基于TRIZ的免停車上下客快速公交系統(tǒng)設(shè)計

向韻巧

摘 要：針對BRT公交車進站停車制動引起的能源浪費、環(huán)境污染、制動系統(tǒng)零部件壽命短以及運行效率低等問題，提出一種免停車上下客快速公交系統(tǒng)?；赥RIZ理論對現(xiàn)有公交進站停車上下客存在的物理矛盾進行分析，利用空間分離方法，設(shè)計新型公交車和站臺，為無人駕駛快速公交系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：免停車；快速公交；TRIZ；物理矛盾

中圖分類號：TP271+.4 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.04.070

成都二環(huán)高架路上設(shè)立專用通道，開行了K1與K2兩條BRT（Bus Rapid Transit）快速公交線路，配備共近150臺大容量公交車，設(shè)計時速80 km。全線站點數(shù)量共計28對，平均站距1 046 m，高峰時段間隔1.5 min發(fā)車，平峰間隔3 min發(fā)車，低峰間隔4～6 min發(fā)車，完成一車乘客上下約需20 s，全程約1 h。雖然成都二環(huán)高架BRT系統(tǒng)有效彌補了常規(guī)公交準(zhǔn)點率低和路權(quán)等問題，但是通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，仍然存在公交車進站制動停車引起能源浪費、運行效率低、管理成本高等問題。因此，設(shè)計一種免停車上下客公交系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 基于TRIZ理論的矛盾分析

TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）是俄文中發(fā)明問題解決理論的詞頭，它是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒（Genrikh Altshuller）及其帶領(lǐng)的研究團隊通過對數(shù)百萬份專利文獻加以搜集、研究、整理、歸納、提煉和重組而創(chuàng)建的一整套體系化的、具有廣泛通用性和可操作性的發(fā)明問題解決理論體系，主要包括了解決相應(yīng)技術(shù)問題和實現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、工具以及算法。TRIZ理論認為，技術(shù)創(chuàng)新的過程實質(zhì)上是就是解決創(chuàng)新過程遇到的矛盾問題。

TRIZ理論的問題模型有技術(shù)矛盾和物理矛盾兩種，本文采用物理矛盾模型來分析問題。一方面，公交車要滿足順利上下客，進站時就需要停車，并且要讓乘客能安全地上車與下車，就需要公交車進站停車的時間越長越好；而另一方面，公交車進站停車的時間越長，能源和時間的無效損耗就越多，即為了降低能源和時間的無效損耗，就需要公交車進站停車的時間越短越好。因此，關(guān)于公交車進站停車就出現(xiàn)了“時間”這一參數(shù)的明顯對立，即“停車時間既要長又要短”。這就是TRIZ理論的物理矛盾。

2 方案設(shè)計

為了解決物理矛盾，TRIZ理論提出可以采用時間分離、空間分離、條件分離和系統(tǒng)級別上的分離等分離方法。本方案采用空間分離方法，在空間上將相互矛盾的需求分離開，即考慮將傳統(tǒng)的公交車從空間上分割為多個部分，某些部分滿足“停車時間長”，其他部分滿足“停車時間短”。按照這一思路，將傳統(tǒng)公交車分割為乘客車、上客中轉(zhuǎn)車和下客中轉(zhuǎn)車三部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。站臺主要由站臺扶梯、中轉(zhuǎn)站臺、中轉(zhuǎn)車鐵軌及中轉(zhuǎn)車供電系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 免停車上下客系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 站臺結(jié)構(gòu)圖

免停車上下客系統(tǒng)工作流程如下：

第一步，當(dāng)BRT公交車進站前（圖1中T1時刻），需要上車的乘客通過站臺刷卡預(yù)先進入上客中轉(zhuǎn)車，車門自動關(guān)閉，等候開車。此時，上客中轉(zhuǎn)車位于圖1中位置D.與此同時，需要下車的乘客通過車內(nèi)樓梯或電梯預(yù)先進入下客中轉(zhuǎn)車，準(zhǔn)備下車。

第二步，當(dāng)BRT公交車進站時（圖1中T2時刻），安裝在中轉(zhuǎn)車鐵軌進站口方向的到位傳感器檢測到下客中轉(zhuǎn)車準(zhǔn)確進入中轉(zhuǎn)鐵軌時，分離裝置啟動（圖1中位置B），下客中轉(zhuǎn)車與乘客車自動分離，乘客車繼續(xù)沒行車道前進，下客中轉(zhuǎn)車通過鐵軌供電沿鐵軌減速前行；與此同時，上客中轉(zhuǎn)車啟動，開始加速前行。

當(dāng)傳感器檢測到下客中轉(zhuǎn)車減速運行到圖1中位置C時，系統(tǒng)自動控制下客中轉(zhuǎn)車停車，開啟車門下車。此時，下客中轉(zhuǎn)車替代上客中轉(zhuǎn)車，供下一批乘客上車中轉(zhuǎn)用，因此站臺鐵軌上始終只需要一輛中轉(zhuǎn)車。

第三步，當(dāng)下客中轉(zhuǎn)車停車時（圖1中T3時刻），上客中轉(zhuǎn)車已加速到和底層乘客車同步速度，并在圖1中F位置與底層乘客車通過鎖緊裝置固定為一體，上下兩層車在底層乘客車的驅(qū)動下沿著行車道自動行駛，直到下一站，又重復(fù)第一步驟。

通過以上設(shè)計，滿足了公交車進站不用停車就能順利進行乘客上下的需求。

3 工作原理

要可靠實現(xiàn)免停車上下客的功能，中轉(zhuǎn)車與乘客車分離和組合時的車速設(shè)計至關(guān)重要。人處于變速運動狀態(tài)時，身體會受到速度的影響。如果加速度值超過上限，會造成人們皮肉青腫、骨折、器官破裂、腦震蕩等損傷。人在座位上能耐受的加速度極限如表1所示。

為了讓乘客在上下時感到舒適，取表2中公共交通車輛正常加速和減速時乘客受到的加速度下限值0.1g，即0.98 m/s2，延續(xù)時間取5 s。

人乘坐不同交通工具時受到的加速度值和延續(xù)時間見表2.

設(shè)進站時車速為v1，下客中轉(zhuǎn)車從進站到停下來的時間t≤5 s，則v1≤0.98×5=4.9 m/s=17.64 km/h。

此時，下客中轉(zhuǎn)車減速行駛的距離為：

（1）

雙層公交車一般長為10.5 m，也能滿足下客中轉(zhuǎn)車的停放長度。

上客中轉(zhuǎn)車在下客中轉(zhuǎn)車進站分離瞬間即從靜止?fàn)顟B(tài)啟動加速前行，加速度同樣取0.98 m/s2，加速時間取5 s，則上客中轉(zhuǎn)車5 s內(nèi)加速前行了12.25 m。進站后，下層乘客車始終保持4.9 m/s的進站速度前行，在5 s內(nèi)行駛了24.5 m，正好與上客中轉(zhuǎn)車速度同步，保證同步組合前行。根據(jù)上述計算，理論上站臺的長度只需要24.5 m即可，所需站臺短。因此，在滿足乘客舒適度和站臺長度限制的同時，系統(tǒng)設(shè)計方案可行。

4 結(jié)論

為避免乘客在上下中轉(zhuǎn)車中受加速度影響而感到不適，同時考慮系統(tǒng)運行的效率以及可靠性、安全性等因素，經(jīng)過理論計算，汽車進站速度約17 km/h，中轉(zhuǎn)車與乘客車完成分離與組合時間共計10 s，節(jié)約時間50%，站臺長度不足30 m。如果汽車駛出站臺的平均車速為50 km/h，一輛免停車無人駕駛公交車跑完二環(huán)路一圈總共只需37.6 min，節(jié)約總時間近40%，平均時速可由現(xiàn)有的25 km/h提高到約45 km/h（目前全程28.3 km，28個站臺，每站臺上下客時間約20 s，全程約1 h，平均時速25 km/h），具有重要的應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。

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〔編輯：劉曉芳〕