基于TRIZ 进化理论的矿井下救援与物资运输装备设计

胡鹤凡， 潘雅璇， 郑 伟

0 引言

随着计算机技术、互联网以及自动化技术的发展，高度自动化的设备已经应用到很多领域。 例如在医疗救援中使用的矿井下救援与物资运输装备就是高科技的结晶， 矿井下救援与物资运输装备主要用于在出现事故后替代救援人员进入到危险的救援现场完成救援工作。 采矿过程中经常会出现不同类型的矿难事故[1]，往往会造成巨大的损失，特别是在矿难救援水平低下的情况下，现场环境条件恶劣、信息获取方式与设备条件差，容易引起二次事故。为提升救援工作的安全性与时效性，矿井矿井下救援与物资运输装备的研究及开发成为热点。 针对现有矿井下救援与物资运输装备存在的问题，本文引入TRIZ进化理论的相关方法， 在已有产品设计程序与方法的基础上建立矿井矿井下救援与物资运输装备设计模型，对矿井矿井下救援与物资运输装备进行概念设计。

1 矿井救援环境及矿井矿井下救援与物资运输装备介绍

1.1 矿井救援环境

图1 常见的矿井下巷道尺寸示意图Fig.1 Schematic diagram of common underground roadways

煤矿巷道空间狭小，且巷道内还铺设有轨道、各类生产和运输设备以及杂物，常见的井下巷道尺寸如图1所示。非人行道部分会存在钢轨、路基以及设备，机器人将主要是在人行道行走。根据相关矿井建设的有关要求，要求留有宽0.8m 及以上的人行道。 对于无轨运输轨道，必须留有1.2m 以上的人行道。

1.2 矿井矿井下救援与物资运输装备研究现状

矿用矿井下救援与物资运输装备的设计涉及到了不同的学科，属于一种高科技的智能机器人，能够实现环境认知、运动控制等功能，即使在条件复杂的环境中也能够保持良好的工作状态， 整个系统中具体包括了不同功能需求的集成，如图2 所示。

图2 矿井矿井下救援与物资运输装备功能布局Fig.2 Functional layout of mine rescue and material transportation equipment

2 TRIZ 进化理论概述及功能进化模型构建

2.1 TRIZ 进化理论概述

TRIZ 主要提出了进化理论等原理，其中一个应用较多的是TRIZ 进化理论， 可以将其应用到各类问题解决中。其中的一个典型的研究成果是需求进化定律，通常将其应用到用户新需求的分析中，由此确定新功能，并由需求与功能矩阵，最终建立产品模型。

图3 需求进化系统Fig.3 Demand evolution system

2.2 TRIZ 功能进化模型构建

在生物进化论中适者生存是一条基本的准则， 也是适应环境的产物，从这一方面来看，产品进化代表了适应市场变化后的结果， 产品进化的外在动力则是用户的需求，据此可以对用户的进化特征进行分析。 如图4 所示。

本文将TRIZ 进化理论应用到矿井矿井下救援与物资运输装备设计研究过程具体流程如图5。

图4 基于需求驱动的产品进化模式Fig.4 Demand-driven product evolution model

表1 需求进化与功能进化矩阵Tab.1 Requirements evolution and function evolution matrix

图5 矿井矿井下救援与物资运输装备功能创新模型Fig.5 Mine underground rescue and material transportation equipment function innovation model

3 矿井矿井下救援与物资运输装备用户需求及技术分析

3.1 用户调研及需求分析

通过问卷调查、用户访谈、情景分析等方式获取用户需求，对煤矿救援队员，以问卷调查法进行调研，总共收回了50 份调查问卷，实际有效问卷38 份，问卷有效率为90%。 使用体验地图如图6 所示。

表2 救援队员对矿井矿井下救援与物资运输装备需求Tab.2 Rescue team members' needs for mine rescue and material transportation equipment

图6 矿井矿井下救援与物资运输装备使用体验地图Fig.6 Mine underground mine rescue and material transportation equipment use experience map

3.2 需求分析

采用TRIZ 进化理论对数据整合处理， 得到5 种属性，对需求描述进行划分、归类，分为10 项新需求，汇总，如表3 所示。

表3 用户需求整合Tab.3 Integration of user requirements

本文将Kano 需求模型引入到了10 项新需求的分析中， 再次分析了产品的需求度。 通过统计10 项新需求Kano 属性结果汇总如表4。

表4 Kano 属性结果汇总表Tab.4

结果显示：智能化、一体化、吸引力、个性化属于魅力属性，高性能、通用性属于期望属性，安全化、便携性、人性化、易用性属于必备属性。

3.3 现有技术分析

（1）行走能力不足。

（2）移动、运输伤员功能欠缺，见表5。

（3）适量粗糙，传感器位置乱。

表5 现有矿井下救援与物资运输装备运输伤员功能调查表Tab.5 Survey of wounded functions in existing mine rescue and material transportation equipment

4 矿井矿井下救援与物资运输装备概念设计与展示

4.1 概念草图方案

形态的设计体现在维度和边界线两个方面。 边界线对形态的影响力和表现力有较强作用， 用户对形态的感受由线条的长短、线型决定，用户的舒适感主要取决于关键部位的造型，一般以夸张、放大的设计方法进行设计（见图7）。

4.2 效果图展示

效果图如图8～11 所示。

图7 形态草图方案Fig.7 Shape sketch scheme

图8 效果图展示Fig.8 Shape sketch scheme

图9 救援伤员使用场景图Fig.9 Rescue scene of the wounded

图10 矿井矿井下救援与物资运输装备通过障碍物模拟图Fig.10 Mine mine rescue and material transportation equipment through obstacle simulation

图11 传感器示意图Fig.11 Sensor diagram

5 总结

本章根据第四章分析结果，开展了设计实践。绘制了矿井矿井下救援与物资运输装备概念草图方案， 并进行评估，得到最优方案。绘制矿井下救援与物资运输装备救援伤员使用场景概念草图，建立了三维模型并展示。通过设计验证，对满意度进行评分，得分高于现有产品，证明了方案的可行性与设计流程的合理性。