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基于TRIZ創(chuàng)新理論的單軌高架橋安全逃生問題研究

文檔作者：李偉湛楊先英文檔來源：重慶交通大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年04月27日
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辮
基于TRIZ創(chuàng)新理論的單軌高架橋安全逃生問題研究*
李偉湛楊先英
(重慶交通大學(xué)，400074，重慶∥第一作者，講師)
摘要 以重慶輕軌3號(hào)線為例，針對(duì)單軌高架橋安全逃生
方案的合理性和有效性，應(yīng)用基于TRIZ理論常用創(chuàng)新方法
及Innovation Studio軟件平臺(tái)的可行性研究途徑，建立了該
高架橋安全逃生系統(tǒng)組件模型。經(jīng)過展開分析，發(fā)現(xiàn)了該組
件模型的主要矛盾；根據(jù)矛盾的量變指標(biāo)在矛盾矩陣中獲得
其對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新原理；基于原理的指導(dǎo)方向產(chǎn)生了針對(duì)性的初
步方案設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了研究的可行性及實(shí)用價(jià)值，對(duì)單軌高架
橋逃生系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施具有實(shí)際的指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞創(chuàng)新方法；組件模型；矛盾矩陣；可行性
中圖分類號(hào) U 298．2；U 239．3
High Altitude Safety Escape of Light Railway Based on TRIZ
Theory
Li W eizhan,Yang Xianying
Abstract Based on the example of Chongqing light rail
Line 3，and considering the rationality and effectiveness of
high altitude safety escape(HASE)plan，some effective ap—
proaches of TRIZ theory and Innovation Studio software
platform are applied to build a HASE unit mode1．Through
an expanding analysis，the main contradiction of this model
iS found，the relevant creative principles from the index of
quantitative changing in the Contradict M atrix (CM ) are
obtained， and pertinent preliminary plans are produced
from the guidance of the principles．The practical value of
this research will gu ide the design and implementation of
HASE plan on the light rail transit．
Key words creative method； unit model；contradict matrix；
feasibility
First-author’S address Chongqing Jiaotong University，
400074，Chongqing，China
按照TRIZ最初的定義：TRIZ理論是基于知
識(shí)、面向人的發(fā)明問題解決系統(tǒng)化方法學(xué)Ⅲ 。其核
心是技術(shù)進(jìn)化原理，特別是機(jī)械設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)性質(zhì)、指
導(dǎo)性質(zhì)問題的創(chuàng)新。按這一原理，技術(shù)系統(tǒng)一直處
*重慶市科委自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目(CSTC，2010BB5274)
· 54 ·
于進(jìn)化之中，解決沖突是其進(jìn)化的推動(dòng)力。魏奇鋒
及其團(tuán)隊(duì)分析討論了TRIZ基本原理在醫(yī)學(xué)工程儀
器裝置中的應(yīng)用，利用“物一場(chǎng)”模型、39個(gè)工程參
數(shù)、矛盾矩陣的手段解決實(shí)例中的矛盾并實(shí)現(xiàn)了技
術(shù)的優(yōu)化，構(gòu)建了TRIZ理論應(yīng)用的一般流程L2]，提
供了該理論應(yīng)用的一般過程。劉江南應(yīng)用TRIZ理
論，研究了設(shè)計(jì)中存在的技術(shù)和物理沖突問題，采用
常規(guī)技術(shù)特性參數(shù)描述了某種除雪裝置適應(yīng)性技術(shù)
和物理沖突，確定了對(duì)應(yīng)的TRIZ沖突矩陣，找到了
創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方向，最后運(yùn)用發(fā)明原理解決了裝置適
應(yīng)性分別與多項(xiàng)指標(biāo)之間的矛盾以及控制擊打力的
問題，最終找到了設(shè)計(jì)問題的多種創(chuàng)新方案特定
解l4]，對(duì)該理論的應(yīng)用過程研究進(jìn)行了較為具體的
展示。在安全逃生的因素分析上，蘇發(fā)慧等人研究
以地鐵為載體利用清晰數(shù)學(xué)分析法全面考慮影響城
市地鐵應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)能力的各種因素，其分析過程中所
采用的方法體現(xiàn)評(píng)價(jià)因素和評(píng)價(jià)過程的模糊性，從
個(gè)體的角度研究盡量減少主觀臆斷產(chǎn)生弊端的方
法_6]，形成具有一定體系化的參考。李學(xué)美等人針
對(duì)當(dāng)前城市高層建筑消防的問題，從高層建筑的特
點(diǎn)分析其火災(zāi)的特點(diǎn)(火勢(shì)猛、蔓延快、疏散難、滅火
救援難等)，展示了應(yīng)急問題面臨的內(nèi)外因素 j。
目前，重慶因?yàn)槌鞘械匦卧?，在快速公共交?
系統(tǒng)的類型選擇中采用了跨座式單軌，其中較多地
段出現(xiàn)高架橋，輕軌運(yùn)行在空中，單軌與傳統(tǒng)路面的
結(jié)合處是站臺(tái)。輕軌的運(yùn)行不排除可能出現(xiàn)的輕軌
緊急事故，如火災(zāi)、車身故障、鏈接故障、轉(zhuǎn)向故障等
內(nèi)部問題，以及地震、軌道破壞、橋體垮塌等外部問
題。一旦出現(xiàn)事故，車廂內(nèi)的乘客需要安全撤離。
目前安全逃生系統(tǒng)的解決方法有內(nèi)置安全滑梯、運(yùn)
用救火云梯進(jìn)行救援、直升飛機(jī)救援等方式。在跨
座式輕軌的實(shí)際情況中，由于場(chǎng)地受限、高空操作、
≮_ 0 ≯00 一 0 lll ≯ ≮曩 曩 ≯ 曩 0曩
人員密集等諸多因素的相互影響下，緊急逃生及救
援成為一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的工作任務(wù)。目前在現(xiàn)行的
重慶輕軌3號(hào)線上，設(shè)計(jì)了安全逃生通道平臺(tái)，即增
加了軌道梁之間的間隙平臺(tái)，用于應(yīng)急逃生。但由
于平臺(tái)與乘客撤離位置(車體側(cè)門)落差大導(dǎo)致乘客
從軌道梁或兩側(cè)門窗跳下可能造成二次受傷。針對(duì)
此問題，本文采用TRIZ理論創(chuàng)新方法對(duì)此逃生問
題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，最終獲得了針對(duì)性創(chuàng)新原理，并
根據(jù)該原理利用系統(tǒng)內(nèi)部因素設(shè)計(jì)出解決方法的初
步方案，期望對(duì)形成該類問題解決方法起指導(dǎo)作用。
1 問題的工況描述(WC)
1．1 問題焦點(diǎn)
目前的重慶輕軌3號(hào)線上，由于軌道梁之間的
間隙平臺(tái)與車門的高度落差大，乘客在撤離時(shí)下落
至間隙平臺(tái)，高落差產(chǎn)生的大沖擊力易造成乘客受
傷。問題的焦點(diǎn)為側(cè)門與問隙平臺(tái)的高度差與乘客
的安全逃生方式產(chǎn)生了矛盾。問題矛盾的圖形化表
達(dá)見圖1。圖1中，坐標(biāo)原點(diǎn)為車體頭部下方的地
面位置，縱坐標(biāo)是高度，橫坐標(biāo)是車體到最近車站的
距離約500 ITI，車體總長(zhǎng)約90 ITI，車門離地面的高
度為H 約7 ITI，間隙平臺(tái)高度H 約5 ITI；水平實(shí)
線為乘客逃生理想線路，即水平地撤離至站臺(tái)；虛線
為實(shí)際逃生線路，虛線的左端出現(xiàn)從H 到H 撤
離所產(chǎn)生的落差值h≈2 ITI，對(duì)乘客安全逃生造成
主要障礙而成為問題的焦點(diǎn)，見圖1中折線的左端。
車廂高度Ⅳ。
間隙平臺(tái)
圖1 乘客逃生運(yùn)動(dòng)軌跡
1．2 最終理想解(IFR)
根據(jù)TRIZ理論的系統(tǒng)方法，將安全逃生過程
設(shè)定為一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)問題的本系統(tǒng)、子系統(tǒng)及超系統(tǒng)
進(jìn)行分析，設(shè)定理想狀態(tài)的系統(tǒng)，即系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)組件
都處于最佳最優(yōu)化的狀態(tài)，達(dá)到設(shè)計(jì)的最佳極限。
由此確定系統(tǒng)內(nèi)外三個(gè)層面的最終理想解(IFR)。
最終理想解表達(dá)方法由式(1)所示，F(xiàn)有用功能越
多，F(xiàn) 有害作用越小，消耗成本越小，則，理想度就
越高，當(dāng)理想度增加至接近某個(gè)極限時(shí)候，這個(gè)極限
即為最終理想解。
，= 1"7 (1)
,
／
式中：
，— —理想度；
F——有用功能，有助于乘客安全逃生的因素
集，包括疏散時(shí)間長(zhǎng)、疏散軌跡簡(jiǎn)單、群體特征統(tǒng)一
性等；
F ——有害作用，影響乘客安全逃生的因素
集，包括時(shí)間短、疏散軌跡復(fù)雜、人員群體特征個(gè)體
特征復(fù)雜等。
F = 丁十 + 1
十 (2)
㈣
式中：
丁—— 完成安全疏散的有效時(shí)間；
K——逃生線路上的橫向轉(zhuǎn)彎個(gè)數(shù)(轉(zhuǎn)彎多則
疏導(dǎo)效率低，與F成反比)；
L——疏散水平移動(dòng)距離(距離長(zhǎng)則疏散效率
低，與F成反比)；
H—— 逃生線路上的縱向總長(zhǎng)(縱向運(yùn)動(dòng)線路
長(zhǎng)則疏散效率低，與F成反比)；
N——乘客逃生群體特征系數(shù)(群體特征類型多
則疏散效率低，特征統(tǒng)一則效率高，與F成反比)；
Q——乘客數(shù)量值(乘客數(shù)量大影響疏散效率，
與F成反比)。
1．3 設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)
利用現(xiàn)有車體結(jié)構(gòu)與間隙平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)車廂內(nèi)大
量乘客的快速安全逃生，同時(shí)逃生過程避免乘客的
二次受傷。預(yù)期目標(biāo)方案：①擴(kuò)大車廂的出口增加
乘客流動(dòng)量；② 減少乘客橫向、縱向運(yùn)動(dòng)范圍，如水
平直線運(yùn)動(dòng)。
2 系統(tǒng)分析與模型構(gòu)建(SA and MC)
基于最終理想解分析系統(tǒng)的組件構(gòu)成，首先設(shè)
定大量乘客為系統(tǒng)主體，以逃生線路或逃生方式為
分析依據(jù)。出現(xiàn)事故時(shí)候，乘客可從輕軌構(gòu)造的出
口逃出，包括從車體前后、兩側(cè)門窗逃生至軌道梁或
間隙平臺(tái)。同時(shí)車廂作為系統(tǒng)組件與車架相接，車
架支撐車廂，因此，系統(tǒng)的組件由輕軌車廂、前后門
窗、兩側(cè)門窗、大量乘客、輕軌車架、軌道梁、間隙平
臺(tái)等構(gòu)成。系統(tǒng)組件相互之間產(chǎn)生直接或間接作
用，根據(jù)直接作用的兩者進(jìn)行標(biāo)識(shí)，其直接關(guān)系圖組
· 5 ·
ltill 溪 嘲 till
件模型如圖2所示(圖中交叉線的圓點(diǎn)表示直接的
作用關(guān)系，如輕軌車廂與前后門窗直接連接作用，兩
者延伸線交叉位置標(biāo)為圓點(diǎn))。
圖2 組件模型圖
3 組件關(guān)系(RT)
由圖2的組件模型展開，基于Innovation Studio
軟件對(duì)系統(tǒng)組件進(jìn)行關(guān)系細(xì)化標(biāo)記。首先確定大量
乘客(人)為系統(tǒng)中心，根據(jù)作用的重要性關(guān)系，排列
系統(tǒng)組件的遠(yuǎn)近關(guān)系，獲得組件關(guān)系圖(見圖3)。其
中，與人之間作用最近的是前后門窗、兩側(cè)門窗、間隙
平臺(tái)。前后門窗與兩側(cè)門窗分別需要大量通過乘客
(人)，與其相反作用的矛盾是乘客數(shù)量增加而造成的
擁擠問題。間隙平臺(tái)與人直接作用，間隙平臺(tái)支撐及
疏導(dǎo)乘客。與其相反作用的矛盾是因?yàn)閾頂D而導(dǎo)致
的踩踏問題，及平臺(tái)高度與車廂高度落差大而導(dǎo)致乘
客二次受傷的可能性問題。車廂支撐前后門窗與兩
側(cè)門窗組件，車架則支撐車廂組件。
圖3 組件關(guān)系圖
同時(shí)建立了超系統(tǒng)的組件關(guān)系，超系統(tǒng)組件包
括大氣空氣、軌道柱梁、站臺(tái)等因素，分別對(duì)車架產(chǎn)
生作用。
4 組件裁剪分析(UT)
利用TRIZ理論中的主要?jiǎng)?chuàng)新方法—— 裁剪
法——對(duì)系統(tǒng)組件模型及組件關(guān)系圖的重要性次序
從輕到重進(jìn)行逐級(jí)裁剪，裁剪次序分別如圖4所示。
在裁剪過程中，每次裁剪掉一個(gè)組件都需要從本系
統(tǒng)內(nèi)或該組件關(guān)系線路中的上級(jí)或者下級(jí)尋找功能
代替的組件，亦可從子系統(tǒng)、超系統(tǒng)中尋找代用功能
的組件。如裁剪去圖4中的“輕軌車架”，那么需要
尋找代用組件完成支撐“輕軌車廂”的組件，可以從
軌道梁中尋找，如果軌道梁實(shí)現(xiàn)了車架的功能，該輕
軌的設(shè)計(jì)就應(yīng)屬于新型的隧道式輕軌。通過這種方
法對(duì)車廂內(nèi)大量乘客安全疏散的方式進(jìn)行創(chuàng)新。一
般情況下，裁剪時(shí)如果系統(tǒng)中不能找到代用的其他
· 56 ·
組件，此時(shí)該問題可以確定為矛盾點(diǎn)。
圖4 裁剪分析法
5 矛盾分析(CA)
基于裁剪分析后，圍繞問題焦點(diǎn)從系統(tǒng)中心開
始對(duì)每個(gè)組件的問題進(jìn)行三軸分析，分別是橫向的
因果軸、縱向的系統(tǒng)軸和斜向的操作軸。通過分析
確定問題的矛盾分解，確定主要技術(shù)矛盾。
確定主要矛盾：通過前面的矛盾分解，獲得問題
的主要矛盾可通過式(2)表示。
h ： H1一H2 (2)
在式(2)中，側(cè)車門客觀高度(H )與間隙平臺(tái)客

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