基于系統(tǒng)論和TRIZ理論的空軌貨運動車設(shè)計

武月琴，武雨飛，史志遠

基于系統(tǒng)論和TRIZ理論的空軌貨運動車設(shè)計

武月琴1，武雨飛1，史志遠2

（1.西華大學(xué)，成都 610039；2.武漢理工大學(xué)，武漢 430070）

改善當(dāng)前中小型港口水鐵聯(lián)運銜接能力不足，運輸?shù)托?、交通擁堵的問題。首先對水鐵聯(lián)運的現(xiàn)狀進行調(diào)研分析，運用系統(tǒng)論的研究方法，確定公路運輸是集疏運系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)空軌符合未來聯(lián)運發(fā)展的方向，對空軌貨運動車的系統(tǒng)及組件進行分析，利用“人-機-環(huán)境”理論與TRIZ理論分析空軌貨運動車的設(shè)計，并減少內(nèi)部物理沖突與技術(shù)沖突，得到最終的設(shè)計方案。以系統(tǒng)論和TRIZ理論為依據(jù)，設(shè)計出一款水鐵聯(lián)運、清潔高效、無人駕駛的全自動空軌貨運動車。綜合使用兩種方法，可以從宏觀與微觀層面找到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)、減少內(nèi)部矛盾，更加準(zhǔn)確有效地設(shè)計空軌貨運動車，滿足中小型港口低成本、高效率、占地少的需求，具有一定的理論參考與實際研究價值。

系統(tǒng)理論；TRIZ；空軌；工業(yè)設(shè)計

《水運“十四五”發(fā)展規(guī)劃》指出水運行業(yè)要充分發(fā)揮低碳綠色的優(yōu)勢，完善集疏運體系，大力發(fā)展水鐵聯(lián)運，做好與其他運輸方式的融合發(fā)展。目前水鐵聯(lián)運主要有“水公鐵”“水鐵”兩種模式[1]，“水公鐵”模式因公路運輸?shù)撵`活性與適應(yīng)性而占比較多，近70%需要公路短駁。但從成本、運輸批量和能耗方面來看，公路運輸難以完全承擔(dān)聯(lián)運重任[2]，與城市共用交通網(wǎng)絡(luò)易造成交通擁堵，延長運輸時間，降低運輸效率，增加運輸過程的碳排量，有悖于高質(zhì)量發(fā)展的長遠計劃。因此，需要將現(xiàn)有技術(shù)創(chuàng)造性地應(yīng)用于“水”“鐵”連接，以達到節(jié)能減排、綠色發(fā)展的目的。

1 基于系統(tǒng)論的水鐵聯(lián)運問題分析

水鐵聯(lián)運由裝卸機械、運輸機械、信息共享與交流平臺、資金流通渠道、物資運輸路線、場域作業(yè)等構(gòu)成，并受社會環(huán)境和自然環(huán)境的影響，這些因素共同構(gòu)成一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程。對復(fù)雜系統(tǒng)的研究需要從全局考慮，以綜合性、整體性、最優(yōu)化的觀念分析問題，才能建立有效的研究框架，明確問題主次與各因素間的限制，達到系統(tǒng)整體平衡與高效運行的目的。利用系統(tǒng)性的設(shè)計思維，可以增強分析過程的整體性與邏輯性[3]，輔助設(shè)計具體產(chǎn)品[4]，進行“人-機-環(huán)境”的系統(tǒng)設(shè)計[5]及服務(wù)設(shè)計[6]。因此，可以借助系統(tǒng)論的設(shè)計思想，以水鐵聯(lián)運整體為研究對象，按功能目的拆解為多個子系統(tǒng)及子系統(tǒng)間的聯(lián)系方式，從系統(tǒng)整體角度考慮優(yōu)化，著重考慮整體效益與局部效益的關(guān)系、系統(tǒng)整體與外部環(huán)境制約的關(guān)系，協(xié)調(diào)水路系統(tǒng)與鐵路系統(tǒng)之間的關(guān)系，以最佳的方式處理問題，達到整體的最高效益。

“水鐵”模式依托港口國際性的功能，以港口為媒介，直接在港口后方鋪設(shè)鐵路線，用裝卸設(shè)備和搬運設(shè)備實現(xiàn)火車與貨船的物資交換，減少中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)。在該模式下，人主要負責(zé)信息處理和后勤維修，參與的直接搬運任務(wù)較少，主要由機械自主完成貨物裝卸，因此，將“機-環(huán)境”系統(tǒng)作為研究重點?！八F”系統(tǒng)可以分為水路運輸系統(tǒng)、鐵路運輸系統(tǒng)以及平臺轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，水路與鐵路運輸系統(tǒng)通過平臺轉(zhuǎn)運系統(tǒng)相連接，平臺轉(zhuǎn)運系統(tǒng)除提供裝卸設(shè)備、短距離搬運設(shè)備、物流信息服務(wù)之外，還必須提供足夠的場域用于貨船和貨運火車停靠站的建設(shè)、貨物裝卸作業(yè)以及貨物堆放儲存。由于商品貨物運量快速增長，原有鐵路鋪設(shè)線以及碼頭?？课坏臄?shù)量不能滿足需要，需要更多的建設(shè)場地，因此，地方可供建設(shè)面積是制約“水鐵”聯(lián)運發(fā)展的因素之一。此外，由于鐵路運力緊張、運輸組織不協(xié)調(diào)、缺少物流公共信息平臺、定價機制差異大、運輸利益分配較不合理[7]，以及聯(lián)運建設(shè)的經(jīng)濟成本較大，維修費用較高，所以這種貨運模式占比較小，更適用于國際化的大型港口，中小型港口仍以“水公鐵”為主，因此將中小型港口作為研究對象，以提出更合理的轉(zhuǎn)運方式。

中小型港口貨運量較少，出于成本與時間的考慮，公路接駁水路與鐵路是最常用的方式，也就是“水公鐵”轉(zhuǎn)運模式。用“機-環(huán)境”系統(tǒng)理論[8]分析“水公鐵”集疏運方式中的要素組成、相互作用方式和要素與環(huán)境之間的聯(lián)系，找到系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，明確制約因素，進而加以改進?！八F”集疏運系統(tǒng)見圖1，通過分析可知，在目前的系統(tǒng)中，貨車運輸效率受機動車與非機動車數(shù)量限制，以及天氣條件、地理環(huán)境和人口密度的影響，是制約因素最多的二級子系統(tǒng)；水路運輸系統(tǒng)雖然受水文氣象影響且航速較慢，但具有運量大、運費低，對環(huán)境破壞小的優(yōu)點，且涉及國際運輸，難以改進與代替。根據(jù)TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進化模式可知，公路運輸系統(tǒng)是最影響整體運輸效率的環(huán)節(jié)。結(jié)合現(xiàn)有交通形式，提出以下改進方向：一是使用地下或空中運輸網(wǎng)絡(luò)，減少地面交通壓力；二是使用無人控制車輛，提高運輸效率；三是鋪設(shè)軌道，降低環(huán)境影響。

圖1 “水公鐵”集疏運系統(tǒng)

2 “人機環(huán)境”系統(tǒng)下的空軌貨運動車設(shè)計

對比現(xiàn)有交通方式發(fā)現(xiàn)，空軌交通基本符合以上方向，可替代“水公鐵”模式中的公路運輸，空軌全稱為懸掛式空中軌道，列車位于軌道下方，由墩柱支撐在空中，能夠分擔(dān)地面交通壓力，提高運輸效率，具有安全可靠、造價低廉、適應(yīng)程度高、占地面積小的優(yōu)點。第一條空軌線路是1901年德國建造的烏帕塔爾線，具有客運功能，隨后在多特蒙德工業(yè)大學(xué)建造空軌，便于學(xué)生校內(nèi)通行；日本在引入空軌技術(shù)后進行了本土化改良，建造了東山動物園線、千葉線等，具有觀光游覽、客運通行的功能，在速度和承運人數(shù)上都有所提升；我國目前建成了青島四方試驗線、開封中建試驗線、武漢中鐵試驗線和開封中建試驗線；在能源選擇和使用方式上有所創(chuàng)新，中唐集團將超級鋰電池作為新能源空軌列車動力源，取消管道線，簡化空軌系統(tǒng)組成。

國內(nèi)對空軌車的掛車方案[9]、國內(nèi)的適應(yīng)性[10]、集疏運系統(tǒng)[11]、裝卸工藝等進行了研究[12]，綜合國家知識產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站的相關(guān)專利檢索結(jié)果，依據(jù)TRIZ技術(shù)進化模式可知，空軌集疏運技術(shù)尚處于關(guān)鍵技術(shù)涌現(xiàn)的嬰兒期。結(jié)合上述案例，空軌的發(fā)展方向有三方面：一是中長距離運輸，目前空軌主要用于短距離運輸，但建設(shè)長度呈增長趨勢；二是功能目的本土化，根據(jù)本地需要改動空軌組件，可用于城市客運、觀光游覽、園內(nèi)通行以及其他功能；三是空中貨運，空軌技術(shù)有較大進展，載重和速度有明顯提升，能源動力向綠色、持久方向發(fā)展，具備綠色貨運的技術(shù)條件。

2.1 “機-環(huán)境”系統(tǒng)下的空軌貨運動車設(shè)計

港口貨運量大，輸送貨物需求強烈，因此可將空軌功能本土化，將空軌系統(tǒng)引入港口貨運，替代或分流部分公路運輸，承擔(dān)貨運功能。結(jié)合實例與現(xiàn)有文獻，可以將空軌貨運系統(tǒng)劃分為動車系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、運行控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和站點裝卸系統(tǒng)六個子系統(tǒng)[11]?；凇皺C-環(huán)境”系統(tǒng)理論，可以得到六個子系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互作用關(guān)系，見圖2?？梢缘弥獎榆囅到y(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，且動車系統(tǒng)受制約因素最多。動車系統(tǒng)在尺寸上需與集裝箱的尺寸相匹配，滿足載重要求且起吊過程平穩(wěn)安全，同時還會受到港口環(huán)境氣候的影響，港口氣候潮濕且風(fēng)力較強，對動車防銹措施以及起吊裝置的穩(wěn)定性有一定要求，因此，主要對動車系統(tǒng)進行設(shè)計。

圖2 空軌貨運系統(tǒng)分析

空軌貨運動車由走行裝置、防護裝置、升降裝置、吊取裝置、懸吊裝置組成[11,13-14]。走行裝置：由走行輪、導(dǎo)向輪、搖枕裝置、牽引裝置和制動裝置構(gòu)成牽引電機，從而驅(qū)動走行輪滾動，進而帶動整個動車前進；導(dǎo)向輪貼合軌道梁側(cè)壁，在導(dǎo)向軌內(nèi)行走，負責(zé)控制列車轉(zhuǎn)向；由于貨物通常在20 t左右，且位置較高，有墜落風(fēng)險，需由防護裝置加強集裝箱在運輸過程中的穩(wěn)定性。升降裝置由卷揚機、鋼絲繩組成，卷揚機通過控制鋼絲繩的長短實現(xiàn)集裝箱的取放；吊取裝置包括上下兩部分，上方為車架，下方為吊具，吊具通過將懸鎖插入集裝箱角件的橢圓孔內(nèi)，連桿機構(gòu)推動懸鎖轉(zhuǎn)動90°卡緊角件，以實現(xiàn)集裝箱的固定；懸吊裝置用以連接走行裝置與吊取裝置，并裝有液壓減震器和止擋橡膠，減少空軌在行走過程中的橫向振動（見圖3）。

空軌貨運動車不與地面接觸、不受人的操作影響，而主要受氣候環(huán)境、極端天氣的影響。港口位于沿海位置，以季風(fēng)氣候為主，冬季風(fēng)力較大，春季風(fēng)向多變但風(fēng)力較弱。運輸過程中空軌貨運動車容易受到橫向風(fēng)力的影響，穩(wěn)定性與安全性下降，根據(jù)牛頓第二定律公式，列車受到的橫向風(fēng)力的計算公式為：

圖3 空軌貨運動車示意圖

表1 國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱外尺寸

Tab.1 Outer dimensions of international standard container ft

2.2 “人”對空軌貨運動車的設(shè)計影響

利用“人-機-環(huán)境”系統(tǒng)理論整體分析空軌貨運動車的設(shè)計，“人”作為產(chǎn)品的服務(wù)對象應(yīng)重點考慮，從視覺聽覺觸覺多感官滿足人的心理需求、審美需求以及安全需求。由于空軌貨運動車使用無人駕駛系統(tǒng)，所以“人”因素是指空軌貨運動車的維修人員以及空軌貨運線附近的行人。從安全角度出發(fā)，應(yīng)避免工作人員或行人位于車輛下方，而空軌貨運動車在運輸過程中必然經(jīng)過港口作業(yè)區(qū)與城區(qū)，因此可以通過設(shè)計提醒下方人員遠離?？紤]到人主要的信息接受方式為視覺與聽覺，那么提示信息可表現(xiàn)為燈光與聲音提醒。人眼視度為124°，而燈光位于貨運動車頂部和底部時不易被觀察到，因此貨運提示燈應(yīng)位于吊具側(cè)面下方位置，確?？梢曅?。聲音提示以變化間斷的方式呈現(xiàn)，否則容易造成人的聽覺疲勞，降低警惕性，聲音的大小為70～110 dB，足夠引起注意且不損傷聽力。

從心理需求出發(fā)，空軌貨運動車發(fā)出遠離信息的同時也要給人以安全感，提高人的心理接受度。現(xiàn)有空軌貨運動車以功能形態(tài)為主，是工程結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物，而暴露的復(fù)雜結(jié)構(gòu)容易讓人感到緊張不安，因而需要弱化“工程屬性”，增加“產(chǎn)品屬性”。最簡單的方式是添加外殼將結(jié)構(gòu)包裹在內(nèi)，同時具有保護內(nèi)部結(jié)構(gòu)的功能，根據(jù)現(xiàn)有空軌貨運動車的結(jié)構(gòu)，外殼需分為上下兩部分，便于裝卸集裝箱，顏色以黃色與黑色為主，與周圍環(huán)境形成反差，使人警戒。對于維修人員應(yīng)考慮維修的便捷性，整體外殼容易更換，局部外殼具有可拆性。

3 運用TRIZ理論工具解決問題

3.1 明確改進方向

發(fā)明問題解決理論[16]（TRIZ）主要包括39個工程參數(shù)、40條發(fā)明創(chuàng)造原理、分離原理、理想解等創(chuàng)新工具與模型，可融合可拓學(xué)、AHP等方法輔助設(shè)計思維[17-18]，快速找到問題本質(zhì)，創(chuàng)造性地解決問題并進行產(chǎn)品設(shè)計。解決問題首先要明確問題，因而可以先明確空軌貨運系統(tǒng)的理想解，找到理想解與目前系統(tǒng)的差距，進而精確定義問題，隨后對應(yīng)矛盾沖突原理，將沖突轉(zhuǎn)化為39個工程參數(shù)，然后對照沖突矩陣查詢解決原理，在此基礎(chǔ)上提出解決方案，根據(jù)理想化水平公式確定解決方案是否成立?？哲壺涍\動車的現(xiàn)實案例主要參照青島港的空軌貨運系統(tǒng)，理想解與目前狀態(tài)的對比見表2，由此可見主要的設(shè)計對象為吊取裝置、升降裝置、防護裝置。

3.2 建立沖突模型

前文提到的集裝箱側(cè)面積需減小但又不可改動的情況，是待解決的第一個沖突。集裝箱常用20 ft、40 ft兩種尺寸，10 ft、30 ft使用較少，為提高工作效率、增加吊具的適應(yīng)性，需要同時滿足四種尺寸。目前集裝箱的取放主要通過吊具進行操作，大部分集裝箱專用機械使用伸縮式吊具[19]，能夠根據(jù)集裝箱尺寸伸長或縮短，然而這種吊具結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，重量較大，與空軌貨運動車的輕量化要求相矛盾，此為第二個沖突。第三個沖突是卷揚機和鋼絲繩配合吊具實現(xiàn)集裝箱升降，但鋼絲繩在起吊過程中并不平穩(wěn)，與實現(xiàn)精準(zhǔn)抓放集裝箱的目標(biāo)相矛盾，屬于技術(shù)沖突。

表2 理想解與實例的對比

沖突一為物理沖突，解決物理沖突的方法有空間分離原理、時間分離原理、條件分離原理、整體與局部分離原理，綜合40條發(fā)明創(chuàng)造原理，最終選擇使用時間分離原理和動態(tài)化原理。增加風(fēng)向感應(yīng)裝置，并在懸吊裝置與吊取裝置之間增加旋轉(zhuǎn)裝置，可根據(jù)風(fēng)向自主旋轉(zhuǎn)吊具，使集裝箱側(cè)面積小的一面迎風(fēng)。沖突二是物理沖突，吊具尺寸需同時滿足4種尺寸，結(jié)合生產(chǎn)成本與工作效率進行考慮，融合使用空間分離原理與復(fù)制原理。以三節(jié)車架為一組，一節(jié)使用液壓伸縮式集裝箱吊具，滿足全尺寸集裝箱使用；兩節(jié)為機械吊具，同時滿足20 ft與40 ft集裝箱使用。同時滿足兩種尺寸屬于物理沖突，可利用沖突原理進一步分析，將空間分割原理與維數(shù)變化原理相結(jié)合，吊具長度為40 ft，使用兩組旋鎖裝置，每組4個，在垂直方向劃分兩個層次，下方一組用于固定40 ft集裝箱，上方一組固定20 ft集裝箱，改進后的吊具簡圖如圖4所示。圖4中橙線下方為40 ft集裝箱的旋鎖裝置，20 ft集裝箱的則在上方，在吊運時，集裝箱與旋鎖裝置的空間位置互不沖突。

圖4 吊具示意圖

對沖突三進行技術(shù)矛盾描述，結(jié)合39個工程參數(shù)得到表3，查閱沖突矩陣表，得到對應(yīng)的發(fā)明原理為1、13、35，分別對應(yīng)分割、反向以及參數(shù)變化。

對于可靠性和系統(tǒng)復(fù)雜性的矛盾，可以得到以下兩種解決方案：第一種，應(yīng)用原理1和13，將卷揚機、鋼絲繩以及下方吊具與整體分割，由地面升降車完成接取集裝箱任務(wù)，固定、防護集裝箱則由上方吊取裝置完成，能夠減輕車體重量、降低系統(tǒng)復(fù)雜性；第二種，應(yīng)用原理35，將柔性繩索改為剛性的升降裝置，提升操作準(zhǔn)確度。減少元素間的相互作用或元素數(shù)量，可以增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性[20]，因此選擇使用方案一。梳理以上解決方案后，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)裝置的位置與車架成組運行的方式產(chǎn)生了新的矛盾，即在車架成組運行的情況下，旋轉(zhuǎn)裝置無法運作，產(chǎn)生了物理沖突。綜合使用空間分割原理與中介物原理，將吊取裝置改為車架、旋轉(zhuǎn)裝置、吊具三層結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)裝置能夠帶動吊具與集裝箱同時旋轉(zhuǎn)。

表3 技術(shù)沖突分析

Tab.3 Analysis technical conflicts

4 設(shè)計方案的提出

空軌貨運動車在空中運行時間長、距離地面高且路途較遠，需添加二級防護裝置增加集裝箱在運輸過程中的穩(wěn)定性與安全性，現(xiàn)有裝置在吊車兩側(cè)添加兩組防護欄，防護欄底部向內(nèi)彎折以支撐集裝箱的底側(cè)梁。在運輸過程中集裝箱底部中央壓力最大，可改變防護裝置的形態(tài)增加對集裝箱底部的支持力。延長橫向防護欄至底部中央，連接同側(cè)兩組防護欄的底部，防護欄形態(tài)貼合集裝箱，使用時兩組防護欄在集裝箱底部接觸，增加對集裝箱底部的支持力。由于一級防護裝置旋鎖與二級防護裝置防護欄不可同時使用，存在物理沖突，可以通過時間分離原理與周期性作用原理進行解決。起吊時旋鎖先鎖緊集裝箱，隨后防護欄旋轉(zhuǎn)固定集裝箱；放置集裝箱時則順序相反。根據(jù)表1集裝箱尺寸，利用三角函數(shù)（式2）可以算出防護欄的旋轉(zhuǎn)角度約為26.7°，考慮集裝箱的尺寸誤差以及能源節(jié)省，將設(shè)置為最大值30°，防護欄在0°至30°進行旋轉(zhuǎn)，空載時防護欄處于垂直狀態(tài)。由于集裝箱高度不統(tǒng)一，防護欄需具備伸縮功能以適應(yīng)集裝箱尺寸，采用液壓伸縮機構(gòu)實現(xiàn)該功能。

結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，空軌貨運動車的系統(tǒng)組成與技術(shù)參數(shù)見表4?？哲壺涍\動車系統(tǒng)，由走行裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、防護裝置、吊取裝置、懸吊裝置、提示裝置構(gòu)成。使用ATP/ATO系統(tǒng)實現(xiàn)空軌貨車無人駕駛；從空氣動力學(xué)及心理學(xué)角度考慮，外殼扁平，采用流線型降低風(fēng)阻，顏色以黃黑為主，使人警覺并與周圍環(huán)境相區(qū)別；在外殼周圍增加光帶、發(fā)聲器，以視覺、聽覺的方式提醒行人與工作人員遠離；使用時間分離原理和動態(tài)化原理，通過增加旋轉(zhuǎn)裝置解決集裝箱受力面積與橫向風(fēng)阻的矛盾，旋轉(zhuǎn)裝置根據(jù)風(fēng)向帶動吊具以及集裝箱旋轉(zhuǎn)，始終以集裝箱最小的側(cè)面迎風(fēng)，減少空軌貨運動車受到的橫向風(fēng)阻；改善二級防護裝置，增強對集裝箱底面的支持度，并應(yīng)用時間分離原理與周期性作用原理合理安排旋鎖裝置與二級防護裝置的工作順序；應(yīng)用技術(shù)沖突原理解決可靠性與系統(tǒng)復(fù)雜性的矛盾，從系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮，選擇簡化吊取裝置，由地面升降車完成集裝箱裝卸；運用復(fù)制原理，以三節(jié)車架為一組進行運輸，可滿足全尺寸集裝箱的使用需求，最多可同時運輸三種尺寸的集裝箱，綜合運用空間分割原理與維數(shù)變化原理，能提高20 ft與40 ft集裝箱的運輸質(zhì)量；每節(jié)車架長12.33 m，車架間距為1 m?？哲壺涇嚸咳展ぷ鲿r長為22 h，最高運行速度為50 km/h，車體下凈空為5.5 m，整體的設(shè)計方案見圖5。

兩種方法綜合使用的過程實際是將問題逐步拆解、逐步細化的過程，遵循“發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—解決問題”的規(guī)律，與設(shè)計流程的邏輯相符，具有合理性。前期的使用系統(tǒng)分析，有兩個目的，一是整合復(fù)雜信息，使之有序化、系統(tǒng)化，便于理清邏輯思路；二是明晰系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，縮小問題范圍。聯(lián)系系統(tǒng)論與TRIZ理論的關(guān)鍵在于問題定義，系統(tǒng)論將問題縮小至產(chǎn)品范圍，理想解與實際模型相對比，進一步將問題清晰化，最終準(zhǔn)確定義擬解決的問題與矛盾，并利用創(chuàng)新工具解決。這個過程將宏觀的問題把握與微觀的細節(jié)考究相結(jié)合，研究范圍由大到小、研究內(nèi)容由面到點，兩者互為補充，層層遞進，形成一種新的綜合式研究方法，提供一種新的設(shè)計思路。

表4 空軌貨運動車的系統(tǒng)組成及技術(shù)參數(shù)

Tab.4 System composition and technical parameters of suspended monorail of freight

圖5 最終方案示意圖

5 結(jié)語

空軌高效、綠色、安全的特點使其發(fā)展空間更廣闊，本研究在現(xiàn)有的空軌技術(shù)、港口貨運技術(shù)和空軌貨運系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，進一步探討空軌貨運動車的設(shè)計。基于“人機環(huán)境”理論，結(jié)合空軌貨運的實際情況，從“機-環(huán)境”“人”角度，明確限制因素與設(shè)計要點，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上做進一步設(shè)計改良。使用TRIZ工具細化解決空軌貨運動車系統(tǒng)中的矛盾沖突，設(shè)計出了一輛能夠降低風(fēng)阻、綠色安全、持續(xù)高效的空軌貨運動車。兩種方法的綜合使用為以后的設(shè)計問題提供了一種新思路，也為空軌貨運發(fā)展提供了一種可能的解決方案。

[1] 劉道寬. 水鐵聯(lián)運無縫銜接關(guān)鍵技術(shù)研究淺談[J]. 中國水運(下半月), 2018, 18(4): 66-67.

LIU Dao-kuan. Discussion on Key Technology of Seam-less Connection between Water and Rail Combined Tran-s-port[J]. China Water Transport, 2018, 18(4): 66-67.

[2] 張利, 趙守香, 張鐸. 我國多式聯(lián)運存在問題及發(fā)展策略[J]. 現(xiàn)代管理科學(xué), 2020(2): 62-64.

ZHANG Li, ZHAO Shou-xiang, ZHANG Duo. Problems and Development Strategies of Multimodal Transport in China[J]. Modern Management Science, 2020(2): 62-64.

[3] 王申. 基于一般系統(tǒng)論的設(shè)計思維邏輯模型分析[J]. 中國建筑裝飾裝修, 2020(1): 82-84.

WANG Shen. Analysis of Logical Model of Design Thinking Based on General System Theory[J]. Interior Architecture of China, 2020(1): 82-84.

[4] 李萌, 王楓紅. 系統(tǒng)論在現(xiàn)代紙制家居產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用與研究[J]. 圖學(xué)學(xué)報, 2018, 39(4): 679-683.

LI Meng, WANG Feng-hong. On System Theory in Application to Modern Paper Household Product[J]. Journal of Graphics, 2018, 39(4): 679-683.

[5] 尹俊方, 孫虎, 冉秋藝. 基于“人-機-環(huán)境”系統(tǒng)的智能名優(yōu)采茶機設(shè)計研究[J]. 包裝工程, 2021, 42(12): 183-190.

YIN Jun-fang, SUN Hu, RAN Qiu-yi. Design and Research of Intelligent Famous and Excellent Tea Picking Machine Based on "Human-Machine-Environment" Sys-tem[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(12): 183- 190.

[6] 厲珺, 楊志麟, 時迪. 系統(tǒng)論視野下的手機APP引導(dǎo)頁設(shè)計解讀[J]. 包裝工程, 2015, 36(20): 130-134.

LI Jun, YANG Zhi-lin, SHI Di. Interpretation of Mobile Phone APP Guide Page Design from the Perspective of System Theory[J]. Packaging Engineering, 2015, 36(20): 130-134.

[7] 丁立群. 競爭合作博弈下集裝箱鐵水聯(lián)運發(fā)展問題研究[J]. 物流技術(shù), 2018, 37(8): 59-62.

DING Li-qun. Problems in Development of Container Rail-Water Intermodal Transportation under Competition-Cooperation Game[J]. Logistics Technology, 2018, 37(8): 59-62.

[8] 孫虎, 周潔, 雷顏瑞. 基于人機環(huán)境系統(tǒng)的噴流式挖藕機改良設(shè)計[J]. 包裝工程, 2019, 40(22): 130-135.

SUN Hu, ZHOU Jie, LEI Yan-rui. Improved Design of Jet Flow Lotus Root Digger Based on Man-Machine Environment System[J]. Packaging Engineering, 2019, 40(22): 130-135.

[9] 周亮. 懸掛式單軌列車掛車方案及其工藝設(shè)備的研究[J]. 科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力, 2022(5): 118-120, 123.

ZHOU Liang. Research on Trailer Scheme and Process Equipment of Suspended Monorail Train[J]. Sci-Tech Innovation and Productivity, 2022(5): 118-120, 123.

[10] 余浩偉, 徐銀光, 李濤, 等. 懸掛式單軌交通在國內(nèi)的適應(yīng)性研究[J]. 鐵道工程學(xué)報, 2019, 36(4): 70-74.

YU Hao-wei, XU Yin-guang, LI Tao, et al. Research on the Adaptability of Suspended Monorail in China[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2019, 36(4): 70-74.

[11] 殷健, 李永翠, 耿衛(wèi)寧, 等. 智能空軌集疏運系統(tǒng)設(shè)計[J]. 水運工程, 2021(8): 74-79.

YIN Jian, LI Yong-cui, GENG Wei-ning, et al. Design of Intelligent Air-Rail Collecting and Distributing System[J]. Port & Waterway Engineering, 2021(8): 74-79.

[12] 汪宇亮. 集裝箱空軌貨運系統(tǒng)裝卸工藝設(shè)計及應(yīng)用[J]. 鐵道貨運, 2022, 40(8): 22-29.

WANG Yu-liang. Design and Application of Container Loading and Unloading Technology of Air-Rail Freight System[J]. Railway Freight Transport, 2022, 40(8): 22-29.

[13] 康興東, 徐崇, 張國棟, 等. 日本懸掛式單軌系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 國外鐵道車輛, 2019, 56(5): 1-7.

KANG Xing-dong, XU Chong, ZHANG Guo-dong, et al. Application and Development of Suspended Monorail System in Japan[J]. Foreign Rolling Stock, 2019, 56(5): 1-7.

[14] 王建才. 基于空軌方式的天津港集裝箱鐵水聯(lián)運方案研究[J/OL]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計:1-8[2022-10-08].

WANG Jian-cai. Research on the Scheme of Combined Transportation Between Train and Ship on the TianjinContainers' Port Base on Mode of Suspended Monorail[J/OL]. Railway Standard Design:1-8[2022-10-08].

[15] 張變亞. 運輸管理與集裝箱實務(wù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2019.

ZHANG Bian-ya. Transportation Management and Con-tainer Practice[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2019.

[16] 徐起賀, 劉剛, 戚新波. TRIZ創(chuàng)新理論實用指南[M]. 3版. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2019.

XU Qi-he, LIU Gang, QI Xin-bo. Practical Guide to TRIZ’s Innovation Theory[M]. 3rd ed. Beijing: Beijing Insititute of Technology Press, 2019.

[17] 陳美, 檀潤華, 曹國忠, 等. 可拓與TRIZ融合輔助設(shè)計思維過程研究[J]. 包裝工程, 2022, 43(20): 169-178.

CHEN Mei, TAN Run-hua, CAO Guo-zhong, et al. Process of Design Thinking with Extenics and TRIZ[J]. Packaging Engineering, 2022, 43(20): 169-178.

[18] 范峰源, 郝巍東. 基于AHP分析法與TRIZ理論的可折疊座椅設(shè)計研究[J]. 包裝工程, 2022, 43(20): 311- 317.

FAN Feng-yuan, HAO Wei-dong. The Design of Foldable Seat Based on AHP Method and TRIZ Theory[J]. Packaging Engineering, 2022, 43(20): 311-317.

[19] 符敦鑒. 岸邊集裝箱起重機[M]. 2版. 武漢: 湖北科學(xué)技術(shù)出版社, 2007.

FU Dun-jian. Shore Container Crane[M]. 2nd ed. Wuhan: Hubei Science & Technology Press, 2007.

[20] 王金柱. 基于系統(tǒng)論的技術(shù)設(shè)計的簡單性原則[J]. 系統(tǒng)科學(xué)學(xué)報, 2015, 23(4): 37-39, 109.

WANG Jin-zhu. The Principle of Simplicity of the Technology Design Based on System Theory[J]. Chinese Journal of Systems Science, 2015, 23(4): 37-39, 109.

Design of Suspended Monorail of Freight Based on System Theory and TRIZ Theory

WU Yue-qin1, WU Yu-fei1, SHI Zhi-yuan2

(1.Xihua University, Chengdu 610039, China; 2.Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

The work aims to solve the problems of inadequate capacity, inefficient transportation and traffic congestion of ship and railway intermodal transport in small and medium-sized ports. Firstly, the current status of ship and railway intermodal transport was investigated and analyzed. The research method of system theory was adopted to determine that highway transport was a weakness in the collection and distribution system. On the basis of existing research, it was found that the suspended monorail was in line with future intermodal transport development. Then, the system and components of the suspended monorail of freight were analyzed. The design of suspended monorail of freight was analyzed by "Human-Machine-Environment" Theory and TRIZ Theory and the internal physical and technical conflicts were reduced to get the final design. Based on system theory and TRIZ theory, a fully automatic clean, efficient and unmanned suspended monorail of freight with ship and railway intermodal transport was designed. The two methods can be used in combination to find the weakness of the system, reduce the internal conflicts from macro and micro levels, and design the suspended monorail of freight more accurately and effectively to meet the needs of small and medium-sized ports with low cost, high efficiency and small land area, which has certain theoretical reference and practical research value.

system theory; TRIZ; suspended monorail; industrial design

TB472

A

1001-3563(2023)04-0406-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.04.051

2022–09–14

四川省社會科學(xué)重點研究基地四川礦產(chǎn)資源研究中心（SCKCZY2022-YB023）；四川省2021-2023年高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項目（JG2021-919）

武月琴（1982—），女，博士，教授，主要研究方向為設(shè)計史與產(chǎn)品創(chuàng)新系統(tǒng)，設(shè)計產(chǎn)業(yè)。

武雨飛（1998—），女，碩士生，主攻工業(yè)設(shè)計、地域文化與產(chǎn)品設(shè)計。

責(zé)任編輯：馬夢遙