基于TRIZ 進化理論的礦井下救援與物資運輸裝備設計

胡鶴凡， 潘雅璇， 鄭 偉

0 引言

隨著計算機技術、互聯網以及自動化技術的發展，高度自動化的設備已經應用到很多領域。 例如在醫療救援中使用的礦井下救援與物資運輸裝備就是高科技的結晶， 礦井下救援與物資運輸裝備主要用于在出現事故后替代救援人員進入到危險的救援現場完成救援工作。 采礦過程中經常會出現不同類型的礦難事故[1]，往往會造成巨大的損失，特別是在礦難救援水平低下的情況下，現場環境條件惡劣、信息獲取方式與設備條件差，容易引起二次事故。為提升救援工作的安全性與時效性，礦井礦井下救援與物資運輸裝備的研究及開發成為熱點。 針對現有礦井下救援與物資運輸裝備存在的問題，本文引入TRIZ進化理論的相關方法， 在已有產品設計程序與方法的基礎上建立礦井礦井下救援與物資運輸裝備設計模型，對礦井礦井下救援與物資運輸裝備進行概念設計。

1 礦井救援環境及礦井礦井下救援與物資運輸裝備介紹

1.1 礦井救援環境

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，且巷道內還鋪設有軌道、各類生產和運輸設備以及雜物，常見的井下巷道尺寸如圖1所示。非人行道部分會存在鋼軌、路基以及設備，機器人將主要是在人行道行走。根據相關礦井建設的有關要求，要求留有寬0.8m 及以上的人行道。 對于無軌運輸軌道，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輸裝備研究現狀

礦用礦井下救援與物資運輸裝備的設計涉及到了不同的學科，屬于一種高科技的智能機器人，能夠實現環境認知、運動控制等功能，即使在條件復雜的環境中也能夠保持良好的工作狀態， 整個系統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輸裝備功能布局Fig.2 Functional layout of mine rescue and material transportation equipment

2 TRIZ 進化理論概述及功能進化模型構建

2.1 TRIZ 進化理論概述

TRIZ 主要提出了進化理論等原理，其中一個應用較多的是TRIZ 進化理論， 可以將其應用到各類問題解決中。其中的一個典型的研究成果是需求進化定律，通常將其應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，最終建立產品模型。

圖3 需求進化系統Fig.3 Demand evolution system

2.2 TRIZ 功能進化模型構建

在生物進化論中適者生存是一條基本的準則， 也是適應環境的產物，從這一方面來看，產品進化代表了適應市場變化后的結果， 產品進化的外在動力則是用戶的需求，據此可以對用戶的進化特征進行分析。 如圖4 所示。

本文將TRIZ 進化理論應用到礦井礦井下救援與物資運輸裝備設計研究過程具體流程如圖5。

圖4 基于需求驅動的產品進化模式Fig.4 Demand-driven product evolution model

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

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

3 礦井礦井下救援與物資運輸裝備用戶需求及技術分析

3.1 用戶調研及需求分析

通過問卷調查、用戶訪談、情景分析等方式獲取用戶需求，對煤礦救援隊員，以問卷調查法進行調研，總共收回了50 份調查問卷，實際有效問卷38 份，問卷有效率為90%。 使用體驗地圖如圖6 所示。

表2 救援隊員對礦井礦井下救援與物資運輸裝備需求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輸裝備使用體驗地圖Fig.6 Mine underground mine rescue and material transportation equipment use experience map

3.2 需求分析

采用TRIZ 進化理論對數據整合處理， 得到5 種屬性，對需求描述進行劃分、歸類，分為10 項新需求，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 項新需求的分析中， 再次分析了產品的需求度。 通過統計10 項新需求Kano 屬性結果匯總如表4。

表4 Kano 屬性結果匯總表Tab.4

結果顯示：智能化、一體化、吸引力、個性化屬于魅力屬性，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 現有技術分析

（1）行走能力不足。

（2）移動、運輸傷員功能欠缺，見表5。

（3）適量粗糙，傳感器位置亂。

表5 現有礦井下救援與物資運輸裝備運輸傷員功能調查表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輸裝備概念設計與展示

4.1 概念草圖方案

形態的設計體現在維度和邊界線兩個方面。 邊界線對形態的影響力和表現力有較強作用， 用戶對形態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鍵部位的造型，一般以夸張、放大的設計方法進行設計（見圖7）。

4.2 效果圖展示

效果圖如圖8～11 所示。

圖7 形態草圖方案Fig.7 Shape sketch scheme

圖8 效果圖展示Fig.8 Shape sketch scheme

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

圖10 礦井礦井下救援與物資運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

本章根據第四章分析結果，開展了設計實踐。繪制了礦井礦井下救援與物資運輸裝備概念草圖方案， 并進行評估，得到最優方案。繪制礦井下救援與物資運輸裝備救援傷員使用場景概念草圖，建立了三維模型并展示。通過設計驗證，對滿意度進行評分，得分高于現有產品，證明了方案的可行性與設計流程的合理性。