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，用模糊評價(jià)法對初步方案做出評價(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，對地面建筑影響極小，更不會影響地下管道；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，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)行情況下由振動引起的動態(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)車廂互相作用的動態(tài)模型，并且考慮了側(cè)擺。最后通過運(yùn)動方程分析并判斷出各節(jié)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(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)明原理存在對應(yīng)關(guān)系[12]。簡而言之，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)用模糊評價(jià)法對上述方案進(jìn)行評價(jià)，從中篩選出較好的方案；最后對篩選出的方案進(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)動電機(jī)，在電機(jī)的帶動下，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，從而帶動整個(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)字表示對應(yīng)的發(fā)明原理序號，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 方案評價(jià)與選擇

3.1 模糊評價(jià)法

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

4）確定模糊評價(jià)矩陣R( rij)n× m；

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

6）最后對結(jié)果C按優(yōu)劣進(jìn)行排序。

3.2 方案評價(jià)

對于第2節(jié)中的四個(gè)方案，按照3.1節(jié)模糊評價(jià)法的步驟進(jìn)行評價(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）。

建立評價(jià)指標(biāo)對應(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。

評價(jià)集共有三個(gè)等級，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價(jià)值：

最后，對各個(gè)方案的模糊評價(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(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?？缮炜s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(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)用模糊評價(jià)法對初步方案進(jìn)行評價(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：TP391;TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0142-06