基于TRIZ 進(jìn)化理論的礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備設(shè)計(jì)

胡鶴凡， 潘雅璇， 鄭 偉

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)以及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，高度自動(dòng)化的設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用到很多領(lǐng)域。 例如在醫(yī)療救援中使用的礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備就是高科技的結(jié)晶， 礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備主要用于在出現(xiàn)事故后替代救援人員進(jìn)入到危險(xiǎn)的救援現(xiàn)場(chǎng)完成救援工作。 采礦過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同類型的礦難事故[1]，往往會(huì)造成巨大的損失，特別是在礦難救援水平低下的情況下，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件惡劣、信息獲取方式與設(shè)備條件差，容易引起二次事故。為提升救援工作的安全性與時(shí)效性，礦井礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備的研究及開發(fā)成為熱點(diǎn)。 針對(duì)現(xiàn)有礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備存在的問題，本文引入TRIZ進(jìn)化理論的相關(guān)方法， 在已有產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與方法的基礎(chǔ)上建立礦井礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備設(shè)計(jì)模型，對(duì)礦井礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。

1 礦井救援環(huán)境及礦井礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備介紹

1.1 礦井救援環(huán)境

圖1 常見的礦井下巷道尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of common underground roadways

煤礦巷道空間狹小，且巷道內(nèi)還鋪設(shè)有軌道、各類生產(chǎn)和運(yùn)輸設(shè)備以及雜物，常見的井下巷道尺寸如圖1所示。非人行道部分會(huì)存在鋼軌、路基以及設(shè)備，機(jī)器人將主要是在人行道行走。根據(jù)相關(guān)礦井建設(shè)的有關(guān)要求，要求留有寬0.8m 及以上的人行道。 對(duì)于無軌運(yùn)輸軌道，必須留有1.2m 以上的人行道。

1.2 礦井礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備研究現(xiàn)狀

礦用礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備的設(shè)計(jì)涉及到了不同的學(xué)科，屬于一種高科技的智能機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境認(rèn)知、運(yùn)動(dòng)控制等功能，即使在條件復(fù)雜的環(huán)境中也能夠保持良好的工作狀態(tài)， 整個(gè)系統(tǒng)中具體包括了不同功能需求的集成，如圖2 所示。

圖2 礦井礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備功能布局Fig.2 Functional layout of mine rescue and material transportation equipment

2 TRIZ 進(jìn)化理論概述及功能進(jìn)化模型構(gòu)建

2.1 TRIZ 進(jìn)化理論概述

TRIZ 主要提出了進(jìn)化理論等原理，其中一個(gè)應(yīng)用較多的是TRIZ 進(jìn)化理論， 可以將其應(yīng)用到各類問題解決中。其中的一個(gè)典型的研究成果是需求進(jìn)化定律，通常將其應(yīng)用到用戶新需求的分析中，由此確定新功能，并由需求與功能矩陣，最終建立產(chǎn)品模型。

圖3 需求進(jìn)化系統(tǒng)Fig.3 Demand evolution system

2.2 TRIZ 功能進(jìn)化模型構(gòu)建

在生物進(jìn)化論中適者生存是一條基本的準(zhǔn)則， 也是適應(yīng)環(huán)境的產(chǎn)物，從這一方面來看，產(chǎn)品進(jìn)化代表了適應(yīng)市場(chǎng)變化后的結(jié)果， 產(chǎn)品進(jìn)化的外在動(dòng)力則是用戶的需求，據(jù)此可以對(duì)用戶的進(jìn)化特征進(jìn)行分析。 如圖4 所示。

本文將TRIZ 進(jìn)化理論應(yīng)用到礦井礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備設(shè)計(jì)研究過程具體流程如圖5。

圖4 基于需求驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品進(jìn)化模式Fig.4 Demand-driven product evolution model

表1 需求進(jìn)化與功能進(jìn)化矩陣Tab.1 Requirements evolution and function evolution matrix

圖5 礦井礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備功能創(chuàng)新模型Fig.5 Mine underground rescue and material transportation equipment function innovation model

3 礦井礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備用戶需求及技術(shù)分析

3.1 用戶調(diào)研及需求分析

通過問卷調(diào)查、用戶訪談、情景分析等方式獲取用戶需求，對(duì)煤礦救援隊(duì)員，以問卷調(diào)查法進(jìn)行調(diào)研，總共收回了50 份調(diào)查問卷，實(shí)際有效問卷38 份，問卷有效率為90%。 使用體驗(yàn)地圖如圖6 所示。

表2 救援隊(duì)員對(duì)礦井礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備需求Tab.2 Rescue team members' needs for mine rescue and material transportation equipment

圖6 礦井礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備使用體驗(yàn)地圖Fig.6 Mine underground mine rescue and material transportation equipment use experience map

3.2 需求分析

采用TRIZ 進(jìn)化理論對(duì)數(shù)據(jù)整合處理， 得到5 種屬性，對(duì)需求描述進(jìn)行劃分、歸類，分為10 項(xiàng)新需求，匯總，如表3 所示。

表3 用戶需求整合Tab.3 Integration of user requirements

本文將Kano 需求模型引入到了10 項(xiàng)新需求的分析中， 再次分析了產(chǎn)品的需求度。 通過統(tǒng)計(jì)10 項(xiàng)新需求Kano 屬性結(jié)果匯總?cè)绫?。

表4 Kano 屬性結(jié)果匯總表Tab.4

結(jié)果顯示：智能化、一體化、吸引力、個(gè)性化屬于魅力屬性，高性能、通用性屬于期望屬性，安全化、便攜性、人性化、易用性屬于必備屬性。

3.3 現(xiàn)有技術(shù)分析

（1）行走能力不足。

（2）移動(dòng)、運(yùn)輸傷員功能欠缺，見表5。

（3）適量粗糙，傳感器位置亂。

表5 現(xiàn)有礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備運(yùn)輸傷員功能調(diào)查表Tab.5 Survey of wounded functions in existing mine rescue and material transportation equipment

4 礦井礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備概念設(shè)計(jì)與展示

4.1 概念草圖方案

形態(tài)的設(shè)計(jì)體現(xiàn)在維度和邊界線兩個(gè)方面。 邊界線對(duì)形態(tài)的影響力和表現(xiàn)力有較強(qiáng)作用， 用戶對(duì)形態(tài)的感受由線條的長短、線型決定，用戶的舒適感主要取決于關(guān)鍵部位的造型，一般以夸張、放大的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)（見圖7）。

4.2 效果圖展示

效果圖如圖8～11 所示。

圖7 形態(tài)草圖方案Fig.7 Shape sketch scheme

圖8 效果圖展示Fig.8 Shape sketch scheme

圖9 救援傷員使用場(chǎng)景圖Fig.9 Rescue scene of the wounded

圖10 礦井礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備通過障礙物模擬圖Fig.10 Mine mine rescue and material transportation equipment through obstacle simulation

圖11 傳感器示意圖Fig.11 Sensor diagram

5 總結(jié)

本章根據(jù)第四章分析結(jié)果，開展了設(shè)計(jì)實(shí)踐。繪制了礦井礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備概念草圖方案， 并進(jìn)行評(píng)估，得到最優(yōu)方案。繪制礦井下救援與物資運(yùn)輸裝備救援傷員使用場(chǎng)景概念草圖，建立了三維模型并展示。通過設(shè)計(jì)驗(yàn)證，對(duì)滿意度進(jìn)行評(píng)分，得分高于現(xiàn)有產(chǎn)品，證明了方案的可行性與設(shè)計(jì)流程的合理性。