摘  要：本研究致力于开发一款基于TRIZ理论的列车脱轨智能监测预警系统，目的是提升铁路运输的安全水平。研究从列车脱轨的根本原因出发，同时分析现有监测系统的局限性，提出采用非接触式监测技术。通过TRIZ理论的分析方法，系统地识别了现有监测系统中的功能缺陷。在此基础上，运用TRIZ理论中的物场模型、IFR等工具，对识别出的功能缺陷进行了系统性解决。设计出一款集成了距离传感器、倾角传感器和振动传感器的非接触式智能监测预警系统，该系统结合了两阶段阈值法和组合预测算法，实现了对列车脱轨的实时态势感知和提前预警。本研究的成果对于增强铁路运输安全，尤其是对于未来无人驾驶列车的发展，具有重要的意义。

关键词：列车脱轨；态势感知；智能监测；TRIZ理论

TRIZ理论是由前苏联发明家Altshuller在20世纪50年代，首创提出的一种发明创造理论[1]，有助于快速打开创新型思维模式[2]。本文利用“总-分-总”的分析逻辑，运用TRIZ理论设计一种具有防护和调节功能，并结合多模传感和数据分析平台的非接触式列车智能脱轨监测预警系统，实现提前预警，对无人驾驶列车快速发展具有重要意义。

一、从当前系统出发分析

通过文献检索和案例收集，我们发现结合距离传感的非接触式式列车监测预警系统包含了目前列车脱轨监测系统的大部分缺陷，因此我们将上述系统作为当前系统。利用九屏图分析明确系统的子系统、超系统以及相关系统的过去系统与未来系统。在此基础上，通过相互作用分析建立功能模型，分析各个组件之间的联系并确定有害关系、不足关系，以此总结出当前系统中亟需解决的问题。

（一）九屏图分析

本文采用“川”字形九屏图的表达方式，如图1所示，以当前系统为出发点，寻找其超系统以及子系统。从当前系统向前进化为当前系统的未来，其超系统则是多传感融合技术，即只有在多传感融合技术的背景下，多模态传感的列车脱轨检测系统才能够实现。

经分析，系统未来的超系统（多传感融合技术）对于设计高精度的智能列车脱轨监测预警系统具有直接的引导意义。因此得出研究方向1：从单维度检测状态进化到多维度的检测状态。

（二）组件分析与功能分析

组件分析是进行系统功能分析的基础，从构成当前系统的组件入手，建立各组件间相互作用矩阵，以此为基础构建当前系统的功能模型[3]。以有砟轨道为背景，对非接触式列车脱轨监测预警系统的主要组件进行分析，见表1

由于列车脱轨监测预警系统是利用检测装置安装在转向架上实时采集数据，故需保证装置的普适性。由此得出研究方向2：考虑装置的布设位置能够适用于所有的轨道几何线形。

分析上述组件间的相互作用，构建组件之间的相互作用矩阵，为了能够清晰地识别系统缺陷，仅表达各组件之间直接且明显相互作用关系（图2）。

功能分析是识别各组件之间的相互作用关系并建立功能模型图的过程[4]，通过功能模型图的建立，可得出各组件之间的作用关系如图3所示。如在复杂轨道和颠簸条件下，传感器检测精度不足。装置构架限制了传感器的安装位置，导致作用效果不佳。有砟轨道上的石渣会干扰检测器的正常工作，产生不利影响。此外，当列车高速行驶时，司机来不及制动，因此司机对列车制动系统的操纵作用不足。

之后，对整个功能模型的缺陷进行汇总，为后续利用TRIZ工具解决问题聚焦方向见表3。

二、功能缺陷的分析与解决

此部分从“分”的角度对功能缺陷进行分析，利用TRIZ工具求解得出可行方案。

（一）物场模型与76个标准解

物场模型是通过建立两个物质，一个场的关系反应系统内部各要素之间的内在联系，不同的物场模型对应不同的解法，根据每个物场之间的主要作用关系在76个标准解中选择对应的解法，不同的解法可获得不同的解决方案[5]。

对于功能缺陷01、03选择建立物场模型进一步分析。对于功能缺陷1，通过查找76个标准解，在分类1：改善相互作用和消除有害影响中选择标准解为消除外力物质的有害相互作用。通过引入第三种物质消除模型中两种物质之间的有害影响。得到方案提示1：在检测器周围设置遮挡板，防止石渣对传感器长时间的破坏，延长传感器使用寿命。

对于功能缺陷03：通过查找76个标准解，在分类2系统进化中选择标准解为链式物场系统的合成。通过引入新的场（F2）和物质（S3），形成链式结构优化系统工作。得到方案提示2：在装置构架和传感器之间加入机械调节结构，便于传感器能够适应各种复杂情况。

（二）小矮人法

小矮人法是一种将系统的组件变成可移动的小矮人构建分析模型、提供解决问题的思路的一种方法。对于功能缺陷04，通过小矮人法进行求解。如图6（a）利用四组小矮人表达基于距离传感的非接触式列车脱轨检测模型。结合九屏图得出的研究方向1，引入⑤号小矮人组（倾角传感器）和⑥号小矮人组（振动传感器）配合③号小矮人组（距离传感器）协同判断列车脱轨状态，如图6（b）。基于此得出方案提示3：利用倾角传感器在复杂几何线形和超高等地段监测列车是否发生脱轨；利用振动传感器监测列车脱轨前后的列车的振动波形，结合时频分析的方式探究是否由列车本身故障造成的脱轨。

（三）IFR最终理想解

最终理想解（IFR）是TRIZ九大经典理论之一，通过打破固有思路，寻求解决问题的最为理想方案[6]。针对功能缺陷05所述的功能缺陷，即探讨判断结果的输出如何快速实现防护问题。得到该问题的解决方案见表5.

基于此得到方案提示4：当列车脱轨时监测预警系统将判断信息发送至控制器和司机反馈页面，控制器自主操纵列车减速系统，司机根据实际情况选择是否紧急制动。

三、方案综合与改进

通过上述的问题分析与解决，得到4种方案与2个研究方向，从多方面进行评价，最终以方向1和2为导向，设计一种基于态势感知的非接触式列车脱轨监测预警系统。并利用技术系统进化法则和系统完备性法则对最终方案进行最后“总”的分析。

（一）技术进化法则

Altshuller表示技术进化法则能够推演某一技术领域的未来趋势。利用技术进化法则中的提高理想化水平[7]，得到方案提示5：在监测平台引入智能优化算法+神经网络预测的组合算法，对检测器收集的历史数据进行规律探索，实现在非突发因素引起的脱轨事故前提前预测。

（二）系统完备性法则

综合初步方案和方案提示5针对于脱轨警报与预测模块利用系统完备性法则做最终检验。通过对系统的执行装置、传动装置、动力装置和控制装置的分析，找出问题组件并加以改进[8]。

综合方案提示5可知监测平台的控制功能并不完备，平台应明确何时警报、何时预测，故得出方案提示6：引入两阶段阈值法，以明确的界线将系统预测功能和警报功能分离。

（三）最终方案确定

对上文方案进行汇总，具体方案如下：

1.检测装置集成距离传感器、倾角传感器、振动传感器实现对列车的态势感知。其中距离传感器周围具有包括挡板防护和自动位移调节结构。

2.系统收集三种特征值后进行两阶段阈值对比，由三种特征值判断列车的运行态势，结合减速系统降低脱轨发生带来的危险。

3.优先选择“智能优化算法+神经网络预测”模型。利用智能优化算法优化神经网络模型中的结构参数，提高神经网络预测模型的预测能力[9]。

四、结论

本研究采用“总-分-总”的结构框架，结合TRIZ理论，对智能列车脱轨系统进行了系统性的设计。针对未来无人驾驶的需求，本系统基于非接触式列车脱轨检测装置，并与监测平台相结合。系统从轮轨关系监测、列车运行状态监测、列车自身状态监测三个维度进行态势感知设计。此外，通过构建两阶段阈值和组合预测算法，进一步完善了系统的监测逻辑；本文的研究重点在于TRIZ理论在列车脱轨领域的应用，而最终方案的优化仍需通过实验来实现。

参考文献

[1] 袁忠,吴文博,张威.基于TRIZ理论研制的一种实训场实操直流接地教学装置[J].科技创新与应用,2024,14(10)：43-46+50.

[2] SHUYUN WANG,HYUNYIM PARK,JIFENG XU.Innovating Household Food Waste Management:A User-Centric Approach with AHP-TRIZ Integration.[J].Sensors(Basel,Switzerland),2024,24(3).

[3] 王成军,丁凡.基于TRIZ理论的采茧机器人创新设计[J].中国农机化学报,2024,45(02)：244-249.

[4]吴佳雯,佟健豪,王晚香,等.基于TRIZ理论的轨道健康监测预警系统设计[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2023,36(03)：69-76.

[5] 黄旭刚,万鹏,韩博.TRIZ理论中裁剪和物场模型联用策略研究[J].科技创业月刊,2016,29(22)：153-156.

[6] 钟柏昌,龚佳欣.基于TRIZ的跨学科创新能力评价：试题编制与证实[J].现代远程教育研究,2023,35(04)：75-82+112.

[7] 叶文涛,韩宇翃.基于Kano模型和TRIZ技术进化法则的老年代步车设计[J].包装工程,2023,44(S1)：312-319.

[8] 曹福全,姜占民,常丽坤,曹纪明.技术系统完备性分析[J].科技创新导报,2014,11(23)：115-116.

[9] 毛建锋,李铮,伍军,余志武,胡连军.基于PSO-LSTM的重载铁路车轨桥系统随机振动响应预测方法[J].铁道科学与工程学报,1-11.

责编 / 马铭阳