩降逃生設(shè)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(gè)空軌列車變復(fù)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(fù)雜。在空軌列車上預(yù)先放置繩索等逃生設(shè)備，雖然可以在一定程度上減小逃生的時(shí)間損失，但是增加了空軌列車的元件數(shù)量。因此，需要一種更加優(yōu)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(shù)參數(shù)得到提升的同時(shí)，另一技術(shù)參數(shù)卻在下降。改善的技術(shù)特性：乘客逃生的可靠性，乘客逃生的時(shí)間損失。由此導(dǎo)致惡化的技術(shù)特性：整個(gè)類車系統(tǒng)變復(fù)雜，乘客逃生流程繁瑣，列車元件數(shù)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(shù)參數(shù)：可靠性。

致惡化的技術(shù)參數(shù)：系統(tǒng)的復(fù)雜性。

沖突二：

希望改善的技術(shù)參數(shù)：可靠性。

希望改善的技術(shù)參數(shù)：可靠性。

沖突三：

導(dǎo)致惡化的技術(shù)參數(shù)：操作流程的

導(dǎo)致惡化的技術(shù)參數(shù)：操作流程的方便性。

2.3 查詢沖突矩陣表

根據(jù)上述4個(gè)技術(shù)沖突查詢沖突矩陣表，得到對(duì)應(yīng)的發(fā)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(shù)參數(shù)，表格中的列表示惡化的技術(shù)參數(shù)，行和列交叉就表示兩個(gè)技術(shù)參數(shù)構(gòu)成技術(shù)矛盾，而表格中的數(shù)字表示對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理序號(hào)，具體解釋參照文獻(xiàn)[13]。

表1　沖突矩陣

2.4 初步方案

上述發(fā)明原理提供解決問題的一種思路，只有一部分的發(fā)明原理能得到比較合適的解決方案。結(jié)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(shè)計(jì)方案

3 方案評(píng)價(jià)與選擇

3.1 模糊評(píng)價(jià)法

對(duì)于上述方案，本文采用模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。模糊評(píng)價(jià)法是引入模糊數(shù)學(xué)的概念，對(duì)多種模糊因素所影響的事物或現(xiàn)象進(jìn)行總的評(píng)價(jià)，是一種定量研究多屬性事物的工具[17]。使用模糊評(píng)價(jià)法的具體步驟如下[18,19]：

4）確定模糊評(píng)價(jià)矩陣R( rij)n× m；

rij( i= 1,2,L ,n , j= 1,2,L ,m )表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)第j個(gè)等級(jí)所占的比重，其值一般通過專家打分得到；

6）最后對(duì)結(jié)果C按優(yōu)劣進(jìn)行排序。

3.2 方案評(píng)價(jià)

對(duì)于第2節(jié)中的四個(gè)方案，按照3.1節(jié)模糊評(píng)價(jià)法的步驟進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)懸掛式空軌列車的優(yōu)缺點(diǎn)及其需求分析，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)為：列車生產(chǎn)成本（X1），逃生過程的復(fù)雜程度（X2），逃生的效率（X3），環(huán)保低噪節(jié)能（X4）。

建立評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)集K={0.1，0.3，0.4，0.2}。權(quán)重系數(shù)是根據(jù)鐵二院專家的打分結(jié)果統(tǒng)計(jì)處理后得到。

評(píng)價(jià)集共有三個(gè)等級(jí)，并且賦予定值：

Y={Y1，Y2，Y3}=（優(yōu)，中，差）=｛3，2，1｝

建立4個(gè)方案的模糊評(píng)價(jià)矩陣RA、RB、RC、RD，矩陣中的數(shù)據(jù)是根據(jù)鐵二院專家打分結(jié)果由統(tǒng)計(jì)法求得。

然后，計(jì)算出各方案的模糊評(píng)價(jià)值：

最后，對(duì)各個(gè)方案的模糊評(píng)價(jià)值進(jìn)行排序，上述四個(gè)方案優(yōu)劣排序?yàn)椋篊，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(jìn)一步設(shè)計(jì)，該方案對(duì)懸掛桿與車體的連接和安全鋼索做了相應(yīng)的改進(jìn)。原來的懸掛式空軌列車懸吊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wěn)定懸掛式空軌列車，使列車的搖擺限定在安全舒適范圍內(nèi)。改進(jìn)后的懸吊關(guān)系圖如圖3所示，懸掛桿和車體的連接狀態(tài)是根據(jù)列車上的控制裝置來改變的。并且原來的安全鋼索長(zhǎng)度增加，大約5、6米的長(zhǎng)度，由于懸掛桿上端到下端長(zhǎng)度較短，所以安全鋼索環(huán)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(yùn)行的時(shí)候，列車懸掛在較高的適合運(yùn)行的高度，懸掛桿和列車連接牢固，并且靠重力自鎖。當(dāng)列車出現(xiàn)意外事故的時(shí)候，機(jī)車操作人員操作控制裝置使懸掛桿和車體脫離連接。此時(shí)，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(zhǎng)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(dá)地面，從而實(shí)現(xiàn)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(duì)上述最終方案進(jìn)行驗(yàn)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(shè)成本低，工期短，占地面積小等優(yōu)點(diǎn)；2）該方案消除了原系統(tǒng)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(duì)該問題，本文提出了改進(jìn)方案，列車車體可以在發(fā)生事故的降到地面使乘客快速逃生；3）該方案使系統(tǒng)稍微變得更復(fù)雜。改進(jìn)方案中改進(jìn)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(tǒng)便得過于復(fù)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(duì)于解決懸掛式空軌列車乘客快速逃生具有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

本文在發(fā)明問題求解理論（TRIZ）的基礎(chǔ)上，提出了一種基于沖突解決理論——最終理想解的創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略，并把該策略應(yīng)用在懸掛式空軌列車乘客快速逃生問題方案設(shè)計(jì)中，在通過對(duì)實(shí)際問題分析的基礎(chǔ)上，確定技術(shù)沖突，由沖突矩陣確定可用到的發(fā)明原理，由發(fā)明原理提供的思路得到初步方案，應(yīng)用模糊評(píng)價(jià)法對(duì)初步方案進(jìn)行評(píng)價(jià)并選出較好的方案進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)得到最終方案，最后按照最終理想解的要求對(duì)最終方案進(jìn)行驗(yàn)證。從結(jié)果可以看出：可伸縮懸掛式空軌列車方案設(shè)計(jì)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(gè)思考方向。

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圖6　真空管烤消打標(biāo)電氣控制柜部分實(shí)物圖

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作者簡(jiǎn)介：胡安新（1989 -），男，湖北十堰人，碩士研究生，主要從事產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論與方法的實(shí)踐研究。

基金項(xiàng)目：科技部創(chuàng)新方法專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2013IM030500）；四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2015JY0172）

收稿日期：2015-11-03

中圖分類號(hào)：TP391;TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0142-06