科学技术发明易与自然规律发现难

 岳中琦

有人用单个发明专利的技术价值、经济价值、引领创新或创新水平来解释、评价和衡量专利的质量。我赞同这些指标，它们是合情合理的。但是，它们不是根本性指标。我认为，一个发明专利质量的根本性指标是，它是否带来了任何科学规律的发现，特别地，能否带有任何一条具普遍意义的自然规律。可以肯定，科技之所以能到发展与进步现在的水平，就是因为有大量这样的、自带有科学规律和揭示自然现象的众多科技发明案例。例如，伽利略1609年发明了人类历史上第一台天文望远镜。这个发明使得人类首次观测到了月球表面细节、发现了木星的四颗卫星。木星四颗卫星的发现为哥白尼学说找到了新的证据。

四百年过去了！人类已经发现或找到了大量的科学现象、规律和方法。因此，科技发明变得越来越容易了！特别地，现在国家科技研究投入的资金充裕，发明专利申请数量自然就越来越多！

但是，用发明的技术来发现科学规律却变得越来越难了。含科学规律的高质量的发明专利应该有，但是绝不会很多。再例如，一百年来，世界各国不少从事地震预测的科技人员，发明了不少地震预测的仪器和方法，也进行了长期的观测实践。但是，这些发明的技术还是没有发现令人信服的自然规律，来预测临震。因此，在众多的科技发明专利中，应该仅有极少部分的发明能够带来科学规律的发现或找到具普遍意义的自然规律。这是理所当然，也就造成了发明质量被忽略的原因之一。

以下介绍一个案例，希望它能给众多的科技发明工作者一点启发。

大家知道，在地质科学与工程中，用钻具在岩土地质体中旋转（和冲击）钻出一个小孔是一项最常见的、最具历史性的、最重要的任务。据说，华夏人民在5000年前就发明和使用了钻孔（井）技术。同时，人们早已认识到向地内钻孔过程是同地质岩土体力学性质密切相关的。钻孔本身是一种对岩土力学性质的破坏性测试。但是，直到今天，钻孔本身还不是一种纳入任何国家的原位测试岩土体力学强度（质量）的规范方法!

什么原因呢？

图1表示了，英国、法国、意大利、加拿大、美国和日本在1990年代钻孔钻进深度与时间自动测量的研究成果。这些相关研究成果都存在一个严重共同缺陷：测量数据（主要是钻进速度）混乱！

瑞典Lulea University of Technology采矿与岩土工程专业的H.Schunnesson教授在1998发表的论文指出，“尽管过去十多年来，在钻孔监测硬件领域已经见到了明显优势和主要成就，但是，就钻具制造商和独立公司两者而言，这个方法至今没有成为地下工业的标准勘察工具。一个主要障碍就是数据分析。Despite the obvious advantages and the major achievements that have been seen in the field of drill monitoring hardware over the last decade, both among drill manufactures and independent companies, the method has not become a standard investigation tool in the underground industry. A major obstacle is the analysis of data.”换句话讲，应用发明的测量仪器，他们没有发现或找到科学规律。因此，他们难以将这个方法写进任何勘察规范。这就造成了到今天，钻孔本身不是岩土体力学强度勘察方法的现状。

新的发明带来了自然规律的发现

20年前，即1996年4月，我来到了香港，参加了山泥倾泻灾害防治工程。在斜坡土钉加固现场，我看到了施工人员用旋转冲击钻机来极其快速地在山坡土石体中钻出大量直径100毫毛、深度5到40米的细长孔，以放置土钉和水泥浆。感到这种钻孔过程能再被利用，成为勘测土石体力学强度沿孔深的分布。因此，自1998年以来，我提出并积极从事了，对土钉成孔钻机和探土取芯钻机的全部钻孔过程进行实时自动数字监测的研究课题。在土木工程系技术人员和研究生的协助下，我们成功地研制出了钻孔过程数字监测仪（DPM）。它可自动地、客观地、连续不断地记录和监测钻孔或钻探的全部动力和运动过程。它在2013年获得美国发明专利，2005年获得了中国和香港的发明专利（图2）。

我对DPM测量得到的大量原始时空数据进行了深入分析。在这基础上，我提出、提炼了钻孔过程时空数据的快速直观时间序列分析方法。从而，我发现了一条新的科学规律：钻头进深随时间曲线呈分段线性变化，每段钻进速度是常数，每一常数钻速段代表一个均匀抗钻岩石(岩块)，常数钻速之间的突变点或低钻速段分别为钻孔穿过岩块间断面的截点或截段（图3）。

同行对DPM的评审

帝国理工大学John B. Burland教授（CBE，FREng，FRS）在2002年11月给香港特别行政区政府土力工程处完成的《香港土钉加固边坡的可靠度评审书》中认为DPM可用于品质检验，揭示钻孔长度和得到关于地下条件有价值的指示物。帝国理工大学John A. Hudson 教授（BSc, PhD, DSc, FREng），时任国际岩石力学和采矿学报（IJRMMS）的主编和后任国际岩石力学学会主席，在对2004年发表的DPM论文的亲笔评审信中，写到“科学看起来好，The science looks good”。香港特区政府土力工程处在2003和2004年对 DPM进行了独立评审。他们用DPM在一个土钉加固边坡工程中监测了111个7至13米深的土钉钻孔全过程，独立地对DPM数据进行了分析。土力工程处在评审报告书TN 3/2004写到“the ground conditions inferred by the DPM, as presented in Section 4, are considered to be reasonably valid.”陈祖煜院士等在2005年3月出版的《岩之边坡稳定分析-原理、方法、程序》专著中，介绍了DPM，且指出DPM“代表了一个正确地进行边坡稳定分析和加固设计的方向”。

香港媒体的报道

香港报刊《星岛日报》、《经济日报》和《明报》在2003年6月21日对DPM的发明和作用作了报道，香港有线新闻有限公司将DPM作为有线新闻台节目在2006年4月22日全天进行了电视新闻报道。

DPM 消除了传统方法的共同缺陷

在研究DPM同时，我也分析了，前述的国际随钻测量钻进速度数据混乱的共同缺陷的原因。他们发明的监测技术采用了，按给定深度间隔（5， 10，25，50，100 或 300 mm），来选择性地纪录各种钻探运动学和动力学数据。再利用给定深度间隔除以钻入这个深度所需的时间，来计算钻进速度。它是一种程时差分扩扰法。以下8条因素导致了，他们计算得到的钻进速度结果随深度无规律变化。

1）用预先钻进深度数据采集丢失了钻孔全过程数据；2）用于钻进每个采集深度的总时间可能不等于钻进这段深度的纯钻时间，可能包含有钻机其他辅助性操作过程所用时间；3）预先所设的钻进采集深度可能含有结构面或软弱带，因此不能测到突然变化地层和岩体界面，造成钻进速度不规则变化；4）不同的预先设定采样深度能够造成不一样的钻速和钻速变化；5）钻机钻具钻杆和地面的强力振动可导致不正确的深度测量。不同钻机的这些振动可能不一样。不同地面条件，也可能不一样；6）振动振幅可能较小，但是速度变化极大，且这些变化是随机的；7）钻机的输出功率可能不稳定，随深度可能变化；8）上述随机变化因素在不同力学性质的岩石中，在不同质量的岩体中，可能呈现不一致的作用和变化。

DPM 采用了瞬态实时纪录各种钻探运动学和动力学数据。它是一种时程累积除扰法。因此，它消除了这8因素，不存在这个钻进数据（速度）混乱的问题。相反，它发现了钻进速度分段常数的规律！这条钻进速度规律是与岩土地质体分块、分层、或分区域均匀分布的自然现象是完全一致的，因为同一钻机，用同一钻头，在同一均匀地质岩土体中的钻进速度本就应该是个常数。

DPM 前景

因此，DPM技术的发明、DPM科学规律的发现和DPM方法的建全，将会使得DPM成为世界岩土工程界第一种，适用于各种软硬岩土体的、通用的、常规的现场力学强度和分布测量方法。同时，DPM将会提升或改进，许多目前还仅用于工程与生产性钻孔的钻机，为原位测量岩土体强度与分布的探测工具。DPM将十分有益于现场勘探,岩土工程设计、校核和变更，施工管理以及质量控制。业主、设计工程师、施工管理和监督人员和施工人员等可根据各自的目的和要求来使用DPM。

主要DPM论文

Yue ZQ,Lee CF, Law KT, Tham LG, 2004.Automatic monitoring of rotary-percussive drilling for ground characterization– illustrated by a case example in Hong Kong, International Journal of Rock Mechanics & Mining Science, 41: 573-612.

岳中琦,2014. 钻孔过程监测(DPM)对工程岩体质量评价方法的完善与提升，《岩石力学与工程学报》，第33卷第10期：1977-1996。

2016年4月30日16:30写成于香港大学黄克競楼办公室