安雨豪，夏少偉，葉詩雨

（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。河南多地強降雨導(dǎo)致嚴重內(nèi)澇，截至2021年8月2日，鄭州洪澇造成直接經(jīng)濟損失高達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)堵塞成為一個亟待解決的重要問題。

2 問題闡述

現(xiàn)存問題：下雨天雨水攜帶雜物到達篦子井蓋處，雨水以及淤泥等雜物通過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，屬事后補救，無法有效解決排水系統(tǒng)堵塞導(dǎo)致的內(nèi)澇問題。

3 TRIZ理論介紹[1]

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

4 基于TRIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計[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

各組件詳細敘述：井蓋，位于路面上，起承載車輛、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

通過功能分析，我們得出雨水井蓋系統(tǒng)的堵塞主要是因為雨水攜帶著垃圾雜物到達井蓋，一部分堵塞了井蓋上面的進水孔，造成井蓋處堵塞；另一部分垃圾通過進水孔進入了井室，不斷淤積埋沒井室底部進而造成排水管堵塞。另外，環(huán)衛(wèi)工人對井室進行清淤的操作流程也有待改進。

4.1.2 因果分析

通過圖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??；

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

4.2 運用TRIZ工具解決問題

4.2.1 矛盾分析[3]

4.2.1.1 針對上面得出的關(guān)鍵點1進行技術(shù)沖突分析

1）以表格的形式呈現(xiàn)技術(shù)矛盾（見表3）

表3 關(guān)鍵點1技術(shù)矛盾

2）轉(zhuǎn)換成TRIZ標準沖突

改善的工程參數(shù)：7運動物體的體積

惡化的工程參數(shù)：14強度

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動態(tài)性、NO.40復(fù)合材料，得到問題的解

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，使其在工作的各個階段達到最佳狀態(tài)）得出方案：將井蓋設(shè)計成可活動的，在晴天的時候關(guān)閉，既能增強其強度保障安全性，又能防止雜物落入；雨天的時候打開，實現(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：改進井蓋的材料，運用特殊的半透膜材質(zhì)，能夠以較大速率通過雨水，同時阻擋體積較大的垃圾雜物。

5）針對關(guān)鍵點1進行物理沖突分析

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)生了一對物理矛盾（見表4）。

表4 關(guān)鍵點1物理矛盾

方案四：采用空間分離原理解決井蓋問題。將水和垃圾分隔在兩個空間內(nèi)，使二者不能在同一時間相遇以避免造成堵塞。具體解決方案：在井蓋的周圍一定范圍內(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，只有水流能到達井蓋。

4.2.1.2 針對上面得出的關(guān)鍵點2進行技術(shù)沖突分析

1）針對關(guān)鍵點2進行物理沖突分析（見表5）

表5 關(guān)鍵點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)部嵌套一個類似垃圾筐的容器，能夠容納通過井蓋到達井室內(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題。同時到達井室內(nèi)部的水流需要透過容器通向排水管，故依據(jù)NO.31 多孔材料原理，在容器外壁上設(shè)計許多孔洞，方便水能流出，這樣就實現(xiàn)了將水和垃圾分隔在兩個空間內(nèi)，解決了該物理矛盾。

4.2.1.3 針對上面得出的關(guān)鍵點3進行技術(shù)沖突分析

1）以表格的形式呈現(xiàn)技術(shù)矛盾（見表6）

表6 關(guān)鍵點3技術(shù)矛盾

2）轉(zhuǎn)換成TRIZ標準沖突

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 動態(tài)性、NO.23 反饋、NO.24中介物、NO.28替代機械系統(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重力傳感裝置，當容器內(nèi)垃圾重量達到一定數(shù)值時就會發(fā)出反饋，提醒相關(guān)工作人員及時清理。

4.3 技術(shù)方案整理與評價

綜合上述六個方案，我們得出最終方案（圖3）：

圖3 改進后的雨水井蓋系統(tǒng)內(nèi)部各組件介紹

在井室內(nèi)放入帶過濾功能的垃圾筐，淤泥等雜物隨雨水流入后會留在筐內(nèi)，當淤泥量達到設(shè)定閾值后垃圾筐底部重力傳感器發(fā)出信號，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，將原來孤立的排水系統(tǒng)組件整合成為一個整體，有效解決了排水系統(tǒng)堵塞問題，且簡單的結(jié)構(gòu)便于推廣。結(jié)合大數(shù)據(jù)建立監(jiān)控系統(tǒng)可以做到對有積水隱患的位置進行快速反饋，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。