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基于TRIZ创新理论的单轨高架桥安全逃生问题研究

文档作者：李伟湛杨先英文档来源：重庆交通大学		点击数：	更新时间： 2022年04月27日
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辫
基于TRIZ创新理论的单轨高架桥安全逃生问题研究*
李伟湛杨先英
(重庆交通大学，400074，重庆∥第一作者，讲师)
摘要 以重庆轻轨3号线为例，针对单轨高架桥安全逃生
方案的合理性和有效性，应用基于TRIZ理论常用创新方法
及Innovation Studio软件平台的可行性研究途径，建立了该
高架桥安全逃生系统组件模型。经过展开分析，发现了该组
件模型的主要矛盾；根据矛盾的量变指标在矛盾矩阵中获得
其对应的创新原理；基于原理的指导方向产生了针对性的初
步方案设计，体现了研究的可行性及实用价值，对单轨高架
桥逃生系统方案的设计和实施具有实际的指导作用。
关键词创新方法；组件模型；矛盾矩阵；可行性
中图分类号 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最初的定义：TRIZ理论是基于知
识、面向人的发明问题解决系统化方法学Ⅲ 。其核
心是技术进化原理，特别是机械设计、基础性质、指
导性质问题的创新。按这一原理，技术系统一直处
*重庆市科委自然科学基金计划项目(CSTC，2010BB5274)
· 54 ·
于进化之中，解决冲突是其进化的推动力。魏奇锋
及其团队分析讨论了TRIZ基本原理在医学工程仪
器装置中的应用，利用“物一场”模型、39个工程参
数、矛盾矩阵的手段解决实例中的矛盾并实现了技
术的优化，构建了TRIZ理论应用的一般流程L2]，提
供了该理论应用的一般过程。刘江南应用TRIZ理
论，研究了设计中存在的技术和物理冲突问题，采用
常规技术特性参数描述了某种除雪装置适应性技术
和物理冲突，确定了对应的TRIZ冲突矩阵，找到了
创新设计的方向，最后运用发明原理解决了装置适
应性分别与多项指标之间的矛盾以及控制击打力的
问题，最终找到了设计问题的多种创新方案特定
解l4]，对该理论的应用过程研究进行了较为具体的
展示。在安全逃生的因素分析上，苏发慧等人研究
以地铁为载体利用清晰数学分析法全面考虑影响城
市地铁应急风险能力的各种因素，其分析过程中所
采用的方法体现评价因素和评价过程的模糊性，从
个体的角度研究尽量减少主观臆断产生弊端的方
法_6]，形成具有一定体系化的参考。李学美等人针
对当前城市高层建筑消防的问题，从高层建筑的特
点分析其火灾的特点(火势猛、蔓延快、疏散难、灭火
救援难等)，展示了应急问题面临的内外因素 j。
目前，重庆因为城市地形原因，在快速公共交通
系统的类型选择中采用了跨座式单轨，其中较多地
段出现高架桥，轻轨运行在空中，单轨与传统路面的
结合处是站台。轻轨的运行不排除可能出现的轻轨
紧急事故，如火灾、车身故障、链接故障、转向故障等
内部问题，以及地震、轨道破坏、桥体垮塌等外部问
题。一旦出现事故，车厢内的乘客需要安全撤离。
目前安全逃生系统的解决方法有内置安全滑梯、运
用救火云梯进行救援、直升飞机救援等方式。在跨
座式轻轨的实际情况中，由于场地受限、高空操作、
≮_ 0 ≯00 一 0 lll ≯ ≮曩 曩 ≯ 曩 0曩
人员密集等诸多因素的相互影响下，紧急逃生及救
援成为一项复杂而艰巨的工作任务。目前在现行的
重庆轻轨3号线上，设计了安全逃生通道平台，即增
加了轨道梁之间的间隙平台，用于应急逃生。但由
于平台与乘客撤离位置(车体侧门)落差大导致乘客
从轨道梁或两侧门窗跳下可能造成二次受伤。针对
此问题，本文采用TRIZ理论创新方法对此逃生问
题进行了系统分析，最终获得了针对性创新原理，并
根据该原理利用系统内部因素设计出解决方法的初
步方案，期望对形成该类问题解决方法起指导作用。
1 问题的工况描述(WC)
1．1 问题焦点
目前的重庆轻轨3号线上，由于轨道梁之间的
间隙平台与车门的高度落差大，乘客在撤离时下落
至间隙平台，高落差产生的大冲击力易造成乘客受
伤。问题的焦点为侧门与问隙平台的高度差与乘客
的安全逃生方式产生了矛盾。问题矛盾的图形化表
达见图1。图1中，坐标原点为车体头部下方的地
面位置，纵坐标是高度，横坐标是车体到最近车站的
距离约500 ITI，车体总长约90 ITI，车门离地面的高
度为H 约7 ITI，间隙平台高度H 约5 ITI；水平实
线为乘客逃生理想线路，即水平地撤离至站台；虚线
为实际逃生线路，虚线的左端出现从H 到H 撤
离所产生的落差值h≈2 ITI，对乘客安全逃生造成
主要障碍而成为问题的焦点，见图1中折线的左端。
车厢高度Ⅳ。
间隙平台
图1 乘客逃生运动轨迹
1．2 最终理想解(IFR)
根据TRIZ理论的系统方法，将安全逃生过程
设定为一个系统，对问题的本系统、子系统及超系统
进行分析，设定理想状态的系统，即系统内每个组件
都处于最佳最优化的状态，达到设计的最佳极限。
由此确定系统内外三个层面的最终理想解(IFR)。
最终理想解表达方法由式(1)所示，F有用功能越
多，F 有害作用越小，消耗成本越小，则，理想度就
越高，当理想度增加至接近某个极限时候，这个极限
即为最终理想解。
，= 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，包括疏散时间长、疏散轨迹简单、群体特征统一
性等；
F ——有害作用，影响乘客安全逃生的因素
集，包括时间短、疏散轨迹复杂、人员群体特征个体
特征复杂等。
F = 丁十 + 1
十 (2)
㈣
式中：
丁—— 完成安全疏散的有效时间；
K——逃生线路上的横向转弯个数(转弯多则
疏导效率低，与F成反比)；
L——疏散水平移动距离(距离长则疏散效率
低，与F成反比)；
H—— 逃生线路上的纵向总长(纵向运动线路
长则疏散效率低，与F成反比)；
N——乘客逃生群体特征系数(群体特征类型多
则疏散效率低，特征统一则效率高，与F成反比)；
Q——乘客数量值(乘客数量大影响疏散效率，
与F成反比)。
1．3 设计预期目标
利用现有车体结构与间隙平台，实现车厢内大
量乘客的快速安全逃生，同时逃生过程避免乘客的
二次受伤。预期目标方案：①扩大车厢的出口增加
乘客流动量；② 减少乘客横向、纵向运动范围，如水
平直线运动。
2 系统分析与模型构建(SA and MC)
基于最终理想解分析系统的组件构成，首先设
定大量乘客为系统主体，以逃生线路或逃生方式为
分析依据。出现事故时候，乘客可从轻轨构造的出
口逃出，包括从车体前后、两侧门窗逃生至轨道梁或
间隙平台。同时车厢作为系统组件与车架相接，车
架支撑车厢，因此，系统的组件由轻轨车厢、前后门
窗、两侧门窗、大量乘客、轻轨车架、轨道梁、间隙平
台等构成。系统组件相互之间产生直接或间接作
用，根据直接作用的两者进行标识，其直接关系图组
· 5 ·
ltill 溪 嘲 till
件模型如图2所示(图中交叉线的圆点表示直接的
作用关系，如轻轨车厢与前后门窗直接连接作用，两
者延伸线交叉位置标为圆点)。
图2 组件模型图
3 组件关系(RT)
由图2的组件模型展开，基于Innovation Studio
软件对系统组件进行关系细化标记。首先确定大量
乘客(人)为系统中心，根据作用的重要性关系，排列
系统组件的远近关系，获得组件关系图(见图3)。其
中，与人之间作用最近的是前后门窗、两侧门窗、间隙
平台。前后门窗与两侧门窗分别需要大量通过乘客
(人)，与其相反作用的矛盾是乘客数量增加而造成的
拥挤问题。间隙平台与人直接作用，间隙平台支撑及
疏导乘客。与其相反作用的矛盾是因为拥挤而导致
的踩踏问题，及平台高度与车厢高度落差大而导致乘
客二次受伤的可能性问题。车厢支撑前后门窗与两
侧门窗组件，车架则支撑车厢组件。
图3 组件关系图
同时建立了超系统的组件关系，超系统组件包
括大气空气、轨道柱梁、站台等因素，分别对车架产
生作用。
4 组件裁剪分析(UT)
利用TRIZ理论中的主要创新方法—— 裁剪
法——对系统组件模型及组件关系图的重要性次序
从轻到重进行逐级裁剪，裁剪次序分别如图4所示。
在裁剪过程中，每次裁剪掉一个组件都需要从本系
统内或该组件关系线路中的上级或者下级寻找功能
代替的组件，亦可从子系统、超系统中寻找代用功能
的组件。如裁剪去图4中的“轻轨车架”，那么需要
寻找代用组件完成支撑“轻轨车厢”的组件，可以从
轨道梁中寻找，如果轨道梁实现了车架的功能，该轻
轨的设计就应属于新型的隧道式轻轨。通过这种方
法对车厢内大量乘客安全疏散的方式进行创新。一
般情况下，裁剪时如果系统中不能找到代用的其他
· 56 ·
组件，此时该问题可以确定为矛盾点。
图4 裁剪分析法
5 矛盾分析(CA)
基于裁剪分析后，围绕问题焦点从系统中心开
始对每个组件的问题进行三轴分析，分别是横向的
因果轴、纵向的系统轴和斜向的操作轴。通过分析
确定问题的矛盾分解，确定主要技术矛盾。
确定主要矛盾：通过前面的矛盾分解，获得问题
的主要矛盾可通过式(2)表示。
h ： H1一H2 (2)
在式(2)中，侧车门客观高度(H )与间隙平台客

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