基于TRIZ理論的新型驅(qū)蟲驅(qū)鳥器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

王一龍，徐鑫茹，任 怡，歐陽婧璇，郭千楚，辛 穎

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

近年來，國家大力倡導(dǎo)生態(tài)文明建設(shè)，隨著相關(guān)政策的落實(shí)，我國綠植面積逐步恢復(fù)，林業(yè)得到很大程度的恢復(fù)和發(fā)展。隨著林業(yè)的發(fā)展，蟲鳥害問題的嚴(yán)重性也越來越明顯，尤其對果園和防風(fēng)林、固沙林的危害尤為嚴(yán)重[1]，因此解決蟲鳥害問題成為生態(tài)文明建設(shè)中一個重要環(huán)節(jié)。現(xiàn)在市場上已有的驅(qū)蟲驅(qū)鳥器雖種類、功能繁多，但其內(nèi)里和本質(zhì)多大同小異，能源供給（以下簡稱“供能”）多采用充電蓄電池或太陽能電池之一，驅(qū)逐方法則多采用持續(xù)或固定時間發(fā)出噪聲、發(fā)出定頻超聲波或噴灑化學(xué)藥物之一[2]。對于供能，如果采用蓄電池，充電時間會影響裝置的工作且耗費(fèi)人力和時間成本；而如果采用太陽能電池，則受天氣影響較大，尤其是當(dāng)林區(qū)遭受較長時間陰雨天氣時，此缺點(diǎn)就更為明顯。對于驅(qū)逐方法，持續(xù)或固定時間發(fā)出噪聲會造成噪聲污染；發(fā)出定頻超聲波則只能對一類或幾種蟲鳥起到預(yù)期效果，作用范圍局限性大[3]。

目前，將TRIZ理論應(yīng)用于解決現(xiàn)有驅(qū)蟲驅(qū)鳥器所存在問題的研究和研究成果較少，本文針對此領(lǐng)域涉及的問題和矛盾進(jìn)行分析，并提出了一種可行性方案，得到一種基于TRIZ理論的新型驅(qū)蟲驅(qū)鳥器。

1 TRIZ理論概述

TRIZ理論可以追溯到1946年，由蘇聯(lián)科學(xué)家根里奇·阿奇舒勒（Genrich SAltshuller）與同事共同研究并提出，這支團(tuán)隊(duì)認(rèn)為解決問題的過程遵循的原理與法則是一種客觀存在。大多數(shù)發(fā)明存在的技術(shù)層面瓶頸都相近，所針對的矛盾的解決方案在方法本質(zhì)上并無太大差異。根里奇·阿奇舒勒及其團(tuán)隊(duì)在50余年間對數(shù)以百萬計(jì)的文獻(xiàn)和專利進(jìn)行大量、全面的分析研究和歸納，初代TRIZ理論由此建立。TRIZ理論的要旨在于解決設(shè)計(jì)過程中的矛盾和沖突，引入39個通用參數(shù)。在解決實(shí)際問題時，其一般流程和具體步驟如下：需將實(shí)際工程中的矛盾和沖突轉(zhuǎn)化為39個通用參數(shù)，構(gòu)建出TRIZ理論的矛盾矩陣，結(jié)合問題的實(shí)際情況，在40個發(fā)明原理中選擇得到對應(yīng)有效的發(fā)明原理。其解決問題的具體步驟見圖1。

圖1 TRIZ理論解決問題的具體步驟

2 基于TRIZ理論的矛盾分析

2.1 問題描述

為降低蟲害和鳥害對林區(qū)或果園的影響，在林區(qū)或果園常布置驅(qū)蟲驅(qū)鳥器。在供能上，采用充電蓄電池的驅(qū)蟲驅(qū)鳥器會面臨取回電池充電而影響設(shè)備工作、消耗人力時間成本等問題；采用太陽能電池的驅(qū)蟲驅(qū)鳥器會面臨連續(xù)陰雨天氣導(dǎo)致太陽能供電設(shè)備工作異常等問題。在驅(qū)逐方法上，常設(shè)置有噪聲發(fā)生裝置，噪聲驅(qū)逐方法對于大部分鳥類有較好的驅(qū)逐效果，但若持續(xù)或定時發(fā)生噪聲則會造成不必要的能源浪費(fèi)、電池及連接設(shè)備使用壽命縮短和噪聲污染等問題，調(diào)低噪聲響度則難以起到預(yù)期驅(qū)逐效果[4]。

2.2 矛盾分析

矛盾分析是TRIZ理論中的常用工具，可分為物理矛盾和技術(shù)矛盾。物理矛盾是指對系統(tǒng)的同一參數(shù)有不同的要求，主要是針對單個參數(shù)的矛盾[5]。技術(shù)矛盾是指為了改善技術(shù)系統(tǒng)中的某個參數(shù)而導(dǎo)致該技術(shù)系統(tǒng)中的另一個參數(shù)惡化，是兩個參數(shù)之間的矛盾。

在新型驅(qū)蟲驅(qū)鳥器的設(shè)計(jì)過程中，本文通過對供能系統(tǒng)存在的矛盾和噪聲發(fā)生系統(tǒng)存在的矛盾分別進(jìn)行分析，通過構(gòu)造和分析局部矛盾矩陣，再利用TRIZ理論的40個發(fā)明原理尋求到解決本文涉及問題的一種可行方案。

2.2.1 物理矛盾分析

該設(shè)計(jì)中涉及的物理矛盾可定義為：驅(qū)蟲驅(qū)鳥器通常需要不間斷供電進(jìn)行工作；當(dāng)一種供能設(shè)備工作時不能夠提供足夠能量，又需要它停止（間斷）工作以切換供能來源。既需要該供能設(shè)備在戶外實(shí)現(xiàn)全自動供電且不間斷工作，又需要它因自身或外部環(huán)境發(fā)生變化而不能提供足夠能量影響整體設(shè)備工作效率時能夠間斷工作以切換供能來源。

TRIZ理論提出的解決物理矛盾的方法有空間分離、時間分離、條件分離和系統(tǒng)級別分離。根據(jù)該設(shè)計(jì)需要進(jìn)行分析，可選擇條件分離，通過識別何時需要切換供能來源即可解決物理矛盾。在條件分離方法可供選擇的對應(yīng)發(fā)明原理中，可選擇5組合原理（將太陽能供能或充電供能與風(fēng)能供能組合，進(jìn)行多能源供能）[6]。

2.2.2 技術(shù)矛盾分析

該設(shè)計(jì)的技術(shù)矛盾可根據(jù)TRIZ理論的39個技術(shù)參數(shù)進(jìn)行定義：一是欲改善的參數(shù)N38自動化程度（供電系統(tǒng)需要持續(xù)穩(wěn)定供電）與欲惡化的參數(shù)N36系統(tǒng)的復(fù)雜性（供電系統(tǒng)的完善會增加系統(tǒng)復(fù)雜程度）的沖突；二是欲改善的參數(shù)N35適應(yīng)性及多用性（超聲波和噪聲發(fā)生裝置需要服從控制裝置，并在各種戶外條件中工作）與欲惡化的參數(shù)N26物質(zhì)或事物的數(shù)量（控制系統(tǒng)等設(shè)備包含的零部件使得設(shè)備總零部件增加）的沖突；三是欲改善的參數(shù)N39生產(chǎn)率（增強(qiáng)超聲波和噪聲發(fā)生裝置的作用效果）與欲惡化的參數(shù)N22能量損失（超聲波和噪聲持續(xù)發(fā)生會造成能源浪費(fèi)、能量損失、電池及連接設(shè)備使用壽命縮短）的沖突[7]。

定義技術(shù)矛盾后，根據(jù)TRIZ理論的39個技術(shù)參數(shù)中涉及的參數(shù)可以構(gòu)造局部矛盾矩陣，在矛盾矩陣后找出局部矛盾矩陣對應(yīng)點(diǎn)位包括的發(fā)明原理，即可選擇得到滿足設(shè)計(jì)要求的可行方案。局部矛盾矩陣見表1；根據(jù)局部矛盾矩陣得到的可選發(fā)明原理見表2。

表1 局部矛盾矩陣

表2 可選發(fā)明原理

3 新型驅(qū)蟲驅(qū)鳥器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基于矛盾矩陣的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)新型驅(qū)蟲驅(qū)鳥器的設(shè)計(jì)需要，在條件分離方法對應(yīng)發(fā)明原理中選擇5組合原理，并從構(gòu)建的局部矛盾矩陣中選擇10預(yù)先作用原理、28機(jī)械系統(tǒng)替代原理對驅(qū)蟲驅(qū)鳥器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到可行的解決方案。

3.1.1 組合原理

組合原理：在時間上將相同操作或相關(guān)操作進(jìn)行合并。對于供能裝置，需要滿足持續(xù)不間斷地為設(shè)備提供能量的需求，單一的充電蓄電池或太陽能供電系統(tǒng)都難以滿足需求，根據(jù)組合原理，提出兩者或兩者之一與風(fēng)能供電系統(tǒng)組合即可滿足需求[8]。

3.1.2 預(yù)先作用原理

預(yù)先作用原理：預(yù)先對物體（全部或至少部分）施加必要的改變。為使供能系統(tǒng)能夠長期、穩(wěn)定不間斷地為驅(qū)蟲驅(qū)鳥器供能，根據(jù)預(yù)先作用原理，可以預(yù)先在原設(shè)備上裝配充電口充電或在太陽能供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上配備風(fēng)能供電系統(tǒng)，采用多能源供能系統(tǒng)提供電能，使得設(shè)備在風(fēng)雨或其他不利天氣的情況下仍然可以正常工作。

3.1.3 機(jī)械系統(tǒng)替代原理

機(jī)械系統(tǒng)替代原理：用視覺系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)、味覺系統(tǒng)或嗅覺系統(tǒng)代替機(jī)械系統(tǒng)。對于超聲波和噪聲發(fā)生裝置，要求其在工作時既可滿足功能性需求，又可減少能量消耗、延長設(shè)備使用壽命，根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)替代原理，可在設(shè)備上配備聽覺系統(tǒng)來建立聲波識別-反饋機(jī)制，再進(jìn)行超聲波和噪聲發(fā)生，以替代超聲波和噪聲持續(xù)發(fā)生。

3.2 新型驅(qū)蟲驅(qū)鳥器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過構(gòu)建的局部矛盾矩陣得出可行的發(fā)明原理，再根據(jù)可行的發(fā)明原理對驅(qū)蟲驅(qū)鳥器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

新型驅(qū)蟲驅(qū)鳥器的主要結(jié)構(gòu)包括風(fēng)能轉(zhuǎn)化裝置、傳感器、開口槽、超聲波和噪聲發(fā)生裝置、太陽能電池板、中央處理器、霧化口和殼體，見圖2。

圖2 新型驅(qū)蟲驅(qū)鳥器的主要結(jié)構(gòu)

新型驅(qū)蟲驅(qū)鳥器通過位于裝置頂部的風(fēng)能轉(zhuǎn)化裝置與在其下部的太陽能電池板供能，通過傳感器進(jìn)行聲波檢測，獲得外部信息并傳輸給中央處理器，中央處理器接受處理信號后，控制超聲波和噪聲發(fā)生裝置發(fā)出所需超聲波，霧化系統(tǒng)接收到超聲波信號后將藥品霧化并通過霧化口釋放。

4 結(jié)束語

隨著倡導(dǎo)生態(tài)文明建設(shè)的一系列國家政策的執(zhí)行和落實(shí)，我國的綠植面積正逐步恢復(fù)，同時面臨著愈發(fā)明顯的蟲鳥災(zāi)害問題。現(xiàn)有的驅(qū)蟲驅(qū)鳥器在供能系統(tǒng)、超聲波發(fā)生裝置以及噪聲發(fā)生裝置等方面都存在各種問題，本文主要針對其難以實(shí)現(xiàn)戶外條件下持續(xù)不間斷供能，持續(xù)發(fā)射超聲波和噪聲持續(xù)發(fā)生易造成能量損失、聲波污染、設(shè)備壽命縮短等問題，利用TRIZ理論進(jìn)行分析，找到存在的物理矛盾和技術(shù)矛盾，根據(jù)39個技術(shù)參數(shù)構(gòu)造出局部矛盾矩陣，再根據(jù)局部矛盾矩陣中涉及到的發(fā)明原理結(jié)合實(shí)際問題的適用性最終選擇出可行方案，對驅(qū)蟲驅(qū)鳥器進(jìn)行科學(xué)合理改造。本文設(shè)計(jì)的新型驅(qū)蟲驅(qū)鳥器將供能系統(tǒng)改進(jìn)為多能源供能系統(tǒng)，充電供能、太陽能供能及風(fēng)能供能相結(jié)合，提高設(shè)備在戶外工作的適用性；為超聲波發(fā)生裝置和噪聲發(fā)生裝置配備傳感器進(jìn)行聲波識別-反饋，接到反饋信號后裝置才發(fā)生超聲波和噪聲進(jìn)行工作，降低了能耗，延長了設(shè)備壽命。其適用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，具有廣闊的市場前景。