基于TRIZ与DFSS的污泥烘干机专利规避创新设计

鲁玉军 刘洲羽 张奎

关键词：TRIZ；六西格玛设计；专利规避；污泥烘干机；创新设计

引言

随着全球经济发展，企业競争日益激烈。近年来，专利纠纷不断增加，说明公司对知识产权的维护意识越发强烈，行业领头公司设置了专利障碍来限制同行的发展，而另一些公司为了打入市场，必须绕过专利障碍。因此，掌握核心技术的专利已经是企业进军国际贸易的必要条件。

专利规避设计是依据企业的专利规避策略，利用科学的方法对目标专利技术系统进行创新设计[1]，其目的在于规避特定专利权的法律保障，以获取关键技术，从而规避争端。针对专利规避设计的研究，2012 年，江屏等人[2] 提出运用功能裁剪分析技术系统并结合专利侵权判定原则进行专利规避设计的方法。2015 年，江屏等人[3] 提出利用IPC 聚类分析确定规避目标，并利用TRIZ 方法解决问题的专利群规避设计方法。2017 年，张岩[4] 利用产品功能专利数量- 产品功能矩阵确定规避产品中发展前景较好的目标功能，运用TRIZ 理论中的技术进化定律和九屏幕法确定顾客需求和产品创新方向，以此来指导规避目标专利进行产品创新设计。2018 年，李辉和檀润华[5] 提出制度约束分析法，从专利的侵权原则考虑寻找合法的规避路径，运用技术约束分析法对行业内的企业进行分析确定领先企业，采用不同的分析方法产生不同的专利组合规避策略。2004 年，Shyla 等人[6] 提出一种寻找目标专利技术系统缺失的组件，并利用相关技术缩小权利保护范围的专利规避策略。2006 年，Bicheno 等人[7] 提出一种多方法集成的理论框架，包括TRIZ 理论、全员生产维护和鱼骨图，以此集成框架进行产品创新设计。2009 年，Trappey 等人[8] 提出一种利用TRIZ 理论发掘目标专利技术系统进化方向，确定关键技术并进行专利规避创新设计的专利规避策略。2011 年，Kuang 等人[9] 利用专利家族与专利引证构建专利分析模型，并以专利性能地图为规避设计指导方向。

国内外学者在对专利规避设计的研究中存在以下两方面问题：第一，提出的专利规避设计流程中缺少对顾客需求的研究，可能导致设计的产品缺乏核心竞争力；第二，提出的流程缺少优化设计，导致设计的产品存在潜在失效模式，降低产品的质量与可靠性。

为解决上述问题，本文将TRIZ 与DFSS 两者融合，提出一种基于TRIZ 与DFSS 的专利规避创新设计方法。相比较于传统的产品创新设计，所提出的专利规避创新设计方法具有精准把握顾客需求、产品研发周期短、质量与可靠性高、创新起点高、研发成本低等优点，可快速提升企业产品核心竞争力，对企业和国家经济发展具有重要的意义。

一、基于TRIZ与DFSS融合的专利规避创新设计方法

本节提出基于TRIZ 与DFSS 融合的专利规避创新设计方法，并对其中的目标专利挖掘与分析、识别、定义、设计、优化、验证6个阶段进行了介绍。具体实施流程如图1 所示，主要以顾客需求为导向进行产品创新设计，利用六西格玛设计IDDOV 流程为主线融合TRIZ 方法构建基于专利规避的创新设计方法。

（一）目标专利挖掘与分析

步骤1：根据顾客需求获取专利检索关键词，通过IPC 分类号和关键词组成的布尔逻辑检索式检索专利，对检索到的专利进行数据清洗，获得专利库。

步骤2：针对专利库中的数据，运用RPQE-RPAE 四象限图确定具有竞争力的目标企业，进而确定目标专利并进行分析。

步骤3：运用TRIZ 方法中的功能分析法分析目标专利技术系统，建立目标专利功能模型图。

（二）识别阶段

步骤1：对检索的专利数据库，运用专利文献信息分析挖掘专利文献中的专利名称、专利号、技术背景、系统需求信息，并结合顾客需求构建顾客需求域。

步骤2：与相关技术人员讨论，运用AHP 法确定顾客需求重要度。层次分析法（AHP）计算顾客需求重要度，其基本思路是对单一层次的顾客需求做重要度对比，根据对比值计算顾客需求重要度[10]。

（三）定义阶段

步骤1：与技术人员讨论确定满足顾客需求的技术特性，运用独立配点法[11] 确定技术特性重要度。

步骤2：利用质量功能展开理论（QFD）构建质量屋，并确定相关技术矛盾。

步骤3：查询TRIZ 理论中的矛盾矩阵，确定解决技术矛盾的发明原理。

步骤4：结合技术特性及其重要度和目标专利技术系统功能模型分析结果，确定目标专利规避方向。

（四）设计阶段

步骤1：结合前期确定的发明原理和目标专利规避方向，确定创新设计技术关键词。

步骤2：利用创新设计技术关键词在专利数据库中检索相关技术专利。

步骤3：分析相关专利文献摘要、权利要求书、说明书，分析专利系统关键技术及组件，构建专利技术系统分析表，如表1 所示，以相关专利优势技术作为目标专利创新设计参考依据。

步骤4：对目标专利技术系统做专利组合创新设计。

（五）优化阶段

步骤1：对创新后的目标专利技术系统采用AFD 法做失效判定。

首先，建立基于工艺过程的反向鱼骨图，其次，构建失效场景，对失效场景发生的可能性进行判定，并对可能发生的失效场景分析导致其发生的原因。

步骤2：运用TRIZ 方法中的物- 场模型分析法以及专利组合设计法解决相应的问题，总结解决相应问题的技术方案获取关键词，在专利库中检索相关专利，并分析相关专利文献，构建专利技术系统分析表，以相关专利技术系统中优势技术组件或者技术特性作为目标专利优化设计参考依据。

（六）验证阶段

验证阶段对优化设计后的技术系统进行专利侵权判定，若侵权则重新进入设计阶段，对目标专利技术系统进行重新设计；若不构成侵权则确认设计方案。

二、污泥烘干机专利规避设计

本节以污泥烘干机专利规避设计为例，对所提专利规避创新设计方法进行验证，确认创新方案。在此过程中，专利规避创新设计方法在目标专利挖掘分析阶段确定发明专利CN103288321B为目标专利，在识别阶段挖掘客户需求，定义阶段确定技术特性、发明原理和规避方向，设计阶段总结关键词检索专利并做专利组合设计，优化阶段对创新设计后的目标专利做进一步优化，验证阶段对最终方案做侵权判定，并确认污泥烘干机设计方案。

（一）目标专利挖掘分析

首先根据顾客需求污泥烘干机， 选取关键词污泥干化并与IPC 分类号组成逻辑检索式检索专利获取专利数据库， 利用 RPQE-RPAE 四象限图确定目标企业， 进而确定目标专利CN103288321B[12]，根据其中所示技术特征，进一步构建目标专利技术系统功能模型图如图2。

从功能模型图中发现目标专利存在烘干污泥作用不足的缺陷，主要有两点问题：（1）污泥堆在输送带上，污泥结块而受热不均匀，从而导致烘干不彻底；（2）湿污泥在输送带上传送至出料口的过程中烘干，烘干时间短导致污泥还未烘干就已经被送至出料口排出。

（二）识别阶段

步骤1：构建需求域。从专利数据库中筛选引用率较高的授权实用新型或发明专利，分析专利文献中技术背景等部分，对挖掘的专利技术系统需求与顾客需求污泥烘干机结合组成顾客需求域，主要包括烘干效率高R1、节能R2、环保R3、占地空间小R4、工作连续R5。

步骤2：对确定的顾客需求使用层次分析法确定其重要度，计算结果分别是R1=0.36，R2=0.13，R3=0.36，R4=0.08，R5=0.06。

（三）定义阶段

步骤1：与技术人员讨论确定满足顾客需求的技术特性，分别为提高烘干温度T1、增加污泥受热面积T2、降低能耗T3、减少能量损失T4、减少废气排出T5 、减小体积T6、添加自动装置T7 ，并确认顾客需求与技术特性关系度，运用独立配点法确定技术特性重要度，其计算结果分别是：T1 = 1.82，T2 = 1.82，T3 = 0.15，T4 = 0.09，T5 = 1.82，T6 = 0.4，T7 = 0.67。

步骤2：利用质量功能展开理论构建质量屋，如图3 所示，确定技术矛盾。

从质量屋中可以发现共有4 组技术矛盾：提高烘干温度与降低能耗、提高烘干温度与减少能量损失、提高烘干温度与减少废气排出、增加污泥受热面积与减少废气排放。

步骤3：查询TRIZ 方法中的2003 矛盾矩阵，确定发明原理。对步骤2 中存在技术矛盾的技术特性分析并提取TRIZ 理论中的通用工程参数，分别为：温度（22）、能量损失（27）、物质产生的有害因素（31）、运动物体的面积（5）。相应的技术矛盾可以转化为通用工程参数组合，分别是：温度（22）与能量损失（27）、温度（22）与物体产生的有害因素（31）、运动物体的面积（5）与物体产生的有害因素（31）。根据通用工程参数组合，查询2003 矛盾矩阵得到相应发明原理，结果如表2 所示。

步骤4：结合技术特性及其重要度和目标专利技术系统功能模型图分析结果，确定目标专利规避方向。综合考虑步骤1 确定的技术特性及其重要度，为了节约成本，选取技术特性重要度排名前三的提高烘干温度、增加污泥受热面积与减少废气排放作为改进的重点，結合2.1 节中目标专利技术系统功能分析结果，目标专利技术系统存在烘干污泥效应不足的缺陷，并与技术人员讨论，确定目标专利规避创新设计方向有：提高烘干温度、增加污泥受热面积、减少能量损失、减少废气排放。

（四）设计阶段

步骤1：结合确定的发明原理和目标专利创新设计方向，确定创新设计技术关键词。综合考虑上述发明原理和目标专利创新设计方向，“提高烘干温度”可以选择电加热；“增加污泥受热面积”选择搅拌污泥，使污泥在烘干过程中动起来；“减少能量损失”依据发明原理24（中介物原理），添加隔热层减少热量损失；“减少废气排放”依据发明原理2（抽取原理），添加废气处理装置，使得废气处理后变成无污染的空气。综上所述，确定目标专利创新设计技术关键词分别是：电加热、搅拌、隔热、废气处理。

步骤2：利用创新设计技术关键词在专利数据库中检索相关技术专利。利用电加热、搅拌、隔热、废气处理在专利库中检索专利文件，对检索的专利文件分析确定2 个相关技术专利，分别是CN209917495U 一种无废气排出的密闭式污泥烘干箱[13]、CN204474517U 一种高效环保污泥烘干机[14]。

步骤3：分析CN209917495U 一种无废气排出的密闭式污泥烘干箱和CN204474517U 一种高效环保污泥烘干机专利文献，构建专利技术系统分析表，如表3、4 所示。确定其优势技术，作为创新设计参考技术。

步骤4：结合步骤3 中相关技术专利的关键技术、功能及系统主要组件和确定的专利创新设计方向对目标专利技术系统进行专利规避创新设计。依据提高烘干温度、减少能量损失创新方向和专利CN204474517U 对目标专利技术系统的腔体进行创新设计，把腔体改造成包含壳体、保温层、电加热层的烘干箱箱体；依据增加污泥受热面积、减少废气排放创新设计方向和专利CN209917495U 对目标专利烘干箱添加废气处理装置、搅拌装置、鼓风机、电磁阀，其结构图如图4 所示。

1- 烘干箱壳体；2- 烘干箱保温层；3- 烘干箱电加热层；4- 废气处理箱；5- 搅拌装置；6- 电磁阀；7- 鼓风机。

（五）优化阶段

优化阶段对5.3 节目标专利技术系统规避创新设计的方案利用AFD 方法、专利组合设计法、物- 场分析法进行优化设计，其具体实施步骤如下：

a）对目标专利规避创新设计系统构建基于工艺过程的反向鱼骨图，如图5 所示。

b）构建目标专利规避创新设计系统工作成功场景，如表5 所示。

c）根据现有工作条件，污泥烘干出现问题是期望发生的事件，其失效情景如表6 所示。

d）分析失效情景的资源是否存在以确定失效场景是否发生，如表7 所示。

总结上述表确定的失效场景实现的原因如下：① 污泥粘在污泥池内壁和堵塞出料口，导致无法正常下料；② 污泥烘干箱固定摆放，污泥不能均匀摆放；③ 电加热层出现粘壁，影响热传导效率。

e）对于失效原因①和③，都是由于污泥粘壁导致烘干污泥出现问题，针对这一问题我们提取关键词“防粘壁”在专利库中检索专利文件，对检索的专利文件分析确定相关技术专利CN205856297U一种可防止堵塞粘壁的污泥烘干设备[15]。分析CN205856297U 专利文献，构建专利文献技术系统分析表，其专利文献技术系统分析表，如表8 所示。

依据表5.11 中关键技术及系统主要组件，选择为目标专利技术系统烘干箱添加刮泥板，并在污泥池添加搅拌装置。

对于原因②导致的失效场景，利用TRIZ 理论中的物- 场分析法构建物－场模型进行创新设计解决问题，其分析模型如图6（a）所示，图中S1 为固定支架、S2 为烘干箱、F 是机械场，固定支架S1 支撑且固定烘干箱S2，导致烘干箱无法摆动造成污泥进料时堆放不均匀，进而影响烘干效率，因此固定支架S1 对烘干箱S2 同时存在有害和有益作用，因此，机械场F 也是同时存在有害和有益作用。根据标准解10 引入改进的S1 或S2 来消除有害效应，从而改变原先的场F，引入新的场F1，得到如图6（b）所示的新的物－场模型。图6（b）所示的物－场模型中，S1 为液压升降固定装置，S2 是烘干箱，F1 是新的机械场，液压升降固定装置S1 既可以支撑烘干箱，也可以升降烘干箱调整倾斜角度，使污泥堆放更加均匀，消除了原先的有害作用。

根据前述优化方案设计出新的污泥烘干机结构图，如图7 ～ 9所示。

1- 污泥池；11- 污泥池出料口；2- 污泥池搅拌装置；21- 第一转轴；22- 搅拌杆；23- 第一搅拌杆；24- 第二搅拌杆；25- 第一从动皮带轮；26- 第一皮带；27- 第一主动皮带轮；28- 第一驱动电机；3- 送料机；30- 送料机入料口；31- 送料机第一段体；32- 送料机第二段体；33-送料机排料口；4- 烘干机；41- 烘干机箱体；411- 进料漏斗；412-电加热层；413- 保温层；414- 壳体；415- 湿度探头；416- 湿度探头显示器；417- 出料口；418- 进风口；419- 出风口；42- 支撑架；43-升降装置；44- 进料电磁阀；45- 出料电磁阀；46- 鼓风机；5- 烘干箱搅拌装置；51- 第二转轴；52- 搅拌长杆；53- 搅拌短杆；54- 刮泥板；55- 第二从动皮带轮；56- 第二皮带；57- 第二主动皮带轮；58- 第二驱动电机；6- 支架；61- 支架竖直段；62- 支架水平段；63- 支架倾斜段；611- 控制面板；621- 第二驱动电机；631- 第三驱动电机；7- 废气处理箱；71-HEAP 过滤网层；72- 活性炭过滤网层；73- 干燥剂层；74-进气管；75- 排气管；8- 污泥冷却车。

优化后的污泥烘干机具有烘干效率高、节能环保、有效防粘壁、实现自动上料的优点。通过控制面板611 打开自动送料机3 和进料电磁阀44，将大量湿污泥倒入污泥池1，污泥池搅拌装置2 搅拌污泥，防止污泥粘壁以及堵塞污泥池出料口11，污泥经污泥池出料口11 进入送料机3，污泥受送料机3 的螺旋叶片推力作用前行，经排料口33 进入进料漏斗411，接着进入烘干箱41，在送料过程中，液压升降装置43 升降烘干箱41 使污泥堆放更加均匀，送料完毕后，关闭进料电磁阀44 防止废气外漏；烘干过程中，电加热层412 为污泥烘干提供热量，刮泥板54 清理粘在电加热层412 上的污泥，提高热传导效率，保温层413 有效减少热量损失，降低能耗，烘干箱搅拌装置5 搅拌污泥，增加污泥受热面积，使污泥受热更加均匀，提高烘干效率，鼓风机46 经进风口418 为烘干箱提供干燥的空气，并推动含有大量水蒸气的废气经出气口419 和进气管74 进入废气处理箱7，废气经过HEAP 过滤网层71、活性炭过滤网层72、干燥剂层73 处理，处理后的废气经排气管75 排出，不会污染空气，通过湿度探头415可以随时监控烘干箱内湿度；污泥烘干后，打开出料电磁阀45，利用液压杆431 与支撑架42 配合调整烘干机箱体41 的倾斜角度，烘干后的污泥在第二搅拌装置5 的配合下，利用自重可以自动出料，通过出料口417 进入污泥冷却车8。

（六）驗证

相对于目标专利，新设计的一种环保型污泥烘干机，污泥池删去两个出料口，增加搅拌装置，烘干方式变成电加热，设置保温层，支架采用液压升降装置，液压升降装置采用球铰连接烘干箱，烘干箱搅拌装置末端连接有刮泥板，烘干箱左端上部设置有鼓风机。新设计的一种环保型污泥烘干机不侵犯全面覆盖原则、逆向等同原则、等同原则、禁止反悔原则、贡献原则，最后确认设计方案。

总结

专利规避创新设计作为一种技术手段，通过专利规避技术来打破专利壁垒，应该引起广泛关注。以往由于对客户的需求和对核心企业的不了解，使得所改进的产品缺乏核心竞争力，同时也缺乏对其进行系统性的优化，使产品的质量和可靠性无法达到客户的要求。本文针对这些问题，提出基于TRIZ 与DFSS 融合的专利规避创新设计方法。此方法以IDDOV 流程为主线融合TRIZ 理论，面向顾客需求进行产品设计，运用TRIZ 理论发掘满足顾客需求的技术特性中存在的技术矛盾的发明原理。确定目标专利并对目标专利技术系统做功能模型分析，以技术特性重要度和功能模型图分析结果确定目标专利规避创新设计方向。综合考虑发明原理和目标专利规避创新设计方向确定关键词并检索专利，对目标专利技术系统进行专利组合创新设计，再做进一步优化，提高产品的质量与可靠性，最后确认最终方案。