基于TRIZ與DFSS的污泥烘干機專利規避創新設計

魯玉軍 劉洲羽 張奎

關鍵詞：TRIZ；六西格瑪設計；專利規避；污泥烘干機；創新設計

引言

隨著全球經濟發展，企業競爭日益激烈。近年來，專利糾紛不斷增加，說明公司對知識產權的維護意識越發強烈，行業領頭公司設置了專利障礙來限制同行的發展，而另一些公司為了打入市場，必須繞過專利障礙。因此，掌握核心技術的專利已經是企業進軍國際貿易的必要條件。

專利規避設計是依據企業的專利規避策略，利用科學的方法對目標專利技術系統進行創新設計[1]，其目的在于規避特定專利權的法律保障，以獲取關鍵技術，從而規避爭端。針對專利規避設計的研究，2012 年，江屏等人[2] 提出運用功能裁剪分析技術系統并結合專利侵權判定原則進行專利規避設計的方法。2015 年，江屏等人[3] 提出利用IPC 聚類分析確定規避目標，并利用TRIZ 方法解決問題的專利群規避設計方法。2017 年，張巖[4] 利用產品功能專利數量- 產品功能矩陣確定規避產品中發展前景較好的目標功能，運用TRIZ 理論中的技術進化定律和九屏幕法確定顧客需求和產品創新方向，以此來指導規避目標專利進行產品創新設計。2018 年，李輝和檀潤華[5] 提出制度約束分析法，從專利的侵權原則考慮尋找合法的規避路徑，運用技術約束分析法對行業內的企業進行分析確定領先企業，采用不同的分析方法產生不同的專利組合規避策略。2004 年，Shyla 等人[6] 提出一種尋找目標專利技術系統缺失的組件，并利用相關技術縮小權利保護范圍的專利規避策略。2006 年，Bicheno 等人[7] 提出一種多方法集成的理論框架，包括TRIZ 理論、全員生產維護和魚骨圖，以此集成框架進行產品創新設計。2009 年，Trappey 等人[8] 提出一種利用TRIZ 理論發掘目標專利技術系統進化方向，確定關鍵技術并進行專利規避創新設計的專利規避策略。2011 年，Kuang 等人[9] 利用專利家族與專利引證構建專利分析模型，并以專利性能地圖為規避設計指導方向。

國內外學者在對專利規避設計的研究中存在以下兩方面問題：第一，提出的專利規避設計流程中缺少對顧客需求的研究，可能導致設計的產品缺乏核心競爭力；第二，提出的流程缺少優化設計，導致設計的產品存在潛在失效模式，降低產品的質量與可靠性。

為解決上述問題，本文將TRIZ 與DFSS 兩者融合，提出一種基于TRIZ 與DFSS 的專利規避創新設計方法。相比較于傳統的產品創新設計，所提出的專利規避創新設計方法具有精準把握顧客需求、產品研發周期短、質量與可靠性高、創新起點高、研發成本低等優點，可快速提升企業產品核心競爭力，對企業和國家經濟發展具有重要的意義。

一、基于TRIZ與DFSS融合的專利規避創新設計方法

本節提出基于TRIZ 與DFSS 融合的專利規避創新設計方法，并對其中的目標專利挖掘與分析、識別、定義、設計、優化、驗證6個階段進行了介紹。具體實施流程如圖1 所示，主要以顧客需求為導向進行產品創新設計，利用六西格瑪設計IDDOV 流程為主線融合TRIZ 方法構建基于專利規避的創新設計方法。

（一）目標專利挖掘與分析

步驟1：根據顧客需求獲取專利檢索關鍵詞，通過IPC 分類號和關鍵詞組成的布爾邏輯檢索式檢索專利，對檢索到的專利進行數據清洗，獲得專利庫。

步驟2：針對專利庫中的數據，運用RPQE-RPAE 四象限圖確定具有競爭力的目標企業，進而確定目標專利并進行分析。

步驟3：運用TRIZ 方法中的功能分析法分析目標專利技術系統，建立目標專利功能模型圖。

（二）識別階段

步驟1：對檢索的專利數據庫，運用專利文獻信息分析挖掘專利文獻中的專利名稱、專利號、技術背景、系統需求信息，并結合顧客需求構建顧客需求域。

步驟2：與相關技術人員討論，運用AHP 法確定顧客需求重要度。層次分析法（AHP）計算顧客需求重要度，其基本思路是對單一層次的顧客需求做重要度對比，根據對比值計算顧客需求重要度[10]。

（三）定義階段

步驟1：與技術人員討論確定滿足顧客需求的技術特性，運用獨立配點法[11] 確定技術特性重要度。

步驟2：利用質量功能展開理論（QFD）構建質量屋，并確定相關技術矛盾。

步驟3：查詢TRIZ 理論中的矛盾矩陣，確定解決技術矛盾的發明原理。

步驟4：結合技術特性及其重要度和目標專利技術系統功能模型分析結果，確定目標專利規避方向。

（四）設計階段

步驟1：結合前期確定的發明原理和目標專利規避方向，確定創新設計技術關鍵詞。

步驟2：利用創新設計技術關鍵詞在專利數據庫中檢索相關技術專利。

步驟3：分析相關專利文獻摘要、權利要求書、說明書，分析專利系統關鍵技術及組件，構建專利技術系統分析表，如表1 所示，以相關專利優勢技術作為目標專利創新設計參考依據。

步驟4：對目標專利技術系統做專利組合創新設計。

（五）優化階段

步驟1：對創新后的目標專利技術系統采用AFD 法做失效判定。

首先，建立基于工藝過程的反向魚骨圖，其次，構建失效場景，對失效場景發生的可能性進行判定，并對可能發生的失效場景分析導致其發生的原因。

步驟2：運用TRIZ 方法中的物- 場模型分析法以及專利組合設計法解決相應的問題，總結解決相應問題的技術方案獲取關鍵詞，在專利庫中檢索相關專利，并分析相關專利文獻，構建專利技術系統分析表，以相關專利技術系統中優勢技術組件或者技術特性作為目標專利優化設計參考依據。

（六）驗證階段

驗證階段對優化設計后的技術系統進行專利侵權判定，若侵權則重新進入設計階段，對目標專利技術系統進行重新設計；若不構成侵權則確認設計方案。

二、污泥烘干機專利規避設計

本節以污泥烘干機專利規避設計為例，對所提專利規避創新設計方法進行驗證，確認創新方案。在此過程中，專利規避創新設計方法在目標專利挖掘分析階段確定發明專利CN103288321B為目標專利，在識別階段挖掘客戶需求，定義階段確定技術特性、發明原理和規避方向，設計階段總結關鍵詞檢索專利并做專利組合設計，優化階段對創新設計后的目標專利做進一步優化，驗證階段對最終方案做侵權判定，并確認污泥烘干機設計方案。

（一）目標專利挖掘分析

首先根據顧客需求污泥烘干機， 選取關鍵詞污泥干化并與IPC 分類號組成邏輯檢索式檢索專利獲取專利數據庫， 利用 RPQE-RPAE 四象限圖確定目標企業， 進而確定目標專利CN103288321B[12]，根據其中所示技術特征，進一步構建目標專利技術系統功能模型圖如圖2。

從功能模型圖中發現目標專利存在烘干污泥作用不足的缺陷，主要有兩點問題：（1）污泥堆在輸送帶上，污泥結塊而受熱不均勻，從而導致烘干不徹底；（2）濕污泥在輸送帶上傳送至出料口的過程中烘干，烘干時間短導致污泥還未烘干就已經被送至出料口排出。

（二）識別階段

步驟1：構建需求域。從專利數據庫中篩選引用率較高的授權實用新型或發明專利，分析專利文獻中技術背景等部分，對挖掘的專利技術系統需求與顧客需求污泥烘干機結合組成顧客需求域，主要包括烘干效率高R1、節能R2、環保R3、占地空間小R4、工作連續R5。

步驟2：對確定的顧客需求使用層次分析法確定其重要度，計算結果分別是R1=0.36，R2=0.13，R3=0.36，R4=0.08，R5=0.06。

（三）定義階段

步驟1：與技術人員討論確定滿足顧客需求的技術特性，分別為提高烘干溫度T1、增加污泥受熱面積T2、降低能耗T3、減少能量損失T4、減少廢氣排出T5 、減小體積T6、添加自動裝置T7 ，并確認顧客需求與技術特性關系度，運用獨立配點法確定技術特性重要度，其計算結果分別是：T1 = 1.82，T2 = 1.82，T3 = 0.15，T4 = 0.09，T5 = 1.82，T6 = 0.4，T7 = 0.67。

步驟2：利用質量功能展開理論構建質量屋，如圖3 所示，確定技術矛盾。

從質量屋中可以發現共有4 組技術矛盾：提高烘干溫度與降低能耗、提高烘干溫度與減少能量損失、提高烘干溫度與減少廢氣排出、增加污泥受熱面積與減少廢氣排放。

步驟3：查詢TRIZ 方法中的2003 矛盾矩陣，確定發明原理。對步驟2 中存在技術矛盾的技術特性分析并提取TRIZ 理論中的通用工程參數，分別為：溫度（22）、能量損失（27）、物質產生的有害因素（31）、運動物體的面積（5）。相應的技術矛盾可以轉化為通用工程參數組合，分別是：溫度（22）與能量損失（27）、溫度（22）與物體產生的有害因素（31）、運動物體的面積（5）與物體產生的有害因素（31）。根據通用工程參數組合，查詢2003 矛盾矩陣得到相應發明原理，結果如表2 所示。

步驟4：結合技術特性及其重要度和目標專利技術系統功能模型圖分析結果，確定目標專利規避方向。綜合考慮步驟1 確定的技術特性及其重要度，為了節約成本，選取技術特性重要度排名前三的提高烘干溫度、增加污泥受熱面積與減少廢氣排放作為改進的重點，結合2.1 節中目標專利技術系統功能分析結果，目標專利技術系統存在烘干污泥效應不足的缺陷，并與技術人員討論，確定目標專利規避創新設計方向有：提高烘干溫度、增加污泥受熱面積、減少能量損失、減少廢氣排放。

（四）設計階段

步驟1：結合確定的發明原理和目標專利創新設計方向，確定創新設計技術關鍵詞。綜合考慮上述發明原理和目標專利創新設計方向，“提高烘干溫度”可以選擇電加熱；“增加污泥受熱面積”選擇攪拌污泥，使污泥在烘干過程中動起來；“減少能量損失”依據發明原理24（中介物原理），添加隔熱層減少熱量損失；“減少廢氣排放”依據發明原理2（抽取原理），添加廢氣處理裝置，使得廢氣處理后變成無污染的空氣。綜上所述，確定目標專利創新設計技術關鍵詞分別是：電加熱、攪拌、隔熱、廢氣處理。

步驟2：利用創新設計技術關鍵詞在專利數據庫中檢索相關技術專利。利用電加熱、攪拌、隔熱、廢氣處理在專利庫中檢索專利文件，對檢索的專利文件分析確定2 個相關技術專利，分別是CN209917495U 一種無廢氣排出的密閉式污泥烘干箱[13]、CN204474517U 一種高效環保污泥烘干機[14]。

步驟3：分析CN209917495U 一種無廢氣排出的密閉式污泥烘干箱和CN204474517U 一種高效環保污泥烘干機專利文獻，構建專利技術系統分析表，如表3、4 所示。確定其優勢技術，作為創新設計參考技術。

步驟4：結合步驟3 中相關技術專利的關鍵技術、功能及系統主要組件和確定的專利創新設計方向對目標專利技術系統進行專利規避創新設計。依據提高烘干溫度、減少能量損失創新方向和專利CN204474517U 對目標專利技術系統的腔體進行創新設計，把腔體改造成包含殼體、保溫層、電加熱層的烘干箱箱體；依據增加污泥受熱面積、減少廢氣排放創新設計方向和專利CN209917495U 對目標專利烘干箱添加廢氣處理裝置、攪拌裝置、鼓風機、電磁閥，其結構圖如圖4 所示。

1- 烘干箱殼體；2- 烘干箱保溫層；3- 烘干箱電加熱層；4- 廢氣處理箱；5- 攪拌裝置；6- 電磁閥；7- 鼓風機。

（五）優化階段

優化階段對5.3 節目標專利技術系統規避創新設計的方案利用AFD 方法、專利組合設計法、物- 場分析法進行優化設計，其具體實施步驟如下：

a）對目標專利規避創新設計系統構建基于工藝過程的反向魚骨圖，如圖5 所示。

b）構建目標專利規避創新設計系統工作成功場景，如表5 所示。

c）根據現有工作條件，污泥烘干出現問題是期望發生的事件，其失效情景如表6 所示。

d）分析失效情景的資源是否存在以確定失效場景是否發生，如表7 所示。

總結上述表確定的失效場景實現的原因如下：① 污泥粘在污泥池內壁和堵塞出料口，導致無法正常下料；② 污泥烘干箱固定擺放，污泥不能均勻擺放；③ 電加熱層出現粘壁，影響熱傳導效率。

e）對于失效原因①和③，都是由于污泥粘壁導致烘干污泥出現問題，針對這一問題我們提取關鍵詞“防粘壁”在專利庫中檢索專利文件，對檢索的專利文件分析確定相關技術專利CN205856297U一種可防止堵塞粘壁的污泥烘干設備[15]。分析CN205856297U 專利文獻，構建專利文獻技術系統分析表，其專利文獻技術系統分析表，如表8 所示。

依據表5.11 中關鍵技術及系統主要組件，選擇為目標專利技術系統烘干箱添加刮泥板，并在污泥池添加攪拌裝置。

對于原因②導致的失效場景，利用TRIZ 理論中的物- 場分析法構建物－場模型進行創新設計解決問題，其分析模型如圖6（a）所示，圖中S1 為固定支架、S2 為烘干箱、F 是機械場，固定支架S1 支撐且固定烘干箱S2，導致烘干箱無法擺動造成污泥進料時堆放不均勻，進而影響烘干效率，因此固定支架S1 對烘干箱S2 同時存在有害和有益作用，因此，機械場F 也是同時存在有害和有益作用。根據標準解10 引入改進的S1 或S2 來消除有害效應，從而改變原先的場F，引入新的場F1，得到如圖6（b）所示的新的物－場模型。圖6（b）所示的物－場模型中，S1 為液壓升降固定裝置，S2 是烘干箱，F1 是新的機械場，液壓升降固定裝置S1 既可以支撐烘干箱，也可以升降烘干箱調整傾斜角度，使污泥堆放更加均勻，消除了原先的有害作用。

根據前述優化方案設計出新的污泥烘干機結構圖，如圖7 ～ 9所示。

1- 污泥池；11- 污泥池出料口；2- 污泥池攪拌裝置；21- 第一轉軸；22- 攪拌桿；23- 第一攪拌桿；24- 第二攪拌桿；25- 第一從動皮帶輪；26- 第一皮帶；27- 第一主動皮帶輪；28- 第一驅動電機；3- 送料機；30- 送料機入料口；31- 送料機第一段體；32- 送料機第二段體；33-送料機排料口；4- 烘干機；41- 烘干機箱體；411- 進料漏斗；412-電加熱層；413- 保溫層；414- 殼體；415- 濕度探頭；416- 濕度探頭顯示器；417- 出料口；418- 進風口；419- 出風口；42- 支撐架；43-升降裝置；44- 進料電磁閥；45- 出料電磁閥；46- 鼓風機；5- 烘干箱攪拌裝置；51- 第二轉軸；52- 攪拌長桿；53- 攪拌短桿；54- 刮泥板；55- 第二從動皮帶輪；56- 第二皮帶；57- 第二主動皮帶輪；58- 第二驅動電機；6- 支架；61- 支架豎直段；62- 支架水平段；63- 支架傾斜段；611- 控制面板；621- 第二驅動電機；631- 第三驅動電機；7- 廢氣處理箱；71-HEAP 過濾網層；72- 活性炭過濾網層；73- 干燥劑層；74-進氣管；75- 排氣管；8- 污泥冷卻車。

優化后的污泥烘干機具有烘干效率高、節能環保、有效防粘壁、實現自動上料的優點。通過控制面板611 打開自動送料機3 和進料電磁閥44，將大量濕污泥倒入污泥池1，污泥池攪拌裝置2 攪拌污泥，防止污泥粘壁以及堵塞污泥池出料口11，污泥經污泥池出料口11 進入送料機3，污泥受送料機3 的螺旋葉片推力作用前行，經排料口33 進入進料漏斗411，接著進入烘干箱41，在送料過程中，液壓升降裝置43 升降烘干箱41 使污泥堆放更加均勻，送料完畢后，關閉進料電磁閥44 防止廢氣外漏；烘干過程中，電加熱層412 為污泥烘干提供熱量，刮泥板54 清理粘在電加熱層412 上的污泥，提高熱傳導效率，保溫層413 有效減少熱量損失，降低能耗，烘干箱攪拌裝置5 攪拌污泥，增加污泥受熱面積，使污泥受熱更加均勻，提高烘干效率，鼓風機46 經進風口418 為烘干箱提供干燥的空氣，并推動含有大量水蒸氣的廢氣經出氣口419 和進氣管74 進入廢氣處理箱7，廢氣經過HEAP 過濾網層71、活性炭過濾網層72、干燥劑層73 處理，處理后的廢氣經排氣管75 排出，不會污染空氣，通過濕度探頭415可以隨時監控烘干箱內濕度；污泥烘干后，打開出料電磁閥45，利用液壓桿431 與支撐架42 配合調整烘干機箱體41 的傾斜角度，烘干后的污泥在第二攪拌裝置5 的配合下，利用自重可以自動出料，通過出料口417 進入污泥冷卻車8。

（六）驗證

相對于目標專利，新設計的一種環保型污泥烘干機，污泥池刪去兩個出料口，增加攪拌裝置，烘干方式變成電加熱，設置保溫層，支架采用液壓升降裝置，液壓升降裝置采用球鉸連接烘干箱，烘干箱攪拌裝置末端連接有刮泥板，烘干箱左端上部設置有鼓風機。新設計的一種環保型污泥烘干機不侵犯全面覆蓋原則、逆向等同原則、等同原則、禁止反悔原則、貢獻原則，最后確認設計方案。

總結

專利規避創新設計作為一種技術手段，通過專利規避技術來打破專利壁壘，應該引起廣泛關注。以往由于對客戶的需求和對核心企業的不了解，使得所改進的產品缺乏核心競爭力，同時也缺乏對其進行系統性的優化，使產品的質量和可靠性無法達到客戶的要求。本文針對這些問題，提出基于TRIZ 與DFSS 融合的專利規避創新設計方法。此方法以IDDOV 流程為主線融合TRIZ 理論，面向顧客需求進行產品設計，運用TRIZ 理論發掘滿足顧客需求的技術特性中存在的技術矛盾的發明原理。確定目標專利并對目標專利技術系統做功能模型分析，以技術特性重要度和功能模型圖分析結果確定目標專利規避創新設計方向。綜合考慮發明原理和目標專利規避創新設計方向確定關鍵詞并檢索專利，對目標專利技術系統進行專利組合創新設計，再做進一步優化，提高產品的質量與可靠性，最后確認最終方案。