基于RGV的环形横移式循环电梯创新设计

陈继文，王 磊，李 鑫，巩玉滨，常国雷，李凯凯

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101；2.山东省绿色制造工艺及其智能装备工程技术研究中心，山东济南250101；3.山东信息通信技术研究院管理中心，山东济南250101）

随着社会的进步和科学技术的发展，建筑的规模不断扩大，功能日益综合。从建筑学角度来看，环形建筑有利于减小风的阻力，降低高楼风的形成概率；同时，环形建筑具有未来感十足的空间形象，更符合大众的审美标准。因此，在大中型城市中越来越多的环形建筑（如大型体育中心、艺术中心及会展中心等）拔地而起［1］。环形建筑（如图1所示的东莞市光启科学中心和图2所示的济南市高新齐鲁软件园等）往往具有较大的建筑半径，而建筑高度略低，这对建筑内水平方向的交通运输能力提出了较高的要求［2］。

图1 光启科学中心Fig.1 Guangqi Scientific Center

图2 济南市高新齐鲁软件园Fig.2 Jinan High-tech Qilu Software Park

电梯作为高层建筑内必不可少的交通运输工具，能够有效地解决建筑内人员、货物的运输问题［3］。传统电梯只能在电梯井道内实现垂直运输，仅能通过提高电梯运行速度、增加电梯数量及加大电梯轿厢负载来缓解大客流运输压力，但不能实现水平方向的运行，难以满足现代高层建筑的运输需求［4］。

RGV（rail guided vehicle，有轨制导车辆）广泛用于高密度储存仓库之间的物料运输。RGV可在轨道上平稳快速地运行，能够大幅提高仓库间货物的运输效率［5］。TRIZ（Teorija Rezhenija Inzhenernyh Zadach，发明问题解决理论）是由苏联发明家根里奇·阿奇舒勒等通过总结技术发展进化所遵循的规律而提出的解决各种矛盾和实现产品创新设计的理论［6］，该理论强调解决实际问题，特别是发明问题，并通过解决发明问题来实现创新设计。TRIZ阐述了发明问题解决的过程、支持工具等，是世界级的创新方法，广泛应用于各个领域［7］。

本文拟以TRIZ为指导，在传统电梯的基础上，提出一种基于RGV的环形横移式循环电梯的创新设计方案，以实现电梯在环形建筑内的垂直和水平运行，并对其调度策略进行分析和研究。

1 TRIZ简介

TRIZ着力于强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。与传统创新方法（如头脑风暴法、试错法等）不同，TRIZ经过七十多年的发展，已经成为较为完善的创新理论体系，其含有一整套用于分析问题和解决问题的算法和工具，能够解决实际发明问题［8］。其中：问题分析工具包括矛盾分析、物-场分析、功能分析和因果分析等，这些工具能够对待解决的技术系统问题进行分解分析，并建立相关的问题模型［9］；问题求解工具包括发明问题标准解法、科学原理知识库、技术矛盾创新原理和物理矛盾分离方法等，针对运用问题分析工具建立的问题模型，选择相应的问题求解工具来获取问题的解决方案。此外，TRIZ中还包括最终理想解法、资源分析法、九屏幕法、聪明小人法和尺寸-时间-成本法等创新思维工具，可帮助设计人员拓展创新思维，突破思维惯性［10］。

基于TRIZ的发明问题求解流程如图3所示。本文将选用TRIZ中的因果分析、技术矛盾创新原理和物理矛盾分离方法来解决环形建筑内人员移动效率低的问题：利用因果分析对工程问题进行识别，确定要解决的关键问题；使用技术矛盾创新原理和物理矛盾分离方法进行求解并生成解决方案，并对最终的解决方案进行可靠性验证。

图3 基于TRIZ的发明问题求解流程Fig.3 Solution process of invention problem based on TRIZ

2 基于TRIZ的问题分析

因果分析是一种研究事物发展结果与产生原因之间的关系，并对影响因果关系的因素进行分析的方法。因果分析始于由项目目标决定的初始缺点，通过分析其影响因素得出中间缺点，进而继续挖掘下一层级的影响因素，直至得到末端缺点。因果分析的目的是梳理问题中隐藏的逻辑链及对应形成机制，找出问题产生的根本原因，然后从梳理出的逻辑链及形成机制中找到可解决问题的所有可能的突破点，最终找到最优突破点［11］。

本文选用因果分析中的因果链分析，从最表层的待解决问题——环形建筑内人员移动效率低出发，寻找该问题产生的直接原因，然后以这些原因为结果，继续寻找产生这些结果的原因，重复上述过程直至找到环形建筑内人员移动效率低的根本原因。当导致问题产生的原因有多个时，通过“and”（多个原因同时存在才会导致问题产生）或者“or”（多个原因只要有一个存在就会导致问题产生）来连接它们［12］。环形建筑内人员移动效率低的因果链模型如图4所示。由图4可知，环形建筑内人员移动效率低的主要原因是：1）相比于普通建筑，环形建筑内人员需要移动的距离过长；2）现有的垂直电梯暂时无法实现横向移动，现有的横向自动人行道无法实现环形移动，即暂无有效的可实现环形横移的交通工具。

由因果链分析结果可知，环形建筑内人员的移动距离较长，而安装的多部电梯之间独立运行，缺乏合理的连接。若想实现电梯的环形横移，必须对现有电梯的结构进行改进。基于此，提出一种环形横移式电梯：在2个垂直电梯之间加装环形横移通道，当电梯需要环形横移时，其轿厢进入环形横移通道即可实现环形横移。环形横移式电梯的结构如图5所示。

图4 环形建筑内人员移动效率低的因果链模型Fig.4 Causal chain model of low personnel movement effi-ciency in the annular building

图5 环形横移式电梯的结构示意图Fig.5 Structure diagram of annular transverse elevator

3 基于TRIZ的问题求解

TRIZ将常见的矛盾分为2类：技术矛盾和物理矛盾［13］。当技术系统中的某一特性或参数被改善时，系统中的另一特性或参数恶化，这种矛盾为技术矛盾。技术矛盾主要描述技术系统中2个特性或参数之间的矛盾，即技术系统内部的矛盾。在很多情况下，被改善的参数为技术系统的功能或效果等，而恶化的参数需客观判断［14］。物理矛盾是指对一个技术系统中的同一个参数提出了相反或不同的要求，即物理矛盾表征的是对技术系统中同一个参数提出相互排斥需求的一种物理状态［15］。

3.1 技术矛盾求解

环形横移式电梯可大幅缩短电梯同层移动的时间，但是由于电梯内仅有1个轿厢，当该轿厢进入环形横移通道后，垂直井道内无轿厢运行，这增加了垂直方向上乘客的候梯时间。环形建筑内电梯结构的改进，虽提高了人员的横向移动效率，但降低了电梯在垂直方向上的运行效率，这两者之间的矛盾属于技术矛盾，可将该技术矛盾归纳为环形建筑内电梯结构的改进导致电梯垂直方向上的时间损失。查询TRIZ中由39个通用工程参数组成的矛盾矩阵表可知，可用于解决该技术矛盾的发明原理为No.10预先作用、No.14曲面化、No.17多维化及No.34抛弃与再生。

根据No.17多维化原理［14］，提出将普通单轿厢电梯改为循环式多轿厢电梯的设计方案：将垂直井道改为垂直循环井道，在垂直循环井道的拐角处设置环形横移通道，同时在井道内部设置多个垂直轿厢和横移轿厢，且轿厢可在井道顶层和底层进行换向［16］。电梯正常运行时，垂直轿厢和横移轿厢在垂直循环井道内垂直循环运行，当乘客有横移需求时，横移轿厢进入环形横移通道以实现环形横移。循环式多轿厢电梯的轿厢采用直线电机驱动［17］，直线电机的动子安装在轿厢背面的旋转装置上，直线电机的导轨铺设在垂直循环井道壁上，在井道拐角处安装换向装置。当电梯轿厢到达换向处时，轿厢由井道壁上的锁止装置固定，导轨旋转换向并带动直线电机换向，换向完成后锁止装置松开，直线电机驱动轿厢运行。运用多维化原理改进的电梯结构如图6所示。

图6 运用多维化原理改进的电梯结构示意图Fig.6 Structure diagram of elevator improved by multi-di-mensional principle

将环形建筑内的普通单轿厢电梯设计为循环式多轿厢电梯，解决了传统电梯单个轿厢占用单个井道所导致的建筑空间浪费问题，大幅缩短了垂直方向上乘客的候梯时间，提高了垂直方向的运行效率，减少了时间损失。但是，由于垂直循环井道与环形横移通道的连接处需设置为通孔以保证横移轿厢通过，使得驱动轿厢运行的直线电机的导轨无法在该处铺设，即此处结构设计不合理，说明电梯结构不稳定。对时间损失和电梯结构稳定性这一技术矛盾进行分析，查矛盾矩阵表可知，可用于解决该技术矛盾的发明原理为No.3局部质量、No.5组合、No.22变害为利及No.35状态和参数变化。

选用No.3局部质量原理和No.5组合原理［14］对电梯结构进行改进。首先，应用No.3局部质量原理中使物体各部分均处于完成各自动作的最佳状态的原理，提出将环形横移通道与垂直循环井道拆分为2个独立的部分，使得环形横移通道和垂直循环井道均处于最佳状态，以解决其连接处直线电机导轨无法铺设的问题；然后，应用No.5组合原理中在空间上将相同操作组合在一起的原理，将横移轿厢进入环形横移通道的过程与轿厢在垂直循坏井道内换向的过程组合，即在垂直循环井道与环形横移通道的连接处设置轿厢缓冲区，当横移轿厢需要从垂直循环井道进入环形横移通道时，横移轿厢在原有的换向处进行换向后进入缓冲区，在保证不影响垂直循环井道内其他轿厢运行的前提下，在缓冲区内等待进行环形横移动作。运用局部质量原理和组合原理改进的电梯结构如图7所示。

图7 运用局部质量原理和组合原理改进的电梯结构示意图Fig.7 Structure diagram of elevator improved by local mass principle and combination principle

将环形横移式电梯设计为循环式多轿厢结构，并对环形横移通道的位置进行了合理安排，实现了电梯在垂直方向上的快速运行。但是，对于横移轿厢进入环形横移通道的过程及横移轿厢在环形横移通道内的运行方式等仍需继续改进。

3.2 物理矛盾求解

解决物理矛盾的关键是实现矛盾双方的分离，分离原理是解决物理矛盾的重要方法。可通过查矛盾矩阵表或者直接查40条创新原理来寻找解决物理矛盾的工具，即获取解决物理矛盾的发明原理［14］。通过分析可知，循环式多轿厢电梯横向运行时要求横移轿厢先直线运行至缓冲区，再进入环形横移通道进行环形运行，即要求横移轿厢既能直线运行又能环形运行，这两者之间的矛盾属于物理矛盾，该矛盾主要体现为运行方向上的冲突，可选用空间分离原理来解决。空间分离原理是将矛盾双方在不同的空间分离，以解决问题或降低问题的难度［17］。可用于解决上述物理矛盾的发明原理为No.1分割、No.2抽取、No.3局部质量、No.4对称性、No.7嵌套、No.13逆向思维、No.17多维化、No.24中介物、No.26复制及No.30柔性外壳或薄膜。解决横移轿厢运行方向矛盾的流程如图8所示。

图8 解决横移轿厢运行方向矛盾的流程Fig.8 Process for solving contradiction of operation direc-tion of horizontal moving cage

根据No.24中介物原理中使用中介物完成所需动作的原理，基于现有的RGV等有轨道的交通运输工具［18］，提出一种基于RGV的环形横移式循环电梯设计方案，利用转运轿厢运载横移轿厢来实现电梯的环形运行。在环形横移通道上铺设轨道，采用轮轨驱动技术实现转运轿厢在环形横移通道上的快速运行。根据RGV的驱动系统结构，在转运轿厢底部安装驱动装置并采用单侧驱动方式，即驱动装置外侧的2个轮子有电机驱动（驱动轮），内侧的2个轮子无电机驱动（从动轮）。转运轿厢驱动装置包括牵引支座、电机、防侧翻轮、驱动轮、从动轮和导向轮等结构。在转运轿厢上设置直线电机导轨，使得转运轿厢可与缓冲区对接，对接完成后，横移轿厢可直接从缓冲区横移进入转运轿厢，并在转运轿厢的运载下实现环形运行。为了实现横移轿厢与直线电机导轨的对接，需要改变其中一处垂直循环井道的安装方向，如图9所示。基于RGV的转运轿厢结构如图10所示，其驱动装置的结构如图11所示。

图9 运用中介物原理改进的电梯结构示意图Fig.9 Structure diagram of elevator improved by intermedi-ary principle

综上，通过对环形横移式电梯的技术矛盾和物理矛盾的分析和解决，提出了一款基于RGV的环形横移式循环电梯，其运行流程如图12所示。

图10 基于RGV的转运轿厢结构示意图Fig.10 Structure diagram of transfer cage based on RGV

图11 转运轿厢驱动装置的结构示意图Fig.11 Structure diagram of driving device of transfer cage

图12 基于RGV的环形横移式循环电梯的运行流程Fig.12 Operation process of annular transverse circulation el-evator based on RGV

4 基于RGV的环形横移式循环电梯的关键技术

4.1 基于直线电机的电梯驱动技术

直线电机具有结构简单、可靠性强等优势，广泛应用于军事、工业、交通运输业等领域。直线电机能够直接产生直线运动，无需任何中间转换机构，适用于作直线运动的场合［19］。国内外专家学者对基于直线电机的电梯驱动技术进行了深入的研究并已取得了开拓性的成果。例如：贾宏新［20］提出了一种基于圆筒形直线感应电机的电梯，并对其控制系统进行了研究；付强［21］基于永磁直线电机对电梯控制系统进行了改进，并研究了由永磁直线电机驱动的电梯的速度波动以及电梯失控时的应急响应；蒂森克虏伯公司研发的MULTI磁悬浮电梯样机采用直线电机来驱动轿厢的运行与换向［22］，实现了轿厢在井道内的循环运行。

基于直线电机的电梯驱动技术摆脱了传统曳引钢丝绳的限制，同时结合了直线电机驱动力大、安全性高、运行噪声小等优点，是电梯驱动技术的重大突破。

4.2 无绳提升安全保护技术

直线电机导轨上装有锁止装置、位置检测装置（位置传感器）和光电编码器等。锁止装置在断电时对电梯进行锁止保护，防止轿厢坠落；位置检测装置与电梯控制系统互联，实时监测轿厢位置，保证轿厢在合适位置处进行停层动作；光电编码器用于测量相邻轿厢之间的距离以及轿厢的速度和加速度，当相邻轿厢间距离小于安全距离时，电梯控制系统控制直线电机运行以使轿厢减速或制动，避免轿厢发生碰撞。

4.3 多轿厢换向技术

电梯轿厢在垂直循环井道顶层和底层换向时，轿厢先在换向处停住，锁止装置将轿厢固定，旋转装置和换向装置同时转动90°并与环形横移通道对接，锁止装置取消锁止，直线电机使能以驱动轿厢进行环形横移或垂直运行动作。基于RGV的环形横移式循环电梯的轿厢换向流程如图13所示，换向装置动作过程如图14所示。

图13 基于RGV的环形横移式循环电梯的轿厢换向流程Fig.13 Cage reversing flow for annular transverse circula-tion elevator based on RGV

4.4 基于RGV的环形驱动技术

图14 基于RGV的环形横移式循环电梯轿厢换向时换向装置动作过程Fig.14 Action process of reversing device during cage re-versing of annular transverse circulation elevator based on RGV

RGV按工作方式可分为直行穿梭车和环形穿梭车［23］，以RGV为基础设计的转运轿厢驱动装置外侧的电机直接驱动其驱动轮，从动轮无驱动，仅起到从动作用；牵引支座连接驱动装置与转运轿厢；4个导向轮分为2组，每组2个，分别置于轨道的两侧，以确保驱动轮和从动轮能按照预定的环形轨道运行；防侧翻轮安装在驱动轮与从动轮的一侧，防止轿厢运行时发生侧翻。

RGV与电梯轿厢的结合是电梯结构设计上的重大突破。基于RGV的转运轿厢综合了RGV安全性高、可靠性高、快速准确和成本低等优点，能够运载横移轿厢并进行环形横移。基于RGV的转运轿厢的环形运行流程如图15所示。

图15 基于RGV的转运轿厢的环形运行流程Fig.15 Annular operation flow of transfer cage based on RGV

基于直线电机的电梯驱动技术、无绳提升安全保护技术、多轿厢换向技术和基于RGV的环形驱动技术等四大关键技术充分保证了基于RGV的环形横移式循环电梯的经济性、可靠性及可行性。相较于传统曳引电梯，基于RGV的环形横移式循环电梯具有更短的候梯时间、更小的振动噪声和井道占用面积等优点，虽然目前该类电梯仅处于工程试验阶段，但其应用前景可观，可带来巨大的经济效益与社会效益。

5 基于交叉控制的电梯轿厢调度策略

基于RGV的环形横移式循环电梯运行时需对垂直轿厢、横移轿厢和转运轿厢进行实时调度。基于交叉控制策略［24］，提出了基于RGV的环形横移式循环电梯轿厢的调度策略，为电梯轿厢规划最优调度方案，以协调各轿厢之间的运行。基于RGV的环形横移式循环电梯的调度策略如图16所示。

图16 基于RGV的环形横移式循环电梯的调度策略Fig.16 Scheduling strategy of annular transverse circulation elevator based on RGV

由图16可知，基于RGV的环形横移式循环电梯的调度策略具体为：

S1：垂直循环运行动作。垂直循环井道内的垂直轿厢均独立运行，动态响应乘客的指令。

S2：停层动作。当垂直轿厢或横移轿厢到达垂直移动乘客或横向移动乘客的呼梯层时，若当前轿厢不超载，则轿厢停层；当垂直轿厢或横移轿厢到达乘客的目标层后，轿厢停层。

S3：当有乘客按下厅外垂直呼梯按钮时，就近的垂直轿厢到达呼梯层并进行停层动作，然后垂直轿厢进行开门动作，乘客进入垂直轿厢，垂直轿厢进行关门动作，乘客按下轿厢内的选层按钮以选定当前井道内的目标层，电梯指令更新，清除此次已完成的垂直呼梯指令。

S4：当有乘客按下厅外水平呼梯按钮时，就近的横移轿厢达到呼梯层并进行停层动作，然后横移轿厢进行开门动作，乘客进入横移轿厢，横移轿厢进行关门动作，乘客按下轿厢内的选层按钮以选定另一井道内的目标层，电梯指令更新，清除此次已完成的横移呼梯指令。

S5：横移轿厢到达当前井道缓冲区并进行停层动作，等待缓冲区与转运轿厢对接，对接完成后，横移轿厢进入转运轿厢，并在环形横移通道上进行横移，待移动到目标井道后，转运轿厢停站并与缓冲区对接，横移轿厢进入目标井道缓冲区，电梯指令更新，清除此次已完成的环形横移指令。

S6：横移轿厢到达目标井道缓冲区后进行停层动作，等待垂直循环井道换向装置换向，换向完成后，横移轿厢进入垂直循环井道，指令更新，即横移轿厢的横移指令转换为当前井道的垂直停层指令。

由于横移轿厢在水平方向需满足横移条件后才可进行横移动作，本文调度策略中横移条件为横移轿厢在当前移动方向无顺向截梯指令且执行完垂直运行指令。横移轿厢进入转运轿厢沿环形横移通道运行至另一垂直循环井道后，按照顺向停层的原则响应横移轿厢内乘客的指令。

6 结 论

针对大跨度环形建筑，根据TRIZ提出了一种基于RGV的环形横移式循环电梯。在垂直方向上，该电梯打破了传统曳引电梯的结构形式，通过在单个井道中安装多个轿厢实现了上下行分离和循环运行，提高了电梯的运输效率；在水平方向上，通过架设环形横移通道来连接垂直循环井道，并基于RGV设计了转运轿厢，实现了横移轿厢在环形横移通道上的运行。基于RGV的环形横移式循环电梯摆脱了传统电梯垂直井道和曳引系统的束缚，可同时完成垂直方向和水平方向的运输任务，减少了横移轿厢运行时对垂直轿厢的影响，能够有效提高环形建筑内乘客的水平移动效率，从而使建筑内乘客的整体移动效率提高，具有重要的理论和工程实践价值。