基于TRIZ理论的旋挖钻机技术进化路线分析

王 波，项 冲，安增军，戴 亚，王子羲，郭 飞

（1. 国网江苏电力设计咨询有限公司，江苏 南京 210008；2. 清华大学 机械工程系设计工程研究所，北京 100084）

导语：

智能化建造是建筑业发展的重要方式，建筑业的快速发展要求建筑装备不断变革。本文通过分析建筑业发展的背景及需求，阐释建筑装备智能化发展的必要性，对国内外典型的路桥和房屋智能建筑装备进行介绍，总结影响智能建筑装备发展的因素，为智能建筑装备发展和建筑业绿色发展提出建议。

引言

旋挖钻机的起源可以追溯到二战之前，美国的卡尔维尔特公司发明出世界上第一台旋挖钻机，后来经过不断的发展，旋挖钻机成为灌注桩成孔作业中一种较为常用的施工机械。旋挖钻机在施工过程中具有孔径范围广、定位准确、成孔质量高、工作效率高、环保性好等优点，在道路、桥梁、高层建筑等施工过程中得到了广泛的应用。

随着我国基础建设全面机械化的推进，旋挖钻机钻孔较浅、对硬质土层效果不佳、对临时道路的修建要求高、需单独的吊车配套、更换钻具等调整工序需要时间长等几个缺点也慢慢地显现出来。这些问题很大程度上限制了旋挖钻机在某些特定施工条件下的应用，也使得旋挖钻机的施工成本变高。面对这些问题和挑战，技术人员不能盲目尝试旋挖钻机的技术创新，而是需要根据旋挖钻机的发展现状制定出最合适的技术进化路线，尽量节省产品研发所需的时间和资源。

01 TRIZ理论

TRIZ理论是由俄国学者阿奇舒勒（G.S.Altshuller）在1946年创立的，通过研究成千上万的专利，他发现发明并不是一种随机的事件，其背后有一套固定的进化模式、进化定律与进化路线。根据这些发明规律，他总结出了一套系统的创新发明方法，也就是TRIZ理论，利用TRIZ理论，设计者可较快地确定现有产品最有效率的创新方向，减少产品研发所需的时间与资源。

在没有TRIZ理论之前，人们的发明创新大多来自于一次偶然的突发奇想或者无数次的试错经历，更加接近于一种随机的行为，所需的时间与资源无法估量。相对于这种创新过程，TRIZ理论有着明显的特点与优势，它立足于创新发明的内在规律，研究技术发展的整个开发过程，通过分析系统发展过程中存在的矛盾，而得出合理的探索方向。

02 旋挖钻机的技术成熟度分析

阿奇舒勒创立TRIZ理论之前在专利局工作，在研究了大量的发明专利之后，他发现任何产品的发展过程都遵循着一定的规律，人们只要掌握了这些规律，就能够快速地推动产品技术的发展。在他的带领下，TRIZ理论研究团体分析了当时世界上的近250万份发明专利，总结出了各种技术发展规律以及发明创造方法。

S曲线四参数法

TRIZ理论提出，任何技术系统都有一套相似的客观进化规律，都有一个从诞生到淘汰的过程，像人一样有着一个完整的生命周期。通过对产品的性能、专利、利润发展过程进行大量研究，阿奇舒勒把产品的技术进化过程分为婴儿期、成长期、成熟期和衰退期4个阶段。其中产品的性能参数、专利数量、专利等级、利润的变化是依赖发展阶段呈S曲线形式变化，如图1所示。

通过绘制4种参数的S曲线（图1）并根据曲线特征可以判断出产品目前所处的发展阶段，然后根据各个发展阶段的特征可以得出当前适合于该产品的技术进化路线。

图1 技术进化特征曲线

产品专利数量曲线

在S曲线的4个参数中，专利数量能够直观反映出旋挖钻机的研究现状，其中专利数量曲线代表的是当前研究人员对旋挖钻机的关注度。每年关于旋挖钻机的专利越多，代表着人们越重视旋挖钻机的发展。通过网上提供的专利数据，一共收集了1974～2017年间的3 176份与旋挖钻机相关的专利，以专利申请日的年份为横坐标，每年申请的专利数量为纵坐标，绘制出旋挖钻机的专利数量曲线，如图2所示。

图2 专利数量曲线

旋挖钻机专利数量曲线与TRIZ进化理论提出的S曲线吻合度较高，4个阶段的曲线特征较为明显。在2003年以前，有关旋挖钻机的专利出现得很少，这时旋挖钻机的技术系统缺陷还很多，得不到人们的重视，还处于婴儿期阶段；而在2003～2012年，旋挖钻机的专利数量逐年增长很快，旋挖钻机正渐渐地进入到人们的视野当中，根据曲线特征可以判断其处于成长期；而后专利数量开始缓慢增加，到一定值之后开始减少，就现在旋挖钻机的专利数量曲线来看，旋挖钻机大概率处于成熟期或者衰退期。

专利等级曲线

除了专利的数量之外，专利的质量对一个技术系统来说也非常重要，极具突破性的专利能够大幅度提升产品的性能，而只是作为修饰的一些专利对产品的发展影响会非常小，所以专利质量也是考察技术系统发展程度的一个重要指标。TRIZ理论对发明专利的质量依据其科学价值、应用范围以及经济效益等情况划分为5个等级。

第1级：多数是通过参数优化来小幅度提升系统性能的发明，这一类专利需要其他领域的知识并不多，主要依靠的是设计人员常年积累的知识与技术经验，不需要创新，只需要运用操作经验来对已有系统进行简单改进，这种发明专利占所有发明专利总数的35%。

第2级：通过对系统进行一些小改进来解决技术上的矛盾。这类问题需要行业内有丰富经验的设计人员利用已有的理论对系统进行改进。例如在焊接装置上配置灭火器解决焊接装置的安全问题。这种发明创造或专利占发明专利总数的42%。

第3级：对已有系统进行根本性的改进。这一类问题的解决会更加依赖于本行业以外的方法和知识，是对原有系统进行完全的变革，用来解决一些主要矛盾。例如智能手机的发现与提出、鼠标的发明等。该类发明专利占发明专利总数的19%。

第4级：通过运用全新的原理对系统功能进行比较大的更新。这一类发明更加偏向于利用科学的进步而不是工程上的改进，充分利用科学知识来使系统性能得到较大的提升与扩展。如内燃机的发明、飞机与汽车的出现。该类发明专利占发明专利总数的4%。

第5级：由具有巨大影响力的罕见科学原理而导致的一种全新系统的发明，比如爱迪生发明了灯泡，瓦特发明了蒸汽机。这类发明专利占所有发明专利的0.3%。

依据TRIZ理论对专利的分级方式对查阅到的3 176份专利进行等级划分，并对申请年份相同的专利等级取平均值来代表该年份的专利等级，绘制出如图3所示的专利等级曲线。

旋挖钻机的专利等级在趋势上与标准S曲线一致，呈现出逐渐下降的趋势。而到了2017年，与旋挖钻机相关的大部分专利等级都处在1级，这表明旋挖钻机的技术已经相对比较成熟了，很难做出大的改进，由此判断旋挖钻机的技术成熟度应该已经过了成长期，处于成熟期或者衰退期阶段的可能性较大。

产品性能及利润分析

衡量一个产品的技术成熟度离不开对其性能的分析，一个产品成熟度越高，其性能绝对值会越高，但性能的提升就会缓慢。通过对现有旋挖钻机产品的性能调研发现，旋挖钻机的主要性能参数，如整机工作重量、最大钻孔深度、动力头最大扭矩、发动机功率等，已经多年未发生明显的改变，由此可以判断旋挖钻机的技术成熟度很可能处于成熟期。

利润也是衡量一个产品发展程度的关键因素。当产品处于高速发展期时，其利润也会不断上升，较为成熟之后其利润就会稳定下来。从公开的渠道无法得到准确的利润数据，但对各家公司的钻机报价上进行简单分析后发现，旋挖钻机近年来价格基本没有太大变化，由此分析其处于成熟期的可能性较高。

图3 专利等级曲线

定位技术成熟度

根据对旋挖钻机4个参数的分析，可以认为旋挖钻机目前处于成熟期的可能性较高。而针对各个时期的技术系统，TRIZ理论都提出了一些相应的技术系统进化法则，这些进化法则能为设计者们的原始创新提供思路，节约创新发明所需要的时间与资源。

03 旋挖钻机的技术系统进化法则

TRIZ理论在分析大量产品研发过程的基础上，更具体描述技术系统的进化演变规律，总结出了8个基本的技术系统进化法则。技术系统进化法则描述的是在技术系统更新换代、提升性能的过程中，系统内部组件之间以及与外界环境的关系。进化法则指出了系统发展阶段时的主要矛盾与可行的进化路线，为技术人员提供了技术系统发展进化的方向与模式。而不同法则在不同的技术系统成熟度阶段应用的频率各不相同，图4展示了不同进化阶段所主要运用的进化法则。

基于前文判断出旋挖钻机目前处于成熟期，应优先考虑成熟期应用概率较高的向微观进化法则，再考虑衰退期与成长期应用概率较高的向超系统进化法则、动态性进化法则等。

向微观进化法则

向微观进化法则指的是技术系统在进化过程中沿着减小元件尺寸的方向发展，其元件会从最初的尺寸不断减小，逐渐向原子、基本粒子的尺寸进化，但同时其功能不会退化甚至能实现更好的功能。向微观性进化法则解决的是由大尺寸元件而引起的一系列问题，而旋挖钻机存在着尺寸重量过大、不方便运输的问题，所以可以从该法则出发进行旋挖钻机的技术进化，如图5所示。

图4 S曲线与进化法则的关联特性

向超系统进化法则

当技术系统进化到极致时，就会趋向由单系统向双系统及多系统进化，多个系统集成到一块形成超系统，使原有系统的功能得到加强。旋挖钻机在钻孔之后还需要进行成孔检测、混凝土浇注等工序，如果能够在原有钻机基础上增加这些功能，则能拓宽钻机的用途与经济效益。

动态性进化法则

动态性进化法则是指技术系统的进化应该沿着结构柔性、可移动性、可控性增加的方向发展，以适应环境状况或执行方式的变化。旋挖钻机目前的主要问题在于它的可移动性较低，可控性也有待提高。

子系统不均衡进化法则

任何技术系统所包含的各个子系统都不是同步、均衡进化的，这种不均衡的进化经常会导致子系统之间的矛盾出现，解决矛盾将使整个系统得到突破性的进化。整个系统的进化速度取决于系统中发展最

04 旋挖钻机的未来展望

慢的子系统，改进进化最慢的子系统，就能提高整个系统的性能。

遵循TRIZ理论的向微观进化法则中有一条进化路线是分割，即将整体的、单一的物体分割成多个部分来达到减小尺寸的目的。基于这条进化路线，可以提出一个可能的研发方向，就是将钻机各个功能模块分割开，使其成为一个独立的单元，单元组合能够实现钻机原有的功能，而单个单元尺寸很小，在运输性方面能够体现出明显的优势。

该方案的好处是可以大大节省运输成本，而缺点在于多次运输以及现场拼装会消耗时间成本。考虑到实际施工过程中，在某些施工环境下没有合适的道路，需要现场铺设，而大的尺寸与重量会使铺设成本大幅度提升，合理规划施工工序能够将时间成本降低，但资源耗费是较难解决的关键性的矛盾。

从超系统进化法则出发，可以将成孔检测、混凝土浇注等功能集成到原有的钻机系统上，也可以改变钻机结构使其可以更换不同类型的钻头，进行不同的钻孔作业，实现钻机的多功能化。

图5 向微观进化法则

关于移动性，除了前面提到的分割钻机结构之外，还可以考虑对钻机整体结构进行优化以减少重量。注意到重量是影响钻机可移动性的一个关键因素，给钻机挂上有较大浮力的气球也是一个值得思考的方案，如图6所示。

关于可控性，考虑到目前钻机的自动化水平还较低，可以增加各种自动化监控预警和控制设备，提高旋挖钻机的机械化、自动化和智能化水平。

考虑子系统不均衡进化法则，虽然目前旋挖钻机技术已较为成熟，子系统间的差距并不明显，但仍可以对钻具的提升和下放、土层钻进、渣土抽取、泥浆等分系统进行参数优化和提升，提高它们之间的的配合效率，以提升整体的工作效率。

图6 气球方案