1、 包 装 工 程 第 44 卷 第 4 期 406 PACKAGING ENGINEERING 2023 年 2 月 收稿日期：20220914 基金项目：四川省社会科学重点研究基地四川矿产资源研究中心（SCKCZY2022-YB023）；四川省 2021-2023 年高等教育人才培养质量和教学改革项目（JG2021-919）作者简介：武月琴（1982），女，博士，教授，主要研究方向为设计史与产品创新系统，设计产业。通信作者：武雨飞（1998），女，硕士生，主攻工业设计、地域文化与产品设计。基于系统论和 TRIZ 理论的空轨货运动车设计 武月琴1，武雨飞1，史志远2（1.西华大学，成都 610
2、039；2.武汉理工大学，武汉 430070）摘要：目的目的 改善当前中小型港口水铁联运衔接能力不足，运输低效、交通拥堵的问题。方法方法 首先对水铁联运的现状进行调研分析，运用系统论的研究方法，确定公路运输是集疏运系统的薄弱环节，在现有研究的基础上发现空轨符合未来联运发展的方向，对空轨货运动车的系统及组件进行分析，利用“人-机-环境”理论与 TRIZ 理论分析空轨货运动车的设计，并减少内部物理冲突与技术冲突，得到最终的设计方案。结果结果 以系统论和 TRIZ 理论为依据，设计出一款水铁联运、清洁高效、无人驾驶的全自动空轨货运动车。结论结论 综合使用两种方法，可以从宏观与微观层面找到系统的薄弱环
3、节、减少内部矛盾，更加准确有效地设计空轨货运动车，满足中小型港口低成本、高效率、占地少的需求，具有一定的理论参考与实际研究价值。关键词：系统理论；TRIZ；空轨；工业设计 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)04-0406-07 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.04.051 Design of Suspended Monorail of Freight Based on System Theory and TRIZ Theory WU Yue-qin1,WU Yu-fei1,SHI Zhi-yuan2(1.Xihua U
4、niversity,Chengdu 610039,China;2.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)ABSTRACT:The work aims to solve the problems of inadequate capacity,inefficient transportation and traffic conges-tion of ship and railway intermodal transport in small and medium-sized ports.Firstly,the current statu
5、s of ship and rail-way 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 li
6、ne with future intermodal transport development.Then,the system and com-ponents 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 reduc
7、ed to get the final design.Based on system theory and TRIZ theory,a fully automatic clean,efficient and unmanned sus-pended 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 co
8、nflicts 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.KEY WORDS:system t
9、heory;TRIZ;suspended monorail;industrial design 水运“十四五”发展规划指出水运行业要充分发挥低碳绿色的优势，完善集疏运体系，大力发展水铁联运，做好与其他运输方式的融合发展。目前水铁联运主要有“水公铁”“水铁”两种模式1，“水公第 44 卷 第 4 期 武月琴，等：基于系统论和 TRIZ 理论的空轨货运动车设计 407 铁”模式因公路运输的灵活性与适应性而占比较多，近 70%需要公路短驳。但从成本、运输批量和能耗方面来看，公路运输难以完全承担联运重任2，与城市共用交通网络易造成交通拥堵，延长运输时间，降低运输效率，增加运输过程的碳排量，有悖于高质量
10、发展的长远计划。因此，需要将现有技术创造性地应用于“水”“铁”连接，以达到节能减排、绿色发展的目的。1 基于系统论的水铁联运问题分析 水铁联运由装卸机械、运输机械、信息共享与交流平台、资金流通渠道、物资运输路线、场域作业等构成，并受社会环境和自然环境的影响，这些因素共同构成一项复杂的系统性工程。对复杂系统的研究需要从全局考虑，以综合性、整体性、最优化的观念分析问题，才能建立有效的研究框架，明确问题主次与各因素间的限制，达到系统整体平衡与高效运行的目的。利用系统性的设计思维，可以增强分析过程的整体性与逻辑性3，辅助设计具体产品4，进行“人-机-环境”的系统设计5及服务设计6。因此，可以借助系统论
11、的设计思想，以水铁联运整体为研究对象，按功能目的拆解为多个子系统及子系统间的联系方式，从系统整体角度考虑优化，着重考虑整体效益与局部效益的关系、系统整体与外部环境制约的关系，协调水路系统与铁路系统之间的关系，以最佳的方式处理问题，达到整体的最高效益。“水铁”模式依托港口国际性的功能，以港口为媒介，直接在港口后方铺设铁路线，用装卸设备和搬运设备实现火车与货船的物资交换，减少中转环节。在该模式下，人主要负责信息处理和后勤维修，参与的直接搬运任务较少，主要由机械自主完成货物装卸，因此，将“机-环境”系统作为研究重点。“水铁”系统可以分为水路运输系统、铁路运输系统以及平台转运系统，水路与铁路运输系统通
12、过平台转运系统相连接，平台转运系统除提供装卸设备、短距离搬运设备、物流信息服务之外，还必须提供足够的场域用于货船和货运火车停靠站的建设、货物装卸作业以及货物堆放储存。由于商品货物运量快速增长，原有铁路铺设线以及码头停靠位的数量不能满足需要，需要更多的建设场地，因此，地方可供建设面积是制约“水铁”联运发展的因素之一。此外，由于铁路运力紧张、运输组织不协调、缺少物流公共信息平台、定价机制差异大、运输利益分配较不合理7，以及联运建设的经济成本较大，维修费用较高，所以这种货运模式占比较小，更适用于国际化的大型港口，中小型港口仍以“水公铁”为主，因此将中小型港口作为研究对象，以提出更合理的转运方式。中小
13、型港口货运量较少，出于成本与时间的考虑，公路接驳水路与铁路是最常用的方式，也就是“水公铁”转运模式。用“机-环境”系统理论8分析“水公铁”集疏运方式中的要素组成、相互作用方式和要素与环境之间的联系，找到系统中的薄弱环节，明确制约因素，进而加以改进。“水公铁”集疏运系统见图 1，通过分析可知，在目前的系统中，货车运输效率受机动车与非机动车数量限制，以及天气条件、地理环境和人口密度的影响，是制约因素最多的二级子系统；水路运输系统虽然受水文气象影响且航速较慢，但具有运量大、运费低，对环境破坏小的优点，且涉及国际运输，难以改进与代替。根据 TRIZ 技术系统进化模式可知，公路运输系统是最影响整体运输效
14、率的环节。结合现有交通形式，提出以下改进方向：一是使用地下或空中运输网络，减少地面交通压力；二是使用无人控制车辆，提高运输效率；三是铺设轨道，降低环境影响。图 1“水公铁”集疏运系统 Fig.1 Collection and distribution system of ship,highway and railway 408 包 装 工 程 2023 年 2 月 2“人机环境”系统下的空轨货运动车设计 对比现有交通方式发现，空轨交通基本符合以上方向，可替代“水公铁”模式中的公路运输，空轨全称为悬挂式空中轨道，列车位于轨道下方，由墩柱支撑在空中，能够分担地面交通压力，提高运输效率，具有安全可靠
15、、造价低廉、适应程度高、占地面积小的优点。第一条空轨线路是 1901 年德国建造的乌帕塔尔线，具有客运功能，随后在多特蒙德工业大学建造空轨，便于学生校内通行；日本在引入空轨技术后进行了本土化改良，建造了东山动物园线、千叶线等，具有观光游览、客运通行的功能，在速度和承运人数上都有所提升；我国目前建成了青岛四方试验线、开封中建试验线、武汉中铁试验线和开封中建试验线；在能源选择和使用方式上有所创新，中唐集团将超级锂电池作为新能源空轨列车动力源，取消管道线，简化空轨系统组成。国内对空轨车的挂车方案9、国内的适应性10、集疏运系统11、装卸工艺等进行了研究12，综合国家知识产权局网站的相关专利检索结果，
16、依据 TRIZ技术进化模式可知，空轨集疏运技术尚处于关键技术涌现的婴儿期。结合上述案例，空轨的发展方向有三方面：一是中长距离运输，目前空轨主要用于短距离运输，但建设长度呈增长趋势；二是功能目的本土化，根据本地需要改动空轨组件，可用于城市客运、观光游览、园内通行以及其他功能；三是空中货运，空轨技术有较大进展，载重和速度有明显提升，能源动力向绿色、持久方向发展，具备绿色货运的技术条件。2.1“机-环境”系统下的空轨货运动车设计 港口货运量大，输送货物需求强烈，因此可将空轨功能本土化，将空轨系统引入港口货运，替代或分流部分公路运输，承担货运功能。结合实例与现有文献，可以将空轨货运系统划分为动车系统、轨道系统、供电系统、运行控制系统、信息系统和站点装卸系统六个子系统11。基于“机-环境”系统理论，可以得到六个子系统与环境之间的相互作用关系，见图 2。可以得知动车系统是整个系统的核心，且动车系统受制约因素最多。动车系统在尺寸上需与集装箱的尺寸相匹配，满足载重要求且起吊过程平稳安全，同时还会受到港口环境气候的影响，港口气候潮湿且风力较强，对动车防锈措施以及起吊装置的稳定性有一定要求，因此，主要对动