专利数据辅助的新产品概念设计方案生成方法

杨雯丹 ,曹国忠+

(1.河北工业大学 机械工程学院,天津 300401;(2.河北工业大学 国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心,天津 300401)

1 问题的描述

新产品开发过程分为创意开发、产品开发和市场开发3个阶段[1],如图1所示。创意开发阶段的主要任务是将产生新产品的想法通过技术现状分析和可行性评估转化为具有详细说明的设计任务。产品开发阶段的主要任务是通过概念设计将上一阶段输入的设计任务转化为技术原理逐渐清晰的概念设计方案,并通过详细设计与制造形成结构与外形逐渐清晰的产品。市场开发阶段的主要任务是将产品变成能盈利的商品。其中,概念设计方案决定了新产品的基本特征,体现了产品设计中的创造性思维,因此概念设计方案生成方法的研究一直是新产品开发领域的重要研究内容[2]。

图1 新产品开发过程[1]

专利数据作为激发设计人员获得创新灵感和设计思路的知识资源,与概念设计方案的生成关系密切[3]。针对如何合理、高效地利用专利数据,以辅助概念设计方案的生成,相关研究主要集中在以下两个方面:支持概念设计方案生成的技术机会识别方法研究和概念设计方案技术特征获取方法研究。

技术机会识别方法的相关研究重点关注如何从专利数据中识别新兴技术、研发热点、研发空白或技术融合趋势,为新产品概念设计方案的生成提供技术规划和创新激励。杜尊峰等[4]综合运用专利申请量、申请人和技术领域分布等信息,提出识别海洋工程装备领域新兴技术的方法,制定了开发半潜式平台、自升式平台和浮式生产储卸装置等新产品的建议。苗红等[5]基于专利引用数据确定了领域技术发展路径,识别了领域的主要技术、热点技术和新兴技术作为新产品的核心技术。CHOI等[6]基于专利技术细节构建了网络化专利地图,结合复杂网络技术识别了新产品的通用技术和关键技术。WANG等[7]开发了一种定位专利文献集合中离群专利的方法,识别了新产品的核心技术。王巍洁等[8]研究了基于专利技术特征与功能效果的技术功效矩阵,指出进一步发展矩阵中空白区域的技术主题可形成新产品的新应用技术。YOON等[9]开发了一种基于专利技术相似性的专利地图,提出将地图空白区域周边的专利技术进行融合可形成新产品的应用技术。KIM等[10]开发了一种基于专利引文数据和技术相似性的专利网络,提出可通过衡量专利集群之间的连通性和技术相关性识别具有高度融合潜力的专利对,形成新产品的新应用技术。支持概念设计方案生成的技术机会识别方法研究,从专利数据中挖掘了辅助生成新产品概念设计方案的核心技术、外围技术和衍生技术等,在一定程度上解决了缺乏新产品应用技术检索来源的问题,但仍存在提供的设计知识多表现为宏观抽象的创新方向、缺少确定新产品功能的设计知识和识别的应用技术没有与新产品功能相匹配等,而导致应用技术可用性低,难以辅助设计人员有效形成概念设计方案。

技术特征获取方法的相关研究重点关注如何将专利技术中的技术特征作为当前设计问题的解决方案,以提高新产品概念设计方案的生成效率,形成了基于类比的专利设计知识重用方法和基于TRIZ理论的专利规避设计方法两个研究方向。

(1)基于类比的专利设计知识重用方法首先利用文本挖掘技术提取专利文本中的设计知识,接着通过指标评价法、相似度算法等识别与当前设计问题最相关的知识,以辅助生成新的概念设计方案。例如,李少波等[11]基于关键词统计分析算法从成熟专利技术中提取了解决方案,接着通过重要性和满意度评价识别了可作为类比源的专利知识用于实现新产品的相似功能。CHOI等[12]基于主体-行为-客体三元结构提取技术构建了一个适用于功能导向搜索的专利知识库,基于该知识库设计人员可从中找到新设计问题的现有解决方案。LIU等[13]综合运用了句法分析、WordNet和词向量技术提取了国际专利分类表中的功能、效应和应用领域等知识,然后给出了使用这些知识解决跨领域设计问题的方法。基于类比的专利知识重用方法,通过引入自然语言处理技术,能实现对大规模专利文本的分析,进而利用更广泛的多学科、跨领域设计知识解决当前技术领域的问题,提升新产品概念设计方案的新颖性和创造性,但相关研究多集中于研究文本挖掘方法或设计知识的表示与应用方法,较少涉及专利文本数据的前期评价,导致作为类比源的设计知识在功能实现方面的针对性和可用性不强。

(2)基于TRIZ理论的专利规避设计方法首先依据专利规避原则对具有潜在侵权风险的专利技术进行规避,然后针对规避后出现的新设计问题引入TRIZ理论中的问题解决工具形成新的概念设计方案。例如,江屏等[14]设计了融合专利规避原则和TRIZ理论中裁剪方法的专利规避设计流程。李辉等[15]进一步引入了TRIZ理论中的技术系统进化定律、效应分析、资源分析等工具提出基于制度与技术双重约束的专利规避过程模型。基于TRIZ理论的专利规避设计方法能辅助设计人员高效、快速地形成具有自主知识产权的概念设计方案,但当前方法主要针对单篇专利文献或目标专利集合,更适用于面向即有产品优化的概念设计方案生成,需要结合前期专利检索和筛选技术以适应新产品开发任务。

综上所述,基于专利数据的新产品概念设计方案生成相关研究在应用技术识别和技术特征获取等方面取得了众多研究成果,但仍缺乏辅助新产品功能描述、分解及创新的设计知识,且存在功能实现技术检索结果可用性不高、难以有效生成概念设计方案的问题。另外,当前研究还缺少综合利用多类型专利数据,提取新产品概念设计方案生成过程不同阶段所需的特定专利知识的研究。从目前搜集到的以专利数据为研究对象的资料来看,专利数据可分为国际专利分类表、专利文献集合统计数据和专利文献文本数据3种类型,但当前研究多为单一专利数据源驱动的辅助设计方法,较少考虑多类型专利数据综合应用的优势。如表1所示为3种不同类型专利数据的特点和适用场景。鉴于此,本研究以国际专利分类表、专利文献集合统计数据和专利文献文本数据为研究对象,以提取辅助新产品概念设计方案生成过程中的功能描述及分解、功能实现技术确定和技术特征获取所需的不同设计知识为目标,提出一个专利数据辅助的新产品概念设计方案生成方法。首先,使用文本相似度算法在国际专利分类表的分类号释义中检索与设计任务相关的设计知识,辅助描述新产品的主功能,并基于C-K理论将国际专利分类表中的设计知识视为K空间中的元素,新产品的子功能视为C空间中的元素,利用元素间的转化辅助分解主功能。接着,依据专利文献集合统计数据分析新产品功能实现技术的成熟度,结合功能创新策略,确定新产品的功能创新方向,并在此基础上提取专利文献集合中的共现分类号,分析专利技术的多功能特征,通过预测集成功能实现新产品功能创新。最后,应用专利文献跨域特征分析模型,量化专利技术的知识广度和流动性,辅助优选功能实现技术,并应用语义解析技术提取专利文献文本数据中的技术特征,辅助生成新产品概念设计方案。

表1 不同类型专利数据的特点及适用场景对比

2 专利数据辅助的新产品概念设计方案生成框架

专利数据辅助的新产品概念设计方案生成框架如图2所示,该框架描述了基于国际专利分类表的功能描述及分解过程、基于专利文献集合统计数据的新产品功能创新过程、基于专利文献集合统计数据的功能实现技术优选过程和基于专利文献文本数据语义解析的概念设计方案技术特征获取过程。

图2 专利知识辅助的新产品概念设计方案生成框架

本文第3章主要介绍基于国际专利分类表的新产品功能描述及分解过程,首先构建国际专利分类表设计知识库,然后使用文本相似度算法检索知识库中与新产品设计任务相关的分类号释义,辅助描述新产品的主功能,接着引入C-K理论将下级分类号释义类比为新产品的子功能,辅助完成新产品主功能分解。

第4章主要介绍基于专利文献集合统计数据的新产品功能创新过程,首先结合专利技术成熟度分析和功能创新策略,确定新产品的功能创新方向,然后通过分类号共现分析,确定新产品的集成功能,辅助实现新产品功能创新。

第5章主要介绍基于专利文献集合统计数据的功能实现技术优选过程,首先基于专利文献跨域特征分析模型区分领域内专利技术和跨域专利技术,接着引用技术领域融合度的概念,基于专利技术的知识广度和流动性优选功能实现技术。

第6章主要介绍基于专利文献文本数据的概念设计方案技术特征获取过程,首先通过对专利独立权利要求进行语义解析提取专利技术的技术特征,接着引入TRIZ理论中的关系型功能模型,通过类比设计将专利技术的技术特征转化为新产品概念设计方案的技术特征,最终组合生成新产品概念设计方案。

3 基于国际专利分类表的新产品功能描述及分解

当前辅助描述和分解新产品功能的设计知识多来源于设计人员长期积累的工程经验,缺少客观、系统的设计知识。本文构建国际专利分类表设计知识库(International Patent Classification Knowledge Database, IPCKDB),提出基于IPCKDB的功能描述及分解方法。

3.1 国际专利分类表设计知识库构建

3.1.1 国际专利分类表中的设计知识分析

为便于专利文献的管理和检索,专利说明书的扉页给出了专利文献的国际专利分类号。由于每个分类号都有对应的分类号释义对其代表的技术主题进行解释,因此通过分类号释义可获知专利文献的技术主题。国际专利分类表(International Patent Classification, IPC)是管理所有分类号及其释义的工具,它将所有分类号及其释义组织在一个包含部、大类、小类、大组和小组的树形层次结构中[16]。也就是说,IPC中的分类号释义不仅包含了产业整体技术空间所涉及的几乎所有技术主题,而且依据其在树形层级结构中所处的上下级层次,可从宏观、中观和微观等多个层次对产业整体技术空间进行分析。

进一步分析分类号释义和相关研究发现,IPC的“小类”级释义中包含与系统或设计任务相关的设计知识,“组”级释义包含与行为或结构相关的设计知识,且IPC树形层次结构体现了以上设计知识的从属关系和并列关系[17]。鉴于此,本文提出从IPC的“小类”级释义中提取设计知识,辅助描述新产品的主功能,并通过查询“小类”包含的“组”级释义,从中提取系统结构分解知识和系统行为分解知识,辅助分解主功能。

3.1.2 国际专利分类表设计知识库构建

为便于IPC中设计知识的检索和管理,有必要构建一个IPCKDB。IPCKDB包含小类号数据、大组号数据和小组号数据,共78 343条,其构建过程如下:

(1)第一阶段:对IPC的原始数据进行预处理,为设计知识的提取奠定基础。IPC的原始数据是从国家知识产权局网站(https://www.cnipa.gov.cn)收集的。其中,分类号释义中还包含了与本研究无关的参考信息和日期组成,需删除。

(2)第二阶段:从分类号释义中提取关键词作为辅助新产品功能描述的设计知识。分类号释义中的动词可表示产品功能,名词可表示产品结构[13]。因此,可提取分类号释义中的动词作为功能类设计知识,名词作为结构类设计知识。为使提取过程更高效,操作性更强,可使用哈尔滨工业大学社会计算与信息检索研究中心开发的面向中文文本的自然语言处理技术平台(Language Technology Platform,LTP)[18],对分类号释义作分词、词性标注和停用词处理等操作。设计知识提取结果如表2所示。

表2 国际专利分类表中的设计知识提取结果

(3)第三阶段:使用树形存储方式对国际专利分类表中的设计知识进行存储,构建IPCKDB。为实现依据上级设计知识快速检索下级设计知识,可使用树形存储方式中的孩子表示法[19]构建IPCKDB。IPCKDB将每个小类的下级大组排列起来,看成是一个线性表,以单链表作存储结构。大组的下级小组也用同样的方式存储。然后将所有分类号及其设计知识按顺序存储方式存放进一个列表中。对于要查找某个小类的一个或多个下级设计知识,只需要查找该小类的单链表即可。

3.2 基于IPCKDB和文本相似度的新产品主功能描述

构建完IPCKDB,即可获得一个由产业整体技术空间专业术语构成的设计知识库。通过在IPCKDB中检索与设计任务相关的设计知识,可获得描述新产品主功能的专业术语。本文提出一种基于文本相似度的从IPCKDB中检索辅助描述新产品主功能设计知识的方法,详细过程如下:

(1)第一阶段:设计任务的规范化描述。设计人员可参考文献[20]提出的系统功能描述规则对设计任务进行抽象化表达。系统功能描述规则包括:

1)“动词+名词”。设计任务为“通过外界环境向系统输入资源或系统向外部环境输出资源导致系统的变化”。例如,“吸收气体”“发出声音”和“切割管材”等。

2)“动词+名词1+和+名词2”。设计任务为“改变两个或多个物质之间的关系”。例如,“分离蛋黄和蛋白”“连接螺塞和容器”和“混合溶剂和溶液”等。

3)“动词+名词+的+参数”。设计任务为“改变物质的参数”。例如,“提升物体高度”“降低液体温度”和“控制气体压强”等。

为避免设计人员用词过于随意,可参考文献[21-22]给出的适用于机械和机电领域的功能基、操作集、流集和属性集,对适用于设计任务规范化描述的动词、名词和参数进行约束。

(2)第二阶段:使用文本相似度算法计算设计任务与设计知识的相似度。计算步骤如下:

1)将IPCKDB中的专业术语组合成一个新的语料库,并基于Bag-of-Words(BoW)模型[23]构建字典。字典可表示为

式中x为IPCKDB中专业术语的数量。

2)依据分类号的功能类设计知识和结构类设计知识,将每个分类号表示为一个x维向量。可依据字典中的专业术语是否出现在分类号释义中,将该分类号表示为一个只含0,1元素的向量,是记为1,否则为0。第n个分类号向量表示为

ipcn=[ipcn1,ipcn2,…,ipcni,…,ipcnx]。

3)依据设计任务规范化描述中的用词,将其表示为一个x维向量。

task=[task1,task2,…,taski,…,taskx]。

4)计算task与每个分类号向量的相似度。常用的向量相似度算法包括欧式距离算法、余弦距离算法和余弦相似度算法等。由于余弦相似度算法更适用于高维正空间,此处推荐使用余弦相似度算法。task与第n个分类号的相似度可表示为

(3)第三阶段:按相似度从大到小的顺序依次分析分类号的功能类设计知识和结构类设计知识,选取其中的专业术语作为描述新产品主功能的元素,同时记录相应的分类号作为后续检索功能实现技术的依据。

3.3 基于IPCKDB和C-K理论的主功能分解

分类号的下级分类号释义中包含了系统结构分解知识和系统行为分解知识,因此确定了主功能对应的分类号后,通过查询相应下级分类号的设计知识,可获得辅助分解新产品主功能的专业术语。为规范新产品主功能的分解过程,引入C-K理论[24],提出基于IPCKDB和C-K理论的新产品主功能分解模型,包括子功能空间(F空间)和IPC设计知识空间(K空间),如图3所示。K空间的设计元素定义如下

图3 基于IPCKDB和C-K理论的新产品主功能分解模型

Ki={kn,gi},i=1,2,…,n。

式中:kn表示在初始条件下主功能对应的分类号;gi表示分类号下级组号中的设计知识。

F空间的设计元素定义如下

Fi={pi,fi},i=1,2,…,n。

式中:pi表示产品的结构或行为,fi表示子功能。

从F空间(K空间)到K空间(F空间)的元素转化主要通过以下4个算子操作来实现:

(1)判断:判断功能是否需要分解,若需要,则进行其他算子操作;否则,结束。

(2)知识扩展:将下级分类号的设计知识作为K空间中的新元素。

(3)知识类比:依据K空间中的新元素确定与新产品主功能相关的产品结构或产品行为,作为F空间中的新元素。该操作起始于分类号下级组号中的设计知识gi,终止于新产品的产品的结构或行为pi。设计知识的选取可依据分类号下级组号的释义与新产品的设计任务书中要求的功能需求、性能需求的相似性选取。

(4)功能分解:将F空间中的新元素作为辅助分解新产品主功能的设计知识,衍生出新产品的子功能。该操作描述功能树的构建过程,依据K空间中设计知识的层次关系,将子功能连接为树形结构。

利用以上算子操作,可将新产品的主功能分解为子功能,并依据K空间中元素的树形层次结构生成新产品的功能树。同样,相应的分类号将作为后续检索功能实现技术的依据。

4 基于专利文献集合统计数据的新产品功能创新

功能创新技术是提升产品整体性能和价值的有效手段,包括功能进化、功能组合以及功能失效分析等[22]。其中,功能组合根据产品的既定目标,将具备组合特性和满足优化目标的功能要素按照一定的关系集成并优化。本文将依据专利文献集合统计数据分析新产品的功能实现技术成熟度,确定新产品的功能创新方向, 然后依据专利文献的共现分类号分析专利技术的多功能特征,预测新产品的集成功能,实现新产品功能创新。

4.1 基于专利技术成熟度分析的功能创新方向确定

文献[22]提出了面向功能创新的5个功能组合方案,可作为新产品的功能创新方向。为辅助设计人员确定新产品的功能创新方向,需明确不同功能组合方案的实施条件。文献[25]研究了当产品处于不同技术生命周期阶段时,企业应采取的集成创新模式。基于以上研究成果,本文以专利文献为研究对象,将专利文献视为实现新产品子功能的技术,依据专利文献年申请量的统计特征,推理可知功能实现技术所处的生命周期阶段[26],接着依据文献[25]中所述创新策略的实施条件和文献[22]中所述功能组合方案,给出新产品功能创新方向及其实施条件(如表3)。

表3 新产品功能创新方向及实施条件

(1)若实现基本功能的专利技术处于婴儿期或成长期前期,可为基本功能添加辅助功能作为新产品的功能创新方向;

(2)若实现基本功能的专利技术处于退出期,可添加新功能与该基本功能集成,形成实现新的基本功能的技术,作为已有技术的替代技术,形成新产品的功能创新方向;

本文以《明史》中的《宰辅 年表》［2］（卷109、110，宰辅年表一、二）为主要研究对象。注意到其中存在错误，学界已有人进行了订正，例如胡丹的《〈明史·宰辅年表〉校正〉》［3］。本研究结合《明史》中的其他内容及《明实录》等进行了校勘。

(3)若实现辅助功能的专利技术处于成长期后期或退出期,可将该辅助功能调整为基本功能,作为新产品的功能创新方向;

(4)若实现辅助功能的专利技术处于成长期前期,添加新功能与该辅助功能集成,形成实现新的辅助功能的技术,将作为新产品的功能创新方向。

值得注意的是,在对实现特定功能的专利文献集合进行计量分析前,设计人员需首先依据功能实现必要性,将上一阶段确定的产品功能分为基本功能和辅助功能,然后结合功能实现技术所处的生命周期阶段和专利文献集合的统计特征,确定新产品的功能创新方向。

4.2 基于共现分类号和链路预测算法的集成功能预测

接下来需要为功能创新方向确定功能元素。一篇专利文献描述的专利技术可能实现多个功能、具有多项关键技术特征,因此一篇专利文献可能被归类在多个分类号下。这些共同出现在同一篇专利文献扉页上的分类号被称为共现分类号。由于从分类号释义中可提取功能类设计知识,通过分析共现分类号,可识别实现多功能的专利文献。进一步,从实现新产品功能的专利文献集合中提取共现分类号,分析共现分类号释义中的功能类设计知识,可辅助确定新产品的集成功能,作为功能创新方向的功能元素。当前有关共现分类号的研究,常使用以分类号为节点、共现关系为边的分类号共现网络作为分析工具,以评估产业融合的紧密程度[27]、分析技术融合的结构[28]或预测技术融合趋势[29]。因此,本节引入分类号共现网络,使用链路预测算法自动推荐共现分类号给设计人员,辅助预测集成功能,为功能创新方向确定功能元素。详细过程如下:

(1)第一阶段:构建分类号共现网络。共现网络的详细构建步骤如下:①从专利文献集合中提取共现分类号,并做去重处理;②将提取自同一篇专利文献的共现分类号两两组合形成以元组形式存储的共现关系;③依据共现关系构建N维共现矩阵,其中,N为共现分类号的数量,矩阵中的数字为行列对应分类号在专利文献集合中共现的次数;④将共现矩阵作为网络结构的邻接矩阵构建共现网络。网络中节点为分类号,连边为分类号之间的共现关系。分类号共现网络可表示为G=(V,E,W)。其中:V表示分类号集合,V={vN};E表示依存关系集合,E={eij=(vi,vj)│vi,vj∈V};W表示共现关系的权重集合W={wij},wij是边eij的权重。如图4所示为分类号共现网络的构建过程。

图4 分类号共现网络的构建过程

1)构建节点特征向量,提取分类号共现网络的特征。基于图嵌入学习的节点特征向量构建方法,由于不需要手动提取节点特征,更适合于处理大型网络结构[30]。该方法通过节点随机游走的方式,对图中所有的节点进行全面采样,进而将分类号共现网络的图结构转化为向量数据。其实现过程如下:①选择一个初始节点;②随机从众多相邻节点中选择一个成为下一步到达的节点;③循环执行②,直到生成的序列符合预先指定的长度;④选择另一个节点作为初始节点,循环执行②和③,直到网络中N个节点均被选择,生成N个指定长度的序列;⑤参考文本分析的技术,将生成的节点序列类比为文本单句,可以使用Skip-Gram算法生成节点的特征向量。

由于该阶段需要检索“多样化”的分类号,推荐使用有偏的节点随机游走的算法Node2vec,游走策略选择宽度优先搜索。即,在步骤②中选择下一步达到的节点时,倾向于选择远离初始节点的节点。

2)使用节点特征向量的相似度作为分类号共现关系的权重。其中,权重更大的共现关系表明两个分类号共现的概率更大。节点i的特征向量与节点j的特征向量相似度可表示为

3)以子功能对应的分类号为基准分类号,将包含基准分类号的共现关系按权重从大到小的顺序作为预测结果。

(3)第三阶段:依据预测结果提取共现分类号,将共现分类号的功能类设计知识和结构类设计知识推荐给设计人员,作为预测集成功能的设计知识,以辅助确定功能创新方向的功能元素。

5 基于专利文献集合统计数据的功能实现技术优选

跨域专利技术的应用能在有效应用已有专利技术的同时形成具有自主知识产权的核心技术[31]。但并非所有的跨域专利技术都能有效解决目标领域的设计问题。一方面,将尚未应用于目标领域的专利技术作为设计刺激提供给设计人员,可以辅助生成更新颖、更多样的解决方案[32];另一方面,已应用于目标领域的外域专利技术,由于在目标领域具有更丰富可靠的技术基础,可以更有效地转化为目标领域的解决方案[33]。因此,优选功能实现技术应当综合考虑专利技术的跨域特征和可用性。本文使用专利文献跨域特征分析模型,引入技术领域融合度的概念量化专利技术的可用性,提出基于知识广度和流动性的功能实现技术优选方法。

5.1 专利文献跨域特征分析模型

为使专利文献的技术领域划分结果与实际企业经济活动更相符,SCHMOCH[34]将小类号按国际标准产业分类重新归类为5个产业部门、34个技术领域,创建了小类号与国际标准产业分类匹配表(IPC-ISIC)。在此基础上,JEONG等[28]基于IPC-ISIC构建了一种专利文献跨域特征分析模型,如图5所示。模型构建过程如下:①分别从专利文献的主分类号和补充分类号中提取互异的小类号;②依据IPC-ISIC提供的小类号所属技术领域和产业部门,将每篇专利文献标注上不同的领域特征。

图5 专利文献跨域特征分析模型

依据该模型,专利文献将被划分为4类:领域内专利文献、多领域专利文献、跨部门专利文献和多部门专利文献。例如,图4中1号专利文献属于领域内专利文献,因为从该专利文献的分类号中提取互异小类号均属于同一产业部门下的同一技术领域;2号专利文献属于多领域专利文献,因为提取的互异小类号分别属于同一产业部门下的不同技术领域;3号专利文献属于跨部门专利文献,因为提取的互异小类号分别属于不同产业部门下的不同的技术领域;4号专利文献属于跨多部门专利文献,因为提取的互异小类号分别属于不同的技术领域,且分属不同的产业部门。

本文使用该模型,将领域内专利文献描述的专利技术称为域内专利技术,多领域专利文献、跨部门专利文献和多部门专利文献描述的专利技术统称为跨域专利技术。进一步,从专利文献所属技术领域范围来看,可将图4中专利文献依据知识广度的大小进行排序:4号专利文献>3号专利文献>2号专利文献>1号专利文献。因此,依据专利文献跨域特征分析模型,可进一步评价专利技术的知识广度。

5.2 基于知识广度和流动性的功能实现技术优选

文献[35]提出了技术领域融合度的概念,用于评估专利技术在不同技术领域的应用价值。技术领域融合度量化了知识的流动性特征,可作为评价专利技术可用性的关键指标之一。因此,本文引用技术领域融合度的概念,提出基于知识广度和流动性的功能实现技术优选方法,具体步骤如下:

(1)计算产业部门融合度CSj和技术领域融合度CFi。

产业部门融合度CSj可表示为:

式中:PSj表示所属产业部门j的专利文献数量,S为专利文献集合中专利文献数量总和,5≥j≥1,令CS0=0。

技术领域融合度CFi可表示为:

式中:PSi表示所属技术领域i的专利文献数量,CSx为技术领域i所属的产业部门x的融合系数,34≥i≥1,令CS0=0。

(2)计算专利技术的优先级p,计算公式如下:

式中n为从专利文献中提取的互异小类号个数,n≥i≥j。

(3)将专利技术按p值从大到小输出,作为功能实现技术的优先级排序。

6 基于专利文献文本数据的新产品概念设计方案生成

确定了新产品的子功能及实现各子功能的专利技术后,接下来需要从相应的专利文献文本数据中提取技术特征,作为辅助生成概念设计方案的设计知识。

6.1 基于独立权利要求语义解析的技术特征提取

专利文献的独立权利要求书清楚、完整地列出了专利技术要保护的全部技术特征,可作为辅助确定新产品概念设计方案技术特征的设计知识。另外,专利独立权利要求的撰写逻辑和用词具有很强的规范性。因此,可使用自然语言处理技术自动提取独立权利要求中的技术特征,辅助设计人员快速阅读和理解专利技术,进而转化为新产品概念设计方案的技术特征。基于独立权利要求语义解析的技术特征提取过程如下:

(1)第一阶段:对独立权利要求中的原始数据进行预处理。具体包括:

1)删除编号信息。部分专利申请人在撰写权利要求时会将专利附图中对技术特征的编号一并写入,这些数据虽然有助于定位技术特征,但并不是所有的专利文献都包含此类数据。为提高方法的适用性,推荐删除。

2)添加分句标识。独立权利要求常采用“一句话”式写法,即只在结尾处使用句号。对于较长独立权利要求,计算机语义解析工具较难得到准确的句法结构和语义关系,导致技术特征的识别准确率较低。为此,给出两条添加分句标识的规则:①将分号作为分句标识;②以“,|;所述”为定位标识,将“所述”和前接任意标点符号替换为分句标识。

(2)第二阶段:提取独立权利要求中的技术特征。独立权利要求中的技术特征在分句的句法结构中多充当主语、直接宾语、间接宾语、前置宾语或介词宾语,且词性多为名词,如图6所示。因此,可首先提取分句中以主谓关系、动宾关系、间接宾语、前置宾语和介宾关系为依存关系的词对,然后以名词作为约束自动提取结构信息。为使提取过程更高效,可操作性更强,可使用LTP对分句中的依存关系和词性进行标注。

图6 依存句法分析结果

需要指出,独立权利要求中的技术特征还常以名词短语的形式出现,如图6b中的“进风装置”和图6c中的“太阳能电板”。分析发现,充当技术特征的名词短语在分句中存在固定的依存关系,且名词短语具有固定的词性特征。表4列出了常见的7种名词短语的依存关系特征和词性特征,可依此将多个词进行整合,以获得表达更完整的技术特征。

表4 常见名词短语的依存关系特征和词性特征

(3)第三阶段:提取独立权利要求中技术特征间的关系,补全技术特征。独立权利要求中技术特征间的关系包括连接关系和作用关系,如表5所示。参考文献[36]提出的方法提取技术特征间关系。首先,基于上一阶段提取的技术特征构建自定义词典,接着依据句法分析结果和语义角色标注结果定位核心谓语、施事(Arg0)、受事(Arg1)和与事2(Arg2),然后基于标注结果提取语句中的两个语义角色和一个核心谓语,并使用三元组的形式表达技术特征间的关系。

表5 技术特征的关系按句法结构的分类

6.2 基于关系型功能模型和类比设计的概念设计方案生成

TRIZ理论中的关系型功能模型以网络结构的方式描述了系统包含的所有技术特征,可帮助设计人员更好地理解专利技术应用的原理和实现的功能。首先,将专利技术的技术特征按TRIZ理论中关系型功能模型的元件、制品、超系统和作用关系等进行分类,构建专利技术的关系型功能模型。然后,通过结构类比[37],将专利技术的关系型功能模型转化为新产品子功能的关系型功能模型。新产品子功能的关系型功能模型构建过程如图7所示。最后,结合功能树表达的各子功能之间的关系,将生成的新关系型功能模型进行组合、优化,得到完整的新产品概念设计方案。

图7 新产品子功能的关系型功能模型构建过程

在形成一个或多个概念设计方案后,需要对它们进行相应的创新性评价或优选,以辅助企业领导者决定是否将人力、资金等分配给相应的概念设计方案。可以采用LIU等[38]提出的方法定量评价概念设计方案是否达到高水平创新。该方法首先将概念设计方案视为执行子系统、能源子系统、传动子系统和控制子系统的组合。然后,将概念设计方案与原型产品进行比较,在执行子系统、控制子系统和能源子系统的物理原理层、工作原理层、实施例层和细节层改变后,对有用作用的变化程度进行打分,并带入以下公式:

z=-106.065+18.621×WE+
10.129×CE+3.502×EE。

式中:WE表赤执行子系统物理原理层改变后有用作用的变化程度得分;CE表示控制子系统物理原理层改变后有用作用的变化程度得分;EE表示能源系统物理原理层改变后有用作用的变化程度得分,取值范围均为[-10,-6,-3,-1,0,1,3,6,10],正值代表有用作用的增加程度,负值代表有用作用的减少程度;z为一个连续数值,其值越大表示概念设计方案的创新性越高。

另外,还可以将z值带入以下公式来评价概念设计方案是否属于高层次的创新设计方案

式中I为一个二元逻辑数,I=1表示概念设计方案属于高层次的创新设计方案,I=0表示该概念设计方案不属于高层次的创新设计方案。

为辅助设计人员有效重用设计知识生成新产品概念设计方案,开发了一个专利数据辅助的新产品概念设计方案生成辅助系统。该系统主要包括新产品功能确定、功能实现技术优选和技术特征获取3个功能模块,以Python作为系统开发、数据处理和算法实现的语言,MySQL进行数据存储和管理,PySide设计图形化界面接收用户输入的参数、展示数据处理结果及响应用户操作。系统的使用方法将结合第7章中的应用案例进行说明。

7 应用案例:贮气筒预装辅助设备的概念设计方案生成

贮气筒预装是重型汽车制动系统预装的关键工序,预装要求包括将接头拧入端涂上密封胶以防止泄漏,将接头插入贮气筒的指定孔位,在孔内将接头拧紧三圈以上以及拧紧扭矩必须在允许值范围内等[38]。目前,制造工厂广泛使用的辅助工具为扳手或电动螺丝刀,如图8所示,市场和企业中尚未见专用于完成以上作业的标准设备。当前的工艺方式存在以下缺点:①作业劳动强度大,效率低;②拧紧力矩难以控制,甚至出现漏拧,导致预装质量低。随着物流和运输业的快速发展,制造工厂的产量上升,对贮气筒预装辅助设备的需求越来越紧迫。

图8 重型汽车制动系统用贮气筒预装

7.1 新产品功能确定

如图9所示为专利数据辅助的新产品概念设计方案生成辅助系统的新产品功能确定页截图。图中左侧显示的“主功能描述”“主功能分解”和“集成功能预测”为完成新产品功能确定的3个主要步骤。

图9 主功能描述界面

7.1.1 新产品功能描述及分解

在研究的应用案例中,设计人员将该设计任务表达为“连接接头和贮气筒”,并将其输入“初始设计任务描述”文本框中,设置分类号级别和最相似的分类号个数后,点击“计算”按键,系统自动搜索与设计任务相似的分类号释义,并按相似度大小将分类号及其功能类设计知识和结构类设计知识展示在页面右侧的表格中。选择小类号B25B和B67B,通过相应设计知识的解读,可将新产品的主功能描述为夹持接头、夹持贮气筒和密闭贮气筒。

此外,设计人员点击初始设计任务描述文本框右侧的“常用词推荐”按键,系统会弹出“术语集”对话框,用于辅助设计人员对设计任务的规范化描述。如图10所示,术语集对话框下侧提供了“动词+名词”“动词+名词+和+名词”和“动词+名词+的+参数”选框,设计人员可根据实际需要选择相应的参考词集。

图10 术语集弹窗

设计人员点击页面左侧“主功能分解”按键,页面跳转到主功能分解页,如图11所示。页面包括子功能空间和IPC设计知识空间。在IPC设计知识空间,设计人员在上方文本框中输入待分解的主功能对应的分类号,点击“知识扩展”按键,该分类号的下级分类号及其设计知识将展示在下方列表中。

图11 主功能分解界面

在研究的应用案例中,依据B67B的下级组号 B67B1/03和B67B1/06的功能类设计知识和结构类设计知识,可将密闭贮气筒分解为预处理接头、插入接头和旋转接头。同理,在B25B的下级组号的设计知识的激励下,可分解其他功能。最终,获得新产品的子功能包括插入接头、旋转接头、预处理接头、夹持接头、夹持贮气筒和装配整机,实现子功能的主要技术包括B25B11/00代表的夹持技术,B67B1/06代表的旋转插入技术,B67B1/03代表的工件预处理技术和B25B27 /14代表的与装配整机相关的技术。

7.1.2 新产品功能创新

设计人员点击页面左侧“集成功能预测”按键,页面跳转到相应页,如图12所示。在页面右侧区域显示的“专利技术成熟度分析”和“分类号共现分析”为辅助设计人员预测集成功能的两个主要步骤。

图12 集成功能预测界面

在研究的应用案例中,设计人员点击“专利技术成熟度分析”按键后,系统弹出专利技术成熟度分析窗口,如图13所示。在进行专利技术成熟度分析前,设计人员需首先以子功能表格中的分类号为检索条件从公开专利数据集中收集相关专利文献的基本信息。设计人员在导入专利文献集合和选择分析的时间范围后,点击“分析”按键,系统自动提取专利文献的申请日期并进行统计,同时在窗口的右侧显示年申请量变化折线图。依据图13右侧的折线图可知,夹持技术发展最成熟,其次是与装配整机相关的技术。旋转插入技术和工件预处理技术尚未形成规模。依据表3中所述新产品功能创新方向及实施条件,为旋转接头添加辅助功能和为插入接头添加辅助功能可作为新产品的功能创新方向。

图13 专利技术成熟度分析弹窗

接着,设计人员需通过分析代表旋转插入技术的专利文献的共现分类号,确定待添加的辅助功能,作为集成功能。设计人员点击“分类号共现分析”按键后,系统弹出分类号共现分析窗口,如图14所示。设计人员在导入专利文献集合、设置节点个数、节点颜色和网络布局形式后,点击“分类号共现网络”按键,系统将自动依据4.2节中的方法构建分类号共现网络,并显示在窗口右侧,同时将预测结果展示在图12右下方的共现分类号表格中。

图14 分类号共现分析弹窗

在研究的应用案例中,可从G01L的功能类设计知识中选择“测量”作为集成功能的启发式,推理得到测量插入力和测量旋转力矩作为旋转接头和插入接头的辅助功能。综合以上分析结果,新产品的子功能包括插入接头、旋转接头、预处理接头、夹持接头、夹持贮气筒、装配整机、测量插入力和测量旋转转矩。

7.2 功能实现技术优选

如图15所示为专利数据辅助的新产品概念设计方案生成辅助系统的功能实现技术优选页截图。 在页面左侧的 “跨域专利技术识别”区域, 设计人员首先“导入”实现特定子功能的专利文献集合,然后点击“识别”按键,系统将自动依据5.1节中方法识别专利文献集合中具备跨域特征的专利文献,并将结果展示在下方列表中。表格中第一列所示“评分”为系统依据5.2节中提出的基于知识广度和流动性的功能实现技术优选方法获得的专利技术优先级得分。在研究的应用案例中,专利技术US7204151B2、EP3106424B1、CN113319764B、CN111890249B、US8973235B2、US10386248B2和US10365083B2被优选为新产品的功能实现技术。

图15 功能实现技术优选界面

基于子功能分类结果,可构建新产品的功能树,结合选定的功能实现技术,确定新产品的功能实现技术构成,如图16所示。

图16 新产品的功能实现技术构成

7.3 概念设计方案生成与评价

如图17所示为专利数据辅助的新产品概念设计方案生成辅助系统的技术特征获取页截图。在页面右侧的技术特征获取空间,设计人员首先将功能实现技术的授权公告号填入上方的文本框中,接着依次点击“提取独立权利要求”“提取技术特征”和“补充技术特征”按键,系统将自动依据6.1节中方法解析专利独立权利要求的文本数据,并将结果展示在按键下方的文本框和列表中。

图17 技术特征获取界面

在研究的应用案例中,设计人员在系统的辅助下提取了选定的7项专利技术的技术特征,并依据6.2节中方法依次构建了7个新产品子功能的关系型功能模型。如图18a所示为专利技术CN111890249B的关系型功能模型,图18b所示为新产品实现夹持贮气筒的关系型功能模型。

图18 夹持贮气筒的关系型功能模型类比过程

将7个关系型功能模型组合,可得到新产品的概念设计方案。最终,得到车辆气制动系统用贮气筒预装设备的概念设计方案,图19所示。该方案包括:

图19 贮气筒预装辅助设备的概念设计方案3D模型

(1)一种用于夹紧、移动和旋转接头的装置,其特征在于包括移动模块和夹紧模块,其中夹紧模块包括围绕中心转轴设置的多个活动支架。其中,中心转轴可通过丝杆的轴向运动改变活动支架之间的距离,以实现对不同内径尺寸接头的夹紧。

(2)一种贮气筒定位装置,其特征在于包括工作平台、电子控制单元和气动控制单元。工作平台包括位于平台中心的四根电控杆和四周呈线性排列的若干气动控制杆,其中相对位置的两根电控杆可以调节储液器的平行度。

(3)一种用于预处理接头的电动涂胶单元,其特征在于包括涂胶枪、储胶容器和控制器,其中控制器用于控制涂胶枪的涂胶量。

(4)一种用于沿路径向前移动接头的传送带输送装置。其特征在于包含一对导向板,两个导向板形成从远端到近端逐渐缩小的通道,以依次供应接头。

(5)一种用于沿路径向前移动贮气筒的辊式输送机。其特征在于包括若干按一定距离设置在固定支架上的滚轮,其中贮气筒置于两个滚轮之间,前滚轮对贮气筒起到定位作用。

对概念设计方案进行评价。执行子系统由原来的(电动)扭矩扳手改为机械手,二者在夹紧和旋转接头时使用的物理原理一致,但新方案可以实现对不同内径尺寸接头的夹紧,因此WE取值为3;新方案的控制子系统增加了电机驱动装置,可以随贮气筒孔位的变化调整接头的位置,因此CE取值为6;新方案的能源子系统没有变化,所以EE取值为0。代入6.2节中的两个公式后得到z=10.572,I=1,则该概念设计方案属于高层次的创新设计方案。

8 结束语

本文提出了一个专利数据辅助的新产品概念设计方案生成方法,包括基于国际专利分类表的新产品功能描述及分解过程、基于专利文献集合统计数据的功能创新过程、基于专利文献集合统计数据的功能实现技术优选过程,以及基于专利文献文本数据的概念设计方案技术特征获取过程。最后以重型汽车制动系统用贮气筒预装设备的开发为例,验证了所提方法的可行性。本文主要结论如下:

(1)针对设计人员在确定新产品功能时缺少客观、系统的设计知识的问题,提取了国际专利分类表中的功能类设计知识和结构类设计知识,构建了国际专利分类表设计知识库(IPCKDB),通过检索与设计任务描述相似的设计知识,辅助完成新产品主功能的描述。基于C-K理论定义了IPC设计知识空间、子功能空间和空间元素转化算子操作,在IPCKDB中设计知识及其层次关系的辅助下,完成新产品主功能分解。为预测新产品的集成功能,首先依据功能实现技术成熟度和功能组合方案确定了新产品的功能创新方向,接着从专利文献集合的共现分类号中提取了集成功能的功能元素,辅助完成新产品功能创新。

(2)针对功能实现技术检索结果可用性较低的问题,利用专利文献跨域特征分析模型和技术领域融合度的概念,量化了专利技术的知识广度与流动性,辅助实现从跨域专利技术中优选功能实现技术。为辅助设计人员高效理解和应用跨域专利技术,使用语义解析技术从专利独立权利要求中自动提取了技术特征,并基于关系型功能模型和结构类比方法获得了新产品子功能的技术特征,辅助完成新产品概念设计方案的生成。

(3)提出了一个专利数据辅助的新产品概念设计方案生成辅助系统。该系统以IPCKDB、统计分析方法以及文本数据处理方法为基础,利用新产品功能确定模块、功能实现技术优选模块以及技术特征获取模块,从国际专利分类表、专利文献集合统计数据和专利独立权利要求文本中提取了适用于新产品概念设计方案生成过程不同阶段的设计知识。

本研究仍存在一些不足,有待后续拓展和深入,未来可从以下几个方面展开进一步研究:

(1)国际分类表中设计知识应用效率不高的问题 提出的方法通过提取分类号释义中的动词和名词获得了与新产品功能、结构相关的设计知识。实际上,国际专利分类表中还包含功能实现技术、功能互补关系、结构组合关系等多种设计知识。未来将尝试研究基于知识图谱的国际专利分类表设计知识表征方法和适合国际专利分类表设计知识图谱的推理方法,为辅助产品创新提供更全面、实用、直观的设计知识。

(2)功能实现技术优选方法的局限性 提出的方法将专利技术所属分类号类别的多样性作为必要条件,从应用更多域外知识角度提升了概念设计方案的创造性,但是这会损失有价值的域内专利技术。在未来研究中,可通过构建复合型专利技术评价指标体系,以满足不同类型功能实现技术的优选。

(3)概念设计方案生成过程自动化程度不充分 提出的专利文本数据-技术特征-概念设计方案的过程模型属于半自动化过程,部分步骤缺乏成熟的算法技术实现自动化。未来可以结合计算机辅助创新技术,推进概念设计方案生成过程的自动化。