基于TRIZ的免停車上下客快速公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)

向韻巧

摘 要：針對(duì)BRT公交車進(jìn)站停車制動(dòng)引起的能源浪費(fèi)、環(huán)境污染、制動(dòng)系統(tǒng)零部件壽命短以及運(yùn)行效率低等問題，提出一種免停車上下客快速公交系統(tǒng)。基于TRIZ理論對(duì)現(xiàn)有公交進(jìn)站停車上下客存在的物理矛盾進(jìn)行分析，利用空間分離方法，設(shè)計(jì)新型公交車和站臺(tái)，為無(wú)人駕駛快速公交系統(tǒng)的實(shí)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(hào)：TP271+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(tái)大容量公交車，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km。全線站點(diǎn)數(shù)量共計(jì)28對(duì)，平均站距1 046 m，高峰時(shí)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(bǔ)了常規(guī)公交準(zhǔn)點(diǎn)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(jìn)站制動(dòng)停車引起能源浪費(fèi)、運(yùn)行效率低、管理成本高等問題。因此，設(shè)計(jì)一種免停車上下客公交系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)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(tuán)隊(duì)通過對(duì)數(shù)百萬(wàn)份專利文獻(xiàn)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(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、工具以及算法。TRIZ理論認(rèn)為，技術(shù)創(chuàng)新的過程實(shí)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(jìn)站時(shí)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(jìn)站停車的時(shí)間越長(zhǎng)越好；而另一方面，公交車進(jìn)站停車的時(shí)間越長(zhǎng)，能源和時(shí)間的無(wú)效損耗就越多，即為了降低能源和時(shí)間的無(wú)效損耗，就需要公交車進(jìn)站停車的時(shí)間越短越好。因此，關(guān)于公交車進(jìn)站停車就出現(xiàn)了“時(shí)間”這一參數(shù)的明顯對(duì)立，即“停車時(shí)間既要長(zhǎng)又要短”。這就是TRIZ理論的物理矛盾。

2 方案設(shè)計(jì)

為了解決物理矛盾，TRIZ理論提出可以采用時(shí)間分離、空間分離、條件分離和系統(tǒng)級(jí)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(gè)部分，某些部分滿足“停車時(shí)間長(zhǎng)”，其他部分滿足“停車時(shí)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(tái)主要由站臺(tái)扶梯、中轉(zhuǎn)站臺(tái)、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(tái)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(jìn)站前（圖1中T1時(shí)刻），需要上車的乘客通過站臺(tái)刷卡預(yù)先進(jìn)入上客中轉(zhuǎn)車，車門自動(dòng)關(guān)閉，等候開車。此時(shí)，上客中轉(zhuǎn)車位于圖1中位置D.與此同時(shí)，需要下車的乘客通過車內(nèi)樓梯或電梯預(yù)先進(jìn)入下客中轉(zhuǎn)車，準(zhǔn)備下車。

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

當(dāng)傳感器檢測(cè)到下客中轉(zhuǎn)車減速運(yùn)行到圖1中位置C時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制下客中轉(zhuǎn)車停車，開啟車門下車。此時(shí)，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(tái)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(shí)（圖1中T3時(shí)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(dòng)下沿著行車道自動(dòng)行駛，直到下一站，又重復(fù)第一步驟。

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

3 工作原理

要可靠實(shí)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(shí)的車速設(shè)計(jì)至關(guān)重要。人處于變速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，身體會(huì)受到速度的影響。如果加速度值超過上限，會(huì)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(shí)感到舒適，取表2中公共交通車輛正常加速和減速時(shí)乘客受到的加速度下限值0.1g，即0.98 m/s2，延續(xù)時(shí)間取5 s。

人乘坐不同交通工具時(shí)受到的加速度值和延續(xù)時(shí)間見表2.

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

此時(shí)，下客中轉(zhuǎn)車減速行駛的距離為：

（1）

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

上客中轉(zhuǎn)車在下客中轉(zhuǎn)車進(jìn)站分離瞬間即從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)加速前行，加速度同樣取0.98 m/s2，加速時(shí)間取5 s，則上客中轉(zhuǎn)車5 s內(nèi)加速前行了12.25 m。進(jìn)站后，下層乘客車始終保持4.9 m/s的進(jìn)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(jì)算，理論上站臺(tái)的長(zhǎng)度只需要24.5 m即可，所需站臺(tái)短。因此，在滿足乘客舒適度和站臺(tái)長(zhǎng)度限制的同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)考慮系統(tǒng)運(yùn)行的效率以及可靠性、安全性等因素，經(jīng)過理論計(jì)算，汽車進(jìn)站速度約17 km/h，中轉(zhuǎn)車與乘客車完成分離與組合時(shí)間共計(jì)10 s，節(jié)約時(shí)間50%，站臺(tái)長(zhǎng)度不足30 m。如果汽車駛出站臺(tái)的平均車速為50 km/h，一輛免停車無(wú)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(shí)間近40%，平均時(shí)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(gè)站臺(tái)，每站臺(tái)上下客時(shí)間約20 s，全程約1 h，平均時(shí)速25 km/h），具有重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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〔編輯：劉曉芳〕