基于TRIZ的悬挂式空轨列车逃生问题的方案设计

2016-03-18ProjectdesignoftheescapeofsuspendedmonorailvehiclebasedonTRIZ

制造业自动化 2016年1期

关键词：方案设计

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

胡安新，李　彦，王　凯，夏文涵

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

（四川大学制造科学与工程学院，成都 610065）

基于TRIZ的悬挂式空轨列车逃生问题的方案设计

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

胡安新，李彦，王凯，夏文涵

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

（四川大学制造科学与工程学院，成都 610065）

摘要：针对紧急情况下悬挂式空轨列车上乘客难以快速逃生的问题，将发明问题求解理论（Theory of inventive problem solving, TRIZ）引入到该问题的方案设计中。在对现有问题分析和现有逃生方式分析的基础上建立冲突模型，通过查询冲突矩阵得到冲突问题的发明原理，在对所有发明原理进行解读，思考后筛选出能够用到的发明原理，在发明原理的启发思考下得到悬挂式空轨列车快速逃生问题的初步方案，用模糊评价法对初步方案做出评价并从中选出较好的方案进一步设计，并且检验该方案是否符合最终理想解的要求。最终，设计出一种列车在遇到意外事故时乘客快速逃生的方案，能提高乘客逃生效率。

关键词：悬挂式空轨列车；快速逃生；TRIZ；方案设计；模糊评价法

0 引言

悬挂式空轨列车是单轨交通中的一种，列车的轨道梁由墩柱支撑悬挂在空中，列车悬吊在轨道梁下运行。悬挂式空轨列车跟其它类型的交通方式相比存在诸多优点[1～4]：1）建设成本低，其建设费用远低于地铁，仅为地铁的1/3～1/4，而且其保养费用也比地铁和传统铁路要低；2）建设工期短，地铁和轻轨的建设周期至少需要3～5年的时间，而空轨的建设周期最多需要1～2年的时间；3）占地面积小，空间适应行强，空轨列车只占用地面支座的土地面积就可以在空中建立起一条运输线，无需道床，对地面建筑影响极小，更不会影响地下管道；4）爬坡能力强，空轨列车使用橡胶轮胎，可通过100%的坡道和半径30m的曲线；5）乘坐舒适噪声小，橡胶轮胎可以减小噪声和振动，列车运行平稳。

悬挂式空轨列车为解决城市交通拥堵问题提供了一个新的思路，因此学者们从多个角度研究悬挂式空轨列车。C.H. Lee[5]等提出了空轨列车在运行情况下由振动引起的动态响应的一种分析步骤。V.GUTAREVYCH[6]构建了一种在空轨列车运行时悬挂式空轨列车车厢的允许弹性应变模型，并通过该模型来确定悬挂式空轨列车车厢的特点和悬挂部分之间的相互连接。V.GUTAREVYCH[7]同时构建了一种空轨列车在运行时各节车厢互相作用的动态模型，并且考虑了侧摆。最后通过运动方程分析并判断出各节车各自的振动频率。

相比较而言，对于悬挂式空轨列车上乘客逃生的研究较少。空轨列车虽然运行安全，但一旦遇到突发状况，由于挂在半空中，乘客即使打开车门或者砸开车窗也无法逃生。因此，目前很多时候乘客都是等待救援[8]。在紧急情况下，也可以借助车门的缓降装置来逃生[9]。在急需落地逃生的时候，主要运用类似大楼失火逃生方法，在列车值乘人员的指挥和协助下，乘客利用绳索或帆布滑道由车厢直接降到地面，或运用救火车的云梯将乘客转载到地面[10]。但是上逃生方式都存在一些不足。等待救援会花费的时间较多；借助帆布滑道时，列车下方必须有人固定帆布下端；使用绳索等缓降装置逃生时，效率较低；而使用云梯则费时费力。因此，本文借助TRIZ理论，以悬挂式空轨列车上的乘客的快速逃生问题为研究对象，以提高紧急情况下乘客逃生效率为目标，以冲突解决理论和最终理想解为工具，最终提出一种针对该问题的创新设计方案。

1 基于TRIZ的创新设计策略

发明问题求解理论（Theory of inventive problem solving, TRIZ）是前苏联著名发明家Altshuler领导的研究机构分析了全世界近250万件高水平专利的基础上，综合多学科领域的原理后提出的一套理论方法体系[11]。经过60多年的发展，TRIZ理论已经形成了一套解决产品开发实际问题的九大经典理论体系。

1.1 冲突解决理论

冲突解决理论是TRIZ理论中一种重要的发明问题解决方法。TRIZ中可以这样理解冲突，它是指内在要素、作用或主张彼此不一致或相反的情况。在TRIZ中，冲突分为技术冲突和物理冲突。技术冲突是指改善技术系统中某一特性，某一参数时，常常会引起系统中另一特性或参数的恶化。而物理冲突是指一个系统的某个参数具有相反的要求。通常在应用冲突解决理论解决实际问题时，首选要判断该问题属于技术冲突还是物理冲突，然后再应用相应的求解方法求解。技术冲突的求解通常需要应用冲突矩阵和发明原理，而物理冲突的求解则需要使用四大分离原理。英国Bath大学的Mann提出, 解决物理冲突的分离原理与解决技术冲突的发明原理之间存在关系, 一条分离原理可以与多条发明原理存在对应关系[12]。简而言之，很多物理冲突问题可以转化为技术冲突问题解决。因此，本文重点使用技术冲突。

技术冲突[13]的求解过程会用到通用技术参数、冲突矩阵、发明原理。通用技术参数是Altshuler通过对大量专利文献分析后，陆续总结出来39个通用技术参数。借助39个通用技术参数，可以将一个具体问题转化并表达为标准的TRIZ问题。发明原理是Altshuler通过对大量的专利进行分析，研究，总结，提炼出TRIZ中最重要最普遍的40个发明原理。40个发明原理为实际问题的解决提供一个思考途径，可以快速的找到解决问题的方向。而把通用技术参数和发明原理联系起来的则是冲突矩阵表，冲突矩阵表中的行表示的是改善的通用技术参数，列表示的是恶化的通用技术参数，行和列交叉的每个单元格表示这两个技术参数组成的技术冲突对应的发明原理。

技术冲突求解步骤分为三步。首选，提取出实际问题中的技术冲突——改善某一技术参数却导致另一技术参数恶化。然后查询冲突矩阵，得到发明原理解。最后，根据发明原理解得到解决问题的方案。

1.2 最终理想解

最终理想解认为：技术系统的理想化状态是不存在物理实体，不消耗资源和能量，却能够实现所有必要的功能[14]。产品处于理想状态的解称为理想解。理想解的作用是指明通往解决方案的路，使问题尖锐化，不走折中之路。理想化是系统的进化方向，不管是有意改变还是系统本生的进化发展，系统都在朝着更理想的方向发展，而最终理想解就是终极的追求目标。

最终理想解有4个特点：1）保持了原系统的优点；2）消除了原系统的不足；3）没有使系统便得更复杂；4）没有引入新的不足。因此，对于提出的解决问题的方案只要符合上述4个特点就是符合要求的方案。

1.3 基于冲突解决理论——最终理想解的创新设计策略

综上所述，首选对选定的产品问题分析并建立冲突模型；其次应用冲突解决理论求解上述冲突得到发明原理解，并由发明原理解构思出解决问题的初步方案；然后应用模糊评价法对上述方案进行评价，从中筛选出较好的方案；最后对筛选出的方案进一步设计，并且按照最终理想解的要求进一步设计的方案进行验证得到最终方案。基于冲突解决理论——最终理想解的创新设计策略流程图如图1所示。

图1　基于冲突解决理论——最终理想解的创新设计策略流程图

2 基于TRIZ的悬挂式空轨列车逃生方案设计

2.1 问题分析

悬挂式空轨列车作为一种交通工具，主要的功能是运送乘客。从外面看，悬挂式空轨列车主要分成三个部分：车体、转向架和轨道梁体。车体包括驾驶舱和乘客舱，轨道梁体是空轨列车运行的轨道，而转向架上部通过走行轮和导向轮相对固定在轨道梁体内部，转向架下部通过连接杆、车钩和缓冲装置连接车体。转向架上安装有驱动电机，在电机的带动下，转向架中的走行轮和导向轮在轨道梁的内部运动，从而带动整个车体前行。悬挂式空轨列车的运行情况和悬挂结构示意图如图2(a)和图2(b)所示。

图2　悬挂式空轨列车运行情况和悬挂结构示意图

当列车出现意外事故时，车上乘客必须快速离开列车，快速逃生。由于悬挂式空轨列车运行在距离地面6米左右高的位置，乘客无法直接离开列车到达地面。当然，目前也有一些应对措施：在悬挂式空轨列车上预先放置缓降逃生，一旦发生意外事故，乘客可以借助缓降逃生装置降落到地面。使用帆布滑道，于现在列车上配备帆布滑道并折叠放好；当需要用帆布滑道逃生时，需要将帆布滑道打开并且一端固定在地面，另一端固定在列车车门处，乘客可沿帆布滑道滑到地面。也可以在列车上预先准备绳索软梯等缓降逃生设备以备急用。

上述方法都能起到一定的救援作用，但是都存在一些不足。在空轨列车上安装缓降装置虽然能够让乘客逃生到地面，但是使整个空轨列车变复杂。使用帆布滑道虽然可以保证乘客顺利逃生到地面，但是必须要地面有人固定帆布滑道的另一边，这样使得逃生的操作流程变复杂。在空轨列车上预先放置绳索等逃生设备，虽然可以在一定程度上减小逃生的时间损失，但是增加了空轨列车的元件数量。因此，需要一种更加优化的解决方案。

2.2 建立冲突模型

通过上述问题分析，可以看出目前的逃生方法某一技术参数得到提升的同时，另一技术参数却在下降。改善的技术特性：乘客逃生的可靠性，乘客逃生的时间损失。由此导致恶化的技术特性：整个类车系统变复杂，乘客逃生流程繁琐，列车元件数量。从上述分析可以得到如下冲突模型。

冲突一：

希望改善的技术参数：可靠性。

致恶化的技术参数：系统的复杂性。

冲突二：

希望改善的技术参数：可靠性。

冲突三：

导致恶化的技术参数：操作流程的

导致恶化的技术参数：操作流程的方便性。

2.3 查询冲突矩阵表

根据上述4个技术冲突查询冲突矩阵表，得到对应的发明原理，如表1所示。

表1是冲突矩阵表的一部分，表格中的行表示改善的技术参数，表格中的列表示恶化的技术参数，行和列交叉就表示两个技术参数构成技术矛盾，而表格中的数字表示对应的发明原理序号，具体解释参照文献[13]。

表1　冲突矩阵

2.4 初步方案

上述发明原理提供解决问题的一种思路，只有一部分的发明原理能得到比较合适的解决方案。结合悬挂式空轨列车乘客逃生的具体情境，类比其他情况下的逃生[15,16]，思考得到如下的初步方案，如表2所示。

表2　悬挂式空轨列车快速逃生初步设计方案

3 方案评价与选择

3.1 模糊评价法

对于上述方案，本文采用模糊评价法进行评价。模糊评价法是引入模糊数学的概念，对多种模糊因素所影响的事物或现象进行总的评价，是一种定量研究多属性事物的工具[17]。使用模糊评价法的具体步骤如下[18,19]：

4）确定模糊评价矩阵R( rij)n× m；

rij( i= 1,2,L ,n , j= 1,2,L ,m )表示第i个评价指标第j个等级所占的比重，其值一般通过专家打分得到；

6）最后对结果C按优劣进行排序。

3.2 方案评价

对于第2节中的四个方案，按照3.1节模糊评价法的步骤进行评价。根据悬挂式空轨列车的优缺点及其需求分析，确定评价指标为：列车生产成本（X1），逃生过程的复杂程度（X2），逃生的效率（X3），环保低噪节能（X4）。

建立评价指标对应的权重系数集K={0.1，0.3，0.4，0.2}。权重系数是根据铁二院专家的打分结果统计处理后得到。

评价集共有三个等级，并且赋予定值：

Y={Y1，Y2，Y3}=（优，中，差）=｛3，2，1｝

建立4个方案的模糊评价矩阵RA、RB、RC、RD，矩阵中的数据是根据铁二院专家打分结果由统计法求得。

然后，计算出各方案的模糊评价值：

最后，对各个方案的模糊评价值进行排序，上述四个方案优劣排序为：C，A，B，D。于是选择方案C，即可伸缩的悬挂式空轨列车。

4 最终方案

进一步设计，该方案对悬挂杆与车体的连接和安全钢索做了相应的改进。原来的悬挂式空轨列车悬吊结构简图如图2所示，悬挂杆与车体之间的连接是不可拆卸连接，而安全钢索主要作用是稳定悬挂式空轨列车，使列车的摇摆限定在安全舒适范围内。改进后的悬吊关系图如图3所示，悬挂杆和车体的连接状态是根据列车上的控制装置来改变的。并且原来的安全钢索长度增加，大约5、6米的长度，由于悬挂杆上端到下端长度较短，所以安全钢索环绕呈类似弹簧的形状。

图3　可伸缩悬挂式空轨列车示意图

在空轨列车正常运行的时候，列车悬挂在较高的适合运行的高度，悬挂杆和列车连接牢固，并且靠重力自锁。当列车出现意外事故的时候，机车操作人员操作控制装置使悬挂杆和车体脱离连接。此时，空轨列车车体由于重力下落，从而使缠绕的安全钢索变成一条竖直钢索。钢索竖直之后，车体便不能在下降。选择合适长度的安全钢索，空轨列车停在距离地面不超过1米的高度，这样乘客便可以直接从列车上到达地面，从而实现快速安全逃生。此外，安全钢索的下端连接液压减震器，在列车下落的过程中可以起到一定的减震缓冲作用。

按照最终理想解的要求对上述最终方案进行验证。把该方案和原来的逃生情况相比，可以看出：1）该方案保持了目前空轨列车建设成本低，工期短，占地面积小等优点；2）该方案消除了原系统的不足，目前的悬挂式空轨列车普遍存在逃生较慢的问题，针对该问题，本文提出了改进方案，列车车体可以在发生事故的降到地面使乘客快速逃生；3）该方案使系统稍微变得更复杂。改进方案中改进了悬挂杆和车体的连接方式以及安全钢索的缠绕方式，但是并未增加很多的元件，使系统便得过于复杂；4）该方案没有引入新的不足。因此，该方案基本符合最终理想解的要求。可伸缩悬挂式空轨类车对于解决悬挂式空轨列车乘客快速逃生具有一定的指导意义。

5 结论

本文在发明问题求解理论（TRIZ）的基础上，提出了一种基于冲突解决理论——最终理想解的创新设计策略，并把该策略应用在悬挂式空轨列车乘客快速逃生问题方案设计中，在通过对实际问题分析的基础上，确定技术冲突，由冲突矩阵确定可用到的发明原理，由发明原理提供的思路得到初步方案，应用模糊评价法对初步方案进行评价并选出较好的方案进行进一步设计得到最终方案，最后按照最终理想解的要求对最终方案进行验证。从结果可以看出：可伸缩悬挂式空轨列车方案设计可以提高乘客逃生效率，除了改变车体和悬挂杆的连接方式和安全钢索，没有其他方面的不足。因此该方案可以为解决悬挂式空轨列车的乘客逃生问题提供一个思考方向。

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