基于TRIZ理論的道路雨水井蓋系統(tǒng)優(yōu)化

安雨豪，夏少偉，葉詩(shī)雨

（天津理工大學(xué)）

1 引言

道路排水系統(tǒng)是城市市政設(shè)施的重要組成部分，夏季降雨較多，雨天路面積水容易形成內(nèi)澇造成交通堵塞，甚至危及行人安全。河南多地強(qiáng)降雨導(dǎo)致嚴(yán)重內(nèi)澇，截至2021年8月2日，鄭州洪澇造成直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)532億元，至少232人罹難。如何快速排除路面雨水，避免排水系統(tǒng)堵塞成為一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題。

2 問(wèn)題闡述

現(xiàn)存問(wèn)題：下雨天雨水?dāng)y帶雜物到達(dá)篦子井蓋處，雨水以及淤泥等雜物通過(guò)井蓋縫隙落入井室內(nèi)，雜物沉積在井室底部，造成雨水管道口被埋沒(méi)甚至堵塞，而體積較大的垃圾則留在井蓋外部造成堵塞。

目前解決方案：雨停后人工逐個(gè)清理井蓋及井室。

現(xiàn)行方案的不足：人工清理效率低下，屬事后補(bǔ)救，無(wú)法有效解決排水系統(tǒng)堵塞導(dǎo)致的內(nèi)澇問(wèn)題。

3 TRIZ理論介紹[1]

TRIZ 是俄文（TheoriaResheneyvaIsobretatelske‐huh Zadach）的縮寫(xiě)，意為解決創(chuàng)新問(wèn)題的理論。這是一套能創(chuàng)造出系統(tǒng)性的創(chuàng)新與改善設(shè)計(jì)者思考過(guò)程的方法論。就新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)而言，TRIZ為其指出了發(fā)展方向和解決問(wèn)題的思路和方法。在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中應(yīng)用TRIZ理論可以更好地解決問(wèn)題。

4 基于TRIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[2]

4.1 系統(tǒng)分析

4.1.1 系統(tǒng)功能分析

1）排水系統(tǒng)的系統(tǒng)組件分析

將技術(shù)系統(tǒng)的子系統(tǒng)組件及超系統(tǒng)組件以表1的形式呈現(xiàn)如下。

表1 排水系統(tǒng)組件分析

各組件詳細(xì)敘述：井蓋，位于路面上，起承載車(chē)輛、行人重量及疏通雨水的作用；井室，上部分支撐井蓋，下部分連接排水管道，留有一定空間儲(chǔ)存雜物；排水管，與主排水管道聯(lián)通，將雨水井蓋系統(tǒng)收集的雨水排入地下。

2）排水井蓋的相互作用矩陣（見(jiàn)表2）

表2 相互作用矩陣

3）排水井蓋的功能模型根據(jù)系統(tǒng)各組件間以及與超系統(tǒng)的相互作用，繪制如圖1 所示的功能模型圖。

圖1 功能模型分析

通過(guò)功能分析，我們得出雨水井蓋系統(tǒng)的堵塞主要是因?yàn)橛晁當(dāng)y帶著垃圾雜物到達(dá)井蓋，一部分堵塞了井蓋上面的進(jìn)水孔，造成井蓋處堵塞；另一部分垃圾通過(guò)進(jìn)水孔進(jìn)入了井室，不斷淤積埋沒(méi)井室底部進(jìn)而造成排水管堵塞。另外，環(huán)衛(wèi)工人對(duì)井室進(jìn)行清淤的操作流程也有待改進(jìn)。

4.1.2 因果分析

通過(guò)圖2因果分析我們可以得到雨水井蓋系統(tǒng)堵塞的關(guān)鍵原因：

圖2 因果分析圖

①樹(shù)葉等雜物面積大于篦子井蓋空隙面積，導(dǎo)致井蓋容易被雜物堵?。?/p>

②雨水管道堵塞的根本原因是井室底部預(yù)留空間不足，導(dǎo)致淤泥堆積堵塞排水管道；

③清污不及時(shí)的根本原因是環(huán)衛(wèi)工人無(wú)法得知井室及排水管道通暢狀況，只有在堵塞發(fā)生后才能進(jìn)行清污作業(yè)，針對(duì)性不強(qiáng)。

4.2 運(yùn)用TRIZ工具解決問(wèn)題

4.2.1 矛盾分析[3]

4.2.1.1 針對(duì)上面得出的關(guān)鍵點(diǎn)1進(jìn)行技術(shù)沖突分析

1）以表格的形式呈現(xiàn)技術(shù)矛盾（見(jiàn)表3）

表3 關(guān)鍵點(diǎn)1技術(shù)矛盾

2）轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突

改善的工程參數(shù)：7運(yùn)動(dòng)物體的體積

惡化的工程參數(shù)：14強(qiáng)度

3）查找沖突矩陣，得到如下發(fā)明原理

NO.7 嵌套、NO.9 預(yù)先反作用、NO.14 曲面化、NO.15動(dòng)態(tài)性、NO.40復(fù)合材料

4）依據(jù)發(fā)明原理NO.14曲面化、NO.15動(dòng)態(tài)性、NO.40復(fù)合材料，得到問(wèn)題的解

①根據(jù)發(fā)明原理NO.14 曲面化原則（將平面變成曲面），得出方案：改變傳統(tǒng)井蓋平面的結(jié)構(gòu)，制作一種曲面井蓋。

②根據(jù)發(fā)明原理NO.15 動(dòng)態(tài)性原則（調(diào)整物體或環(huán)境的性能，使其在工作的各個(gè)階段達(dá)到最佳狀態(tài)）得出方案：將井蓋設(shè)計(jì)成可活動(dòng)的，在晴天的時(shí)候關(guān)閉，既能增強(qiáng)其強(qiáng)度保障安全性，又能防止雜物落入；雨天的時(shí)候打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)排水的功能。

③根據(jù)發(fā)明原理NO.40 復(fù)合材料原則，得出方案：改進(jìn)井蓋的材料，運(yùn)用特殊的半透膜材質(zhì)，能夠以較大速率通過(guò)雨水，同時(shí)阻擋體積較大的垃圾雜物。

5）針對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)1進(jìn)行物理沖突分析

為了保證水流流量大，我們考慮增加井蓋橫欄之間的間隙，但為了保證井蓋的強(qiáng)度，我們又要減小井蓋橫欄之間的間隙，即我們既需要井蓋間隙大又需要井蓋間隙小，由此產(chǎn)生了一對(duì)物理矛盾（見(jiàn)表4）。

表4 關(guān)鍵點(diǎn)1物理矛盾

方案四：采用空間分離原理解決井蓋問(wèn)題。將水和垃圾分隔在兩個(gè)空間內(nèi)，使二者不能在同一時(shí)間相遇以避免造成堵塞。具體解決方案：在井蓋的周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的路面上設(shè)置波浪形阻攔裝置，使垃圾被阻擋在井蓋之外，只有水流能到達(dá)井蓋。

4.2.1.2 針對(duì)上面得出的關(guān)鍵點(diǎn)2進(jìn)行技術(shù)沖突分析

1）針對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)2進(jìn)行物理沖突分析（見(jiàn)表5）

表5 關(guān)鍵點(diǎn)2物理矛盾

方案五：根據(jù)空間分離原理中的NO.24 借助中介物和NO.07 嵌套原理，在傳統(tǒng)井室內(nèi)部嵌套一個(gè)類(lèi)似垃圾筐的容器，能夠容納通過(guò)井蓋到達(dá)井室內(nèi)部的垃圾，環(huán)衛(wèi)工人只需更換容器，即可迅速完成清理，解決了清污困難的問(wèn)題。同時(shí)到達(dá)井室內(nèi)部的水流需要透過(guò)容器通向排水管，故依據(jù)NO.31 多孔材料原理，在容器外壁上設(shè)計(jì)許多孔洞，方便水能流出，這樣就實(shí)現(xiàn)了將水和垃圾分隔在兩個(gè)空間內(nèi)，解決了該物理矛盾。

4.2.1.3 針對(duì)上面得出的關(guān)鍵點(diǎn)3進(jìn)行技術(shù)沖突分析

1）以表格的形式呈現(xiàn)技術(shù)矛盾（見(jiàn)表6）

表6 關(guān)鍵點(diǎn)3技術(shù)矛盾

2）轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突

改善的工程參數(shù)：24信息損失

惡化的工程參數(shù)：39生產(chǎn)效率25時(shí)間損失

3）查找矛盾矩陣，得到如下發(fā)明原理

NO.13 反向作用、NO.15 動(dòng)態(tài)性、NO.23 反饋、NO.24中介物、NO.28替代機(jī)械系統(tǒng)

4）依據(jù)發(fā)明原理：NO.23 反饋，NO.24 中介物，NO.28替代機(jī)械系統(tǒng)得出方案

方案六：為了能讓環(huán)衛(wèi)工人迅速知道雨水系統(tǒng)的堵塞情況，可以在容器的底部加裝一個(gè)重力傳感裝置，當(dāng)容器內(nèi)垃圾重量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)就會(huì)發(fā)出反饋，提醒相關(guān)工作人員及時(shí)清理。

4.3 技術(shù)方案整理與評(píng)價(jià)

綜合上述六個(gè)方案，我們得出最終方案（圖3）：

圖3 改進(jìn)后的雨水井蓋系統(tǒng)內(nèi)部各組件介紹

在井室內(nèi)放入帶過(guò)濾功能的垃圾筐，淤泥等雜物隨雨水流入后會(huì)留在筐內(nèi)，當(dāng)淤泥量達(dá)到設(shè)定閾值后垃圾筐底部重力傳感器發(fā)出信號(hào)，環(huán)衛(wèi)工人可快速定位作業(yè)位置，只需更換干凈的垃圾筐放回井室即可。

本文方案從整體入手，將原來(lái)孤立的排水系統(tǒng)組件整合成為一個(gè)整體，有效解決了排水系統(tǒng)堵塞問(wèn)題，且簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)便于推廣。結(jié)合大數(shù)據(jù)建立監(jiān)控系統(tǒng)可以做到對(duì)有積水隱患的位置進(jìn)行快速反饋，給予環(huán)衛(wèi)工人快速清理的條件，顯著提高了作業(yè)效率。