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基于TRIZ創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		點擊數：	更新時間： 2022年04月27日
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辮
基于TRIZ創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，400074，重慶∥第一作者，講師)
摘要 以重慶輕軌3號線為例，針對單軌高架橋安全逃生
方案的合理性和有效性，應用基于TRIZ理論常用創新方法
及Innovation Studio軟件平臺的可行性研究途徑，建立了該
高架橋安全逃生系統組件模型。經過展開分析，發現了該組
件模型的主要矛盾；根據矛盾的量變指標在矛盾矩陣中獲得
其對應的創新原理；基于原理的指導方向產生了針對性的初
步方案設計，體現了研究的可行性及實用價值，對單軌高架
橋逃生系統方案的設計和實施具有實際的指導作用。
關鍵詞創新方法；組件模型；矛盾矩陣；可行性
中圖分類號 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、面向人的發明問題解決系統化方法學Ⅲ 。其核
心是技術進化原理，特別是機械設計、基礎性質、指
導性質問題的創新。按這一原理，技術系統一直處
*重慶市科委自然科學基金計劃項目(CSTC，2010BB5274)
· 54 ·
于進化之中，解決沖突是其進化的推動力。魏奇鋒
及其團隊分析討論了TRIZ基本原理在醫學工程儀
器裝置中的應用，利用“物一場”模型、39個工程參
數、矛盾矩陣的手段解決實例中的矛盾并實現了技
術的優化，構建了TRIZ理論應用的一般流程L2]，提
供了該理論應用的一般過程。劉江南應用TRIZ理
論，研究了設計中存在的技術和物理沖突問題，采用
常規技術特性參數描述了某種除雪裝置適應性技術
和物理沖突，確定了對應的TRIZ沖突矩陣，找到了
創新設計的方向，最后運用發明原理解決了裝置適
應性分別與多項指標之間的矛盾以及控制擊打力的
問題，最終找到了設計問題的多種創新方案特定
解l4]，對該理論的應用過程研究進行了較為具體的
展示。在安全逃生的因素分析上，蘇發慧等人研究
以地鐵為載體利用清晰數學分析法全面考慮影響城
市地鐵應急風險能力的各種因素，其分析過程中所
采用的方法體現評價因素和評價過程的模糊性，從
個體的角度研究盡量減少主觀臆斷產生弊端的方
法_6]，形成具有一定體系化的參考。李學美等人針
對當前城市高層建筑消防的問題，從高層建筑的特
點分析其火災的特點(火勢猛、蔓延快、疏散難、滅火
救援難等)，展示了應急問題面臨的內外因素 j。
目前，重慶因為城市地形原因，在快速公共交通
系統的類型選擇中采用了跨座式單軌，其中較多地
段出現高架橋，輕軌運行在空中，單軌與傳統路面的
結合處是站臺。輕軌的運行不排除可能出現的輕軌
緊急事故，如火災、車身故障、鏈接故障、轉向故障等
內部問題，以及地震、軌道破壞、橋體垮塌等外部問
題。一旦出現事故，車廂內的乘客需要安全撤離。
目前安全逃生系統的解決方法有內置安全滑梯、運
用救火云梯進行救援、直升飛機救援等方式。在跨
座式輕軌的實際情況中，由于場地受限、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
援成為一項復雜而艱巨的工作任務。目前在現行的
重慶輕軌3號線上，設計了安全逃生通道平臺，即增
加了軌道梁之間的間隙平臺，用于應急逃生。但由
于平臺與乘客撤離位置(車體側門)落差大導致乘客
從軌道梁或兩側門窗跳下可能造成二次受傷。針對
此問題，本文采用TRIZ理論創新方法對此逃生問
題進行了系統分析，最終獲得了針對性創新原理，并
根據該原理利用系統內部因素設計出解決方法的初
步方案，期望對形成該類問題解決方法起指導作用。
1 問題的工況描述(WC)
1．1 問題焦點
目前的重慶輕軌3號線上，由于軌道梁之間的
間隙平臺與車門的高度落差大，乘客在撤離時下落
至間隙平臺，高落差產生的大沖擊力易造成乘客受
傷。問題的焦點為側門與問隙平臺的高度差與乘客
的安全逃生方式產生了矛盾。問題矛盾的圖形化表
達見圖1。圖1中，坐標原點為車體頭部下方的地
面位置，縱坐標是高度，橫坐標是車體到最近車站的
距離約500 ITI，車體總長約90 ITI，車門離地面的高
度為H 約7 ITI，間隙平臺高度H 約5 ITI；水平實
線為乘客逃生理想線路，即水平地撤離至站臺；虛線
為實際逃生線路，虛線的左端出現從H 到H 撤
離所產生的落差值h≈2 ITI，對乘客安全逃生造成
主要障礙而成為問題的焦點，見圖1中折線的左端。
車廂高度Ⅳ。
間隙平臺
圖1 乘客逃生運動軌跡
1．2 最終理想解(IFR)
根據TRIZ理論的系統方法，將安全逃生過程
設定為一個系統，對問題的本系統、子系統及超系統
進行分析，設定理想狀態的系統，即系統內每個組件
都處于最佳最優化的狀態，達到設計的最佳極限。
由此確定系統內外三個層面的最終理想解(IFR)。
最終理想解表達方法由式(1)所示，F有用功能越
多，F 有害作用越小，消耗成本越小，則，理想度就
越高，當理想度增加至接近某個極限時候，這個極限
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，包括疏散時間長、疏散軌跡簡單、群體特征統一
性等；
F ——有害作用，影響乘客安全逃生的因素
集，包括時間短、疏散軌跡復雜、人員群體特征個體
特征復雜等。
F = 丁十 + 1
十 (2)
㈣
式中：
丁—— 完成安全疏散的有效時間；
K——逃生線路上的橫向轉彎個數(轉彎多則
疏導效率低，與F成反比)；
L——疏散水平移動距離(距離長則疏散效率
低，與F成反比)；
H—— 逃生線路上的縱向總長(縱向運動線路
長則疏散效率低，與F成反比)；
N——乘客逃生群體特征系數(群體特征類型多
則疏散效率低，特征統一則效率高，與F成反比)；
Q——乘客數量值(乘客數量大影響疏散效率，
與F成反比)。
1．3 設計預期目標
利用現有車體結構與間隙平臺，實現車廂內大
量乘客的快速安全逃生，同時逃生過程避免乘客的
二次受傷。預期目標方案：①擴大車廂的出口增加
乘客流動量；② 減少乘客橫向、縱向運動范圍，如水
平直線運動。
2 系統分析與模型構建(SA and MC)
基于最終理想解分析系統的組件構成，首先設
定大量乘客為系統主體，以逃生線路或逃生方式為
分析依據。出現事故時候，乘客可從輕軌構造的出
口逃出，包括從車體前后、兩側門窗逃生至軌道梁或
間隙平臺。同時車廂作為系統組件與車架相接，車
架支撐車廂，因此，系統的組件由輕軌車廂、前后門
窗、兩側門窗、大量乘客、輕軌車架、軌道梁、間隙平
臺等構成。系統組件相互之間產生直接或間接作
用，根據直接作用的兩者進行標識，其直接關系圖組
· 5 ·
ltill 溪 嘲 till
件模型如圖2所示(圖中交叉線的圓點表示直接的
作用關系，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為圓點)。
圖2 組件模型圖
3 組件關系(RT)
由圖2的組件模型展開，基于Innovation Studio
軟件對系統組件進行關系細化標記。首先確定大量
乘客(人)為系統中心，根據作用的重要性關系，排列
系統組件的遠近關系，獲得組件關系圖(見圖3)。其
中，與人之間作用最近的是前后門窗、兩側門窗、間隙
平臺。前后門窗與兩側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量增加而造成的
擁擠問題。間隙平臺與人直接作用，間隙平臺支撐及
疏導乘客。與其相反作用的矛盾是因為擁擠而導致
的踩踏問題，及平臺高度與車廂高度落差大而導致乘
客二次受傷的可能性問題。車廂支撐前后門窗與兩
側門窗組件，車架則支撐車廂組件。
圖3 組件關系圖
同時建立了超系統的組件關系，超系統組件包
括大氣空氣、軌道柱梁、站臺等因素，分別對車架產
生作用。
4 組件裁剪分析(UT)
利用TRIZ理論中的主要創新方法—— 裁剪
法——對系統組件模型及組件關系圖的重要性次序
從輕到重進行逐級裁剪，裁剪次序分別如圖4所示。
在裁剪過程中，每次裁剪掉一個組件都需要從本系
統內或該組件關系線路中的上級或者下級尋找功能
代替的組件，亦可從子系統、超系統中尋找代用功能
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，如果軌道梁實現了車架的功能，該輕
軌的設計就應屬于新型的隧道式輕軌。通過這種方
法對車廂內大量乘客安全疏散的方式進行創新。一
般情況下，裁剪時如果系統中不能找到代用的其他
· 56 ·
組件，此時該問題可以確定為矛盾點。
圖4 裁剪分析法
5 矛盾分析(CA)
基于裁剪分析后，圍繞問題焦點從系統中心開
始對每個組件的問題進行三軸分析，分別是橫向的
因果軸、縱向的系統軸和斜向的操作軸。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，側車門客觀高度(H )與間隙平臺客

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