基于TRIZ理论的自动增排雨水井盖设计

       新世纪以来，在我国综合实力不断壮大下，城市化发展速度非常快，对我国的社会进步行程巨大的推动，而且带动我国经济不断发展。但当下快速的城市化进程正在对水文环境造成巨大影响，大规模的建造活动产生了面积巨大的不透水面，再由于我国城市建设有重地上轻地下的思想倾向，对城市地下基础设施建设的重视不足，当城市发生短时强降雨时，城市排水系统极易瘫痪。每年夏季，广州、北京、南京、长沙等城市，均会上演“暴雨淹城”的景象。

       国内学者开始反思雨洪规划建设和管理模式，呼吁转变防洪减灾思路，提出建设“海绵城市”，充分发挥地表排水能力，提高城市雨水下渗能力。在多次的暴雨报道中，笔者注意到在城市的积水路段，为了加速排水会主动将井盖打开。但通过打开井盖的方式排水具有以下缺点：①需要专人看管或树立相关醒目警示标识，否则容易导致行人或车辆陷入；②井盖的打开不够及时，往往需要市政巡视人员发现才打开，人手不够时会导致积水路段越来越多；③井盖完全打开会导致大量杂物进入，可能造成堵塞。

       发明问题求解理论(Theory of inventive problem solving，TRIZ)是苏联著名发明ALTSHULLER领导的研究机构分析了全世界近250万件高水平专利的基础上，综合多学科领域的原理后提出的一套理论方法体系。TRIZ是一套系统性的、基于知识的创新方法体系，囊括了技术预测、创新的思维、分析工具以及基于知识的解题工具等。TRIZ理论不是针对某个具体的机构、机械或过程，而是要建立解决对策的探索方向，因此TRIZ原理不局限与任何特定的应用领域。

       本文将TRIZ理论中的物场分析，物理矛盾分析，最终理想解等应用到对雨水井盖的改进中，提出一种可以实现自动调节渗水量的井盖。

1 基于TRIZ理论的雨水井盖创新设计

       1.1 系统功能分析

       改进已有技术系统时，功能分析用于理清技术系统的主要功能以及辅助动能，以便理解系统，找出系统的问题所在。

       井盖的技术系统包括井座，连接销，井盖，其中井盖又含有子系统透水孔和开盖孔。在技术系统之外还含有超系统，包含雨水，驶过车辆和行人，雨水，检查人员(如图1)。

       列出各个组件之间的相互作用(如图2)，根据与主要功能的关系，将功能分为三类：

       有用功能：将检查井封闭起来，避免杂物，人员坠入；井盖与地面平齐；保证井盖强度且车辆，人员通过性良好。

       有害功能：当降雨量较大路面有较多积水时，需要打开井盖并专人看守且打开井盖不够及时。

       中性功能：井盖的外观设计。

       通过分析主要的矛盾在井盖盖体，要想使井盖能够实现自动增排，需要对盖体进行改进。

       1.2 物理矛盾分析

       物理矛盾指的是一个产品或性能同时有两种相反的状态存在。解决物理矛盾的核心思想是实现矛盾双方的分离，TRIZ解决物理矛盾的四大分离原理为空间分离、时间分离、条件分离和系统分离。

       对于此增排井盖，要求其在没有积水时透水孔保持关闭以避免垃圾等细小杂物进入，造成堵塞；在积水漫过井盖时，其透水孔打开进行排水；而雨水基本排尽后又能自动恢复关闭的状态，需要使雨水的渗透量在不同的条件下得到满足，应当选用条件分离。

       TRIZ总结的实现条件分离的有：复合材料原理，多孔材料原理，改变颜色原理，局部质量原理，周期性作用原理，一维变多维原理等。笔者从中选择多孔材料原理和一维变多维原理进行应用。

       由多孔材料原理，我们考虑将井盖开有多个孔槽，利用组合原理，将雨水检查井盖与道路边上的雨水篦子进行组合，使得其具备在人为不打开井盖的情况下渗透雨水的能力，得出如图3的造型。由一维变多维原理，我们将井盖分为多层，在井盖下方设置一盖板(如图4)，盖板凸出的形状与井盖孔槽互补。上下两层通过井盖下端伸出的轴套接，并且通过带螺纹的旋盖支撑盖板，从而实现在无积水的情况下将渗水孔堵上。

       1.3 物场分析

       技术系统的目的是执行某一“功能”，任一功能都有两个物质和一个场组成，通过建立现有产品功能模型的过程，可以发现有害作用、不足作用及过剩作用等小问题，再通过76个标准解，将不完整的系统、有害的系统与不足的完整系统模型转化为有效且完整的系统模型。物场分析适用于发现已有产品中的矛盾以便改进设计。

       由物理矛盾分析得出对井盖的改进中引入了下层盖板和螺纹旋盖，建立物场分析模型(如图6)。通过分析可以看出目前的方案可以实现增加井盖透水量，但不能实现雨水与盖板打开／关闭的关联，因此属于不足的完整系统。

       利用TRIZ理论提供的76个标准解，采用不改变或少量改变来改良系统的类型1，引入新的物质弹簧，使其位于盖板和螺纹旋盖之间，水与盖板之间通过重力场作用(如图7)，通过水的重力压在盖板上使弹簧压缩，盖板下移增大排水量；雨水减少时盖板复位。

       1.4 初步方案评估

       利用物理矛盾和物场分析得出该解决方案(如图8)，拟利用井盖上方雨水的重力作用使得弹簧压缩从而将盖板打开加速排水，没有水时盖板关闭阻止垃圾杂物的进入。

       在使用3D打印制作模型时，发现该方案具有明显的缺陷，该方案的制作受制作精度和弹簧选择的影响，井盖较难实现在积水覆盖的井盖表面时实现下层盖板的移动。在生产制造中，井盖大多采用铸造工艺，井盖和下层盖板之间的间隙将会更大，作用更不明显。这便是在引入新的改进又引入了新的缺陷，没有达到最终理想状态。

       利用最终理想解的确定来解决这一新出现的问题，基本的思路如下。

       经过表1的分析，得到使用容器汇集雨水从而使雨水重力效果明显的思路。在井盖上方开有孔洞承接雨水，容器与盖板相连接，随着雨水的增多，容器重力的增大，弹簧受到挤压，下层盖板打开加速渗雨。考虑到无雨水时盖板的复位，在容器下方开有小孔，当降雨减少时，容器的重力降低，弹簧逐渐回位，盖板关闭。(如图9)

       通过最终理想解得到最终的改进方案，利用雨水自身重力的增减实现盖板的自动打开和关闭。具有最终理想解的四个特点，即：保持了原系统的优点；消除了原系统的不足；没有使原系统变得更复杂；没有引入新的缺陷。

2 结论

       TRIZ理论从不同角度为问题的解决提供了一系列方法，帮助人们客观地、理性地分析问题的矛盾所在，同时利用相关工具提供推荐的解决方法，减少发明创造的时间。本文通过对TRIZ理论的应用，得出一种随雨水量自动调节渗雨量的设计，并通过模型的制作进行验证，保证了创造的可靠性。