王一龍，徐鑫茹，任 怡，歐陽婧璇，郭千楚，辛 穎

（東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

近年來，國家大力倡導生態(tài)文明建設，隨著相關政策的落實，我國綠植面積逐步恢復，林業(yè)得到很大程度的恢復和發(fā)展。隨著林業(yè)的發(fā)展，蟲鳥害問題的嚴重性也越來越明顯，尤其對果園和防風林、固沙林的危害尤為嚴重[1]，因此解決蟲鳥害問題成為生態(tài)文明建設中一個重要環(huán)節(jié)?，F(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，尤其是當林區(qū)遭受較長時間陰雨天氣時，此缺點就更為明顯。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期效果，作用范圍局限性大[3]。

目前，將TRIZ理論應用于解決現(xiàn)有驅(qū)蟲驅(qū)鳥器所存在問題的研究和研究成果較少，本文針對此領域涉及的問題和矛盾進行分析，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)科學家根里奇·阿奇舒勒（Genrich SAltshuller）與同事共同研究并提出，這支團隊認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·阿奇舒勒及其團隊在50余年間對數(shù)以百萬計的文獻和專利進行大量、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計過程中的矛盾和沖突，引入39個通用參數(shù)。在解決實際問題時，其一般流程和具體步驟如下：需將實際工程中的矛盾和沖突轉(zhuǎn)化為39個通用參數(shù)，構建出TRIZ理論的矛盾矩陣，結合問題的實際情況，在40個發(fā)明原理中選擇得到對應有效的發(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)陰雨天氣導致太陽能供電設備工作異常等問題。在驅(qū)逐方法上，常設置有噪聲發(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、電池及連接設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]。技術矛盾是指為了改善技術系統(tǒng)中的某個參數(shù)而導致該技術系統(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)鳥器的設計過程中，本文通過對供能系統(tǒng)存在的矛盾和噪聲發(fā)生系統(tǒng)存在的矛盾分別進行分析，通過構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

該設計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行工作；當一種供能設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。既需要該供能設備在戶外實現(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)該設計需要進行分析，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能供能組合，進行多能源供能）[6]。

2.2.2 技術矛盾分析

該設計的技術矛盾可根據(jù)TRIZ理論的39個技術參數(shù)進行定義：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)的復雜性（供電系統(tǒng)的完善會增加系統(tǒng)復雜程度）的沖突；二是欲改善的參數(shù)N35適應性及多用性（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)等設備包含的零部件使得設備總零部件增加）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、能量損失、電池及連接設備使用壽命縮短）的沖突[7]。

定義技術矛盾后，根據(jù)TRIZ理論的39個技術參數(shù)中涉及的參數(shù)可以構造局部矛盾矩陣，在矛盾矩陣后找出局部矛盾矩陣對應點位包括的發(fā)明原理，即可選擇得到滿足設計要求的可行方案。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)鳥器的結構設計

3.1 基于矛盾矩陣的設計方案

根據(jù)新型驅(qū)蟲驅(qū)鳥器的設計需要，在條件分離方法對應發(fā)明原理中選擇5組合原理，并從構建的局部矛盾矩陣中選擇10預先作用原理、28機械系統(tǒng)替代原理對驅(qū)蟲驅(qū)鳥器進行優(yōu)化設計，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操作進行合并。對于供能裝置，需要滿足持續(xù)不間斷地為設備提供能量的需求，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能供電系統(tǒng)組合即可滿足需求[8]。

3.1.2 預先作用原理

預先作用原理：預先對物體（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)預先作用原理，可以預先在原設備上裝配充電口充電或在太陽能供電系統(tǒng)的基礎上配備風能供電系統(tǒng)，采用多能源供能系統(tǒng)提供電能，使得設備在風雨或其他不利天氣的情況下仍然可以正常工作。

3.1.3 機械系統(tǒng)替代原理

機械系統(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、延長設備使用壽命，根據(jù)機械系統(tǒng)替代原理，可在設備上配備聽覺系統(tǒng)來建立聲波識別-反饋機制，再進行超聲波和噪聲發(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)鳥器總體結構設計

通過構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)鳥器進行創(chuàng)新設計。

新型驅(qū)蟲驅(qū)鳥器的主要結構包括風能轉(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)鳥器的主要結構

新型驅(qū)蟲驅(qū)鳥器通過位于裝置頂部的風能轉(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 結束語

隨著倡導生態(tài)文明建設的一系列國家政策的執(zhí)行和落實，我國的綠植面積正逐步恢復，同時面臨著愈發(fā)明顯的蟲鳥災害問題?，F(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、設備壽命縮短等問題，利用TRIZ理論進行分析，找到存在的物理矛盾和技術矛盾，根據(jù)39個技術參數(shù)構造出局部矛盾矩陣，再根據(jù)局部矛盾矩陣中涉及到的發(fā)明原理結合實際問題的適用性最終選擇出可行方案，對驅(qū)蟲驅(qū)鳥器進行科學合理改造。本文設計的新型驅(qū)蟲驅(qū)鳥器將供能系統(tǒng)改進為多能源供能系統(tǒng)，充電供能、太陽能供能及風能供能相結合，提高設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)生超聲波和噪聲進行工作，降低了能耗，延長了設備壽命。其適用范圍廣，結構簡單，具有廣闊的市場前景。