基于TRIZ理论的道路雨水井盖系统优化

安雨豪，夏少伟，叶诗雨

（天津理工大学）

1 引言

道路排水系统是城市市政设施的重要组成部分，夏季降雨较多，雨天路面积水容易形成内涝造成交通堵塞，甚至危及行人安全。河南多地强降雨导致严重内涝，截至2021年8月2日，郑州洪涝造成直接经济损失高达532亿元，至少232人罹难。如何快速排除路面雨水，避免排水系统堵塞成为一个亟待解决的重要问题。

2 问题阐述

现存问题：下雨天雨水携带杂物到达篦子井盖处，雨水以及淤泥等杂物通过井盖缝隙落入井室内，杂物沉积在井室底部，造成雨水管道口被埋没甚至堵塞，而体积较大的垃圾则留在井盖外部造成堵塞。

目前解决方案：雨停后人工逐个清理井盖及井室。

现行方案的不足：人工清理效率低下，属事后补救，无法有效解决排水系统堵塞导致的内涝问题。

3 TRIZ理论介绍[1]

TRIZ 是俄文（TheoriaResheneyvaIsobretatelske‐huh Zadach）的缩写，意为解决创新问题的理论。这是一套能创造出系统性的创新与改善设计者思考过程的方法论。就新产品的开发设计而言，TRIZ为其指出了发展方向和解决问题的思路和方法。在产品创新设计中应用TRIZ理论可以更好地解决问题。

4 基于TRIZ理论的创新设计[2]

4.1 系统分析

4.1.1 系统功能分析

1）排水系统的系统组件分析

将技术系统的子系统组件及超系统组件以表1的形式呈现如下。

表1 排水系统组件分析

各组件详细叙述：井盖，位于路面上，起承载车辆、行人重量及疏通雨水的作用；井室，上部分支撑井盖，下部分连接排水管道，留有一定空间储存杂物；排水管，与主排水管道联通，将雨水井盖系统收集的雨水排入地下。

2）排水井盖的相互作用矩阵（见表2）

表2 相互作用矩阵

3）排水井盖的功能模型根据系统各组件间以及与超系统的相互作用，绘制如图1 所示的功能模型图。

图1 功能模型分析

通过功能分析，我们得出雨水井盖系统的堵塞主要是因为雨水携带着垃圾杂物到达井盖，一部分堵塞了井盖上面的进水孔，造成井盖处堵塞；另一部分垃圾通过进水孔进入了井室，不断淤积埋没井室底部进而造成排水管堵塞。另外，环卫工人对井室进行清淤的操作流程也有待改进。

4.1.2 因果分析

通过图2因果分析我们可以得到雨水井盖系统堵塞的关键原因：

图2 因果分析图

①树叶等杂物面积大于篦子井盖空隙面积，导致井盖容易被杂物堵住；

②雨水管道堵塞的根本原因是井室底部预留空间不足，导致淤泥堆积堵塞排水管道；

③清污不及时的根本原因是环卫工人无法得知井室及排水管道通畅状况，只有在堵塞发生后才能进行清污作业，针对性不强。

4.2 运用TRIZ工具解决问题

4.2.1 矛盾分析[3]

4.2.1.1 针对上面得出的关键点1进行技术冲突分析

1）以表格的形式呈现技术矛盾（见表3）

表3 关键点1技术矛盾

2）转换成TRIZ标准冲突

改善的工程参数：7运动物体的体积

恶化的工程参数：14强度

3）查找冲突矩阵，得到如下发明原理

NO.7 嵌套、NO.9 预先反作用、NO.14 曲面化、NO.15动态性、NO.40复合材料

4）依据发明原理NO.14曲面化、NO.15动态性、NO.40复合材料，得到问题的解

①根据发明原理NO.14 曲面化原则（将平面变成曲面），得出方案：改变传统井盖平面的结构，制作一种曲面井盖。

②根据发明原理NO.15 动态性原则（调整物体或环境的性能，使其在工作的各个阶段达到最佳状态）得出方案：将井盖设计成可活动的，在晴天的时候关闭，既能增强其强度保障安全性，又能防止杂物落入；雨天的时候打开，实现排水的功能。

③根据发明原理NO.40 复合材料原则，得出方案：改进井盖的材料，运用特殊的半透膜材质，能够以较大速率通过雨水，同时阻挡体积较大的垃圾杂物。

5）针对关键点1进行物理冲突分析

为了保证水流流量大，我们考虑增加井盖横栏之间的间隙，但为了保证井盖的强度，我们又要减小井盖横栏之间的间隙，即我们既需要井盖间隙大又需要井盖间隙小，由此产生了一对物理矛盾（见表4）。

表4 关键点1物理矛盾

方案四：采用空间分离原理解决井盖问题。将水和垃圾分隔在两个空间内，使二者不能在同一时间相遇以避免造成堵塞。具体解决方案：在井盖的周围一定范围内的路面上设置波浪形阻拦装置，使垃圾被阻挡在井盖之外，只有水流能到达井盖。

4.2.1.2 针对上面得出的关键点2进行技术冲突分析

1）针对关键点2进行物理冲突分析（见表5）

表5 关键点2物理矛盾

方案五：根据空间分离原理中的NO.24 借助中介物和NO.07 嵌套原理，在传统井室内部嵌套一个类似垃圾筐的容器，能够容纳通过井盖到达井室内部的垃圾，环卫工人只需更换容器，即可迅速完成清理，解决了清污困难的问题。同时到达井室内部的水流需要透过容器通向排水管，故依据NO.31 多孔材料原理，在容器外壁上设计许多孔洞，方便水能流出，这样就实现了将水和垃圾分隔在两个空间内，解决了该物理矛盾。

4.2.1.3 针对上面得出的关键点3进行技术冲突分析

1）以表格的形式呈现技术矛盾（见表6）

表6 关键点3技术矛盾

2）转换成TRIZ标准冲突

改善的工程参数：24信息损失

恶化的工程参数：39生产效率25时间损失

3）查找矛盾矩阵，得到如下发明原理

NO.13 反向作用、NO.15 动态性、NO.23 反馈、NO.24中介物、NO.28替代机械系统

4）依据发明原理：NO.23 反馈，NO.24 中介物，NO.28替代机械系统得出方案

方案六：为了能让环卫工人迅速知道雨水系统的堵塞情况，可以在容器的底部加装一个重力传感装置，当容器内垃圾重量达到一定数值时就会发出反馈，提醒相关工作人员及时清理。

4.3 技术方案整理与评价

综合上述六个方案，我们得出最终方案（图3）：

图3 改进后的雨水井盖系统内部各组件介绍

在井室内放入带过滤功能的垃圾筐，淤泥等杂物随雨水流入后会留在筐内，当淤泥量达到设定阈值后垃圾筐底部重力传感器发出信号，环卫工人可快速定位作业位置，只需更换干净的垃圾筐放回井室即可。

本文方案从整体入手，将原来孤立的排水系统组件整合成为一个整体，有效解决了排水系统堵塞问题，且简单的结构便于推广。结合大数据建立监控系统可以做到对有积水隐患的位置进行快速反馈，给予环卫工人快速清理的条件，显著提高了作业效率。