，，，，

(濟(jì)南大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院, b.水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

當(dāng)前，在“一帶一路”背景下，由于沿線國家法律制度復(fù)雜多樣，知識產(chǎn)權(quán)發(fā)展指標(biāo)偏低，因此如何在“一帶一路”沿線國家布局因地制宜的知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略方案，成為我國企業(yè)開拓海外市場亟待研究和解決的問題[1]。專利規(guī)避設(shè)計是知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略的重要組成部分。為了彌補(bǔ)單個專利專有權(quán)有限性的缺陷，應(yīng)對“專利叢林現(xiàn)象”，避免侵權(quán)訴訟，確保專利設(shè)計自由，越來越多的企業(yè)將關(guān)注的焦點從單個專利轉(zhuǎn)移到專利群[2]，因此，對專利群規(guī)避設(shè)計的研究越來越急迫。規(guī)避專利群要找到專利群中的核心專利。核心專利是在某一技術(shù)領(lǐng)域中處于關(guān)鍵地位、對技術(shù)創(chuàng)新具有突出貢獻(xiàn)、對其他專利或技術(shù)有重大影響且有重要經(jīng)濟(jì)價值的專利[3]。

目前，對專利規(guī)避設(shè)計的研究很多。Li等[4]圍繞開發(fā)一個或多個專利技術(shù)特征的問題識別過程，設(shè)計基于發(fā)明問題解決理論(theory of invention problem solving，TRIZ)的問題求解工具，解決了規(guī)避設(shè)計問題。周煒程[5]設(shè)計了核心專利的規(guī)避設(shè)計流程，通過建立專利摘要表、智能矩陣表找出待規(guī)避的專利群。功能剪裁作為TRIZ的一種創(chuàng)新設(shè)計方法，可提高產(chǎn)品理想度以實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計[6]。Kim等[7]將TRIZ和六西格瑪設(shè)計相結(jié)合，利用TRIZ中功能裁剪的方法對現(xiàn)有汽車的發(fā)動機(jī)、雨刷器等進(jìn)行規(guī)避設(shè)計。Hung等[8]提出從專利檢索獲取相關(guān)專利到利用功能種類確定核心技術(shù)元件，再到借助TRIZ工具進(jìn)行規(guī)避的專利規(guī)避設(shè)計流程。江屏等[9]通過國際專利分類(international patent classification，IPC)聚類分析，確定待規(guī)避的專利群，然后利用元件權(quán)重分析法確定優(yōu)先規(guī)避的組件。穆秀秀等[10]通過引證分析確定目標(biāo)專利，然后通過構(gòu)建目標(biāo)專利的模塊——功能表確定規(guī)避范圍。利用引證分析、同族專利等指標(biāo)來確定核心專利具有一定的局限性，專利的被引頻次在一定程度上反映了專利在某一領(lǐng)域研發(fā)中的基礎(chǔ)性和引導(dǎo)性作用，一般來說，申報公開越早的專利，引證頻次越高。目前國內(nèi)專利引證其他專利不是必須標(biāo)明的，因此部分專利存在引證不明確、不加引證等缺點，導(dǎo)致利用引證次數(shù)來判斷核心專利存在一定的局限性。同族專利在一定程度上反應(yīng)了專利的經(jīng)濟(jì)價值，因此，同族專利不一定是核心專利。

以往的研究大多通過技術(shù)稀疏或空白區(qū)進(jìn)行專利群規(guī)避設(shè)計，而技術(shù)空白區(qū)往往是技術(shù)實現(xiàn)困難的方向。規(guī)避目標(biāo)組件需要創(chuàng)新理論的指導(dǎo)，而TRIZ是建立在專利分析基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式總結(jié)出來的用以指導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新的方法體系[11]。本文中在技術(shù)成熟度分析的基礎(chǔ)上，通過IPC-技術(shù)-功效三維空間圖來縮小專利群中核心專利群的范圍，將選定專利群中的專利按傳動、動力、執(zhí)行和控制4個部分分開，根據(jù)技術(shù)目標(biāo)的側(cè)重點選取側(cè)重該技術(shù)點的專利作為核心專利進(jìn)行分析，然后根據(jù)組件功能得分法建立核心專利的組件功能得分表，根據(jù)組件得分確定待規(guī)避的目標(biāo)組件。確定待規(guī)避的目標(biāo)組件后，結(jié)合TRIZ進(jìn)行新方案的設(shè)計，從而達(dá)到專利群規(guī)避設(shè)計的目的。

1 專利群中規(guī)避目標(biāo)的確定

在中國特色社會主義建設(shè)的新時代，創(chuàng)新變得越來越重要，而知識產(chǎn)權(quán)對創(chuàng)新有極大的促進(jìn)作用，專利規(guī)避設(shè)計是知識產(chǎn)權(quán)的重要組成部分。專利規(guī)避設(shè)計分為單個專利的規(guī)避設(shè)計和專利群的規(guī)避設(shè)計，對于專利群的規(guī)避設(shè)計除了應(yīng)用單個專利規(guī)避設(shè)計的方法以外，還要考慮如何確定核心專利，進(jìn)而有針對性地進(jìn)行專利規(guī)避設(shè)計。

IPC法適合于發(fā)明專利領(lǐng)域的知識體系[12]，是目前國際上唯一通用的專利分類方法。通過IPC聚類分析，可以了解一個領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)發(fā)展程度及發(fā)展趨勢。專利技術(shù)功效矩陣分析是一種定性分析，該分析適用于特定的專利組合或集群，便于相關(guān)技術(shù)人員掌握該專利組合或集群的技術(shù)分布情況，用于尋找技術(shù)空白點、技術(shù)研發(fā)熱點和突破點，以規(guī)避技術(shù)“雷區(qū)”，發(fā)現(xiàn)潛在研發(fā)方向[13]。專利IPC聚類分析只能了解一類中的發(fā)展?fàn)顩r，而無法得到具體技術(shù)應(yīng)用情況。技術(shù)功效矩陣分析可以獲得技術(shù)方面的發(fā)展信息；但是得到的是不分類專利的技術(shù)情況，無法聚焦核心專利，因此，將IPC-技術(shù)-功效結(jié)合起來分析將會彌補(bǔ)各方法的不足，對確定核心專利起到促進(jìn)作用。

通過IPC-技術(shù)-功效三維圖，可以縮小核心專利群范圍，然后選取傳動、動力、執(zhí)行和控制中最重要部分的專利作為核心專利，該方法適用于在技術(shù)密集區(qū)確定核心專利。如果技術(shù)密集區(qū)無法規(guī)避，同樣也可以選取可以實現(xiàn)的技術(shù)稀疏區(qū)作為目標(biāo)專利群。通過組件功能得分法確定待規(guī)避的目標(biāo)組件。專利群中規(guī)避目標(biāo)的確定流程如圖1所示。

1)確定要規(guī)避的專利技術(shù)。在進(jìn)行專利規(guī)避設(shè)計的過程中，首先面對的是一個泛泛的問題，因此要通過數(shù)據(jù)調(diào)查、市場調(diào)查和行業(yè)調(diào)查等分析確定需要規(guī)避的專利技術(shù)。

圖1 專利群中規(guī)避目標(biāo)的確定流程

2)確定搜索關(guān)鍵詞，檢索專利。對于專利群的檢索，要將檢索條件放寬，以保證專利數(shù)據(jù)的全面、準(zhǔn)確。確定一個好的關(guān)鍵詞對后續(xù)的規(guī)避研究是至關(guān)重要的。

3)初步篩選專利。得到專利數(shù)據(jù)后，經(jīng)過初步閱讀專利題目、摘要等信息，篩掉與技術(shù)主題不相關(guān)的專利，得到要分析的專利數(shù)據(jù)。

4)利用技術(shù)成熟度預(yù)測判斷目標(biāo)技術(shù)所處的階段。通過技術(shù)成熟度曲線判斷目標(biāo)技術(shù)處于嬰兒期、成長期、成熟期和退出期[14]中的哪個時期，然后做出相應(yīng)的決策，指導(dǎo)后續(xù)專利規(guī)避設(shè)計的進(jìn)行。

5)利用IPC-技術(shù)-功效圖確定核心專利群的范圍。根據(jù)專利群畫出IPC-技術(shù)-功效三維圖，如圖2所示。3個參量中兩兩坐標(biāo)交互的平面分別表示其中2個參量坐標(biāo)之間的關(guān)系，對專利群中目標(biāo)專利的確定起到輔助作用。通過圓球體積表示3個坐標(biāo)交叉點的專利數(shù)量，一般選擇技術(shù)密集區(qū)進(jìn)行規(guī)避，原因是這里通常是技術(shù)主流區(qū)，目標(biāo)技術(shù)容易實現(xiàn)，但也不排除例外，如果技術(shù)密集區(qū)無法進(jìn)行規(guī)避，相應(yīng)選取技術(shù)稀疏區(qū)進(jìn)行方案的創(chuàng)新設(shè)計。

圖2 專利的國際專利分類(IPC)-技術(shù)-功效三維分析圖

6)確定核心專利。將步驟4)圈定的專利范圍進(jìn)行閱讀，按傳動、動力、執(zhí)行和控制分為4類，根據(jù)目標(biāo)技術(shù)側(cè)重的一類進(jìn)行分析，確定核心專利組。

7)確定目標(biāo)組件，得到規(guī)避對象。確定分析組件時，首先結(jié)合目標(biāo)技術(shù)的側(cè)重點確定專利實現(xiàn)目標(biāo)技術(shù)的部分，從而確定需要分析的組件。利用組件功能得分法將組件進(jìn)行打分，選取其中得分最高的組件作為目標(biāo)組件。

組件的功能按照有用性分為有用功能與有害功能[15]，其中有用功能又可以分為充足有用功能、不足功能和過度功能。充足有用功能產(chǎn)生的效果優(yōu)于不足功能和過度功能的，不足功能和過度功能優(yōu)于有害功能。針對實質(zhì)相同但在每一專利中表達(dá)不同的元件，統(tǒng)一用某一專利中的特定名詞表達(dá)該結(jié)構(gòu)[16]，在此利用類組件表達(dá)同一性質(zhì)的組件，因此組件功能得分規(guī)則如下：

①充足有用功能、不足功能、過度功能和有害功能相應(yīng)分?jǐn)?shù)分別為1、0、0和-1。組件得分統(tǒng)計表如表1所示。

②組件相同且功能相同的組件是同一類組件。

③功能相同的組件是同一類組件。

④統(tǒng)計組件對應(yīng)的類組件個數(shù)，與其他組件功能均不相同的組件其類組件個數(shù)定為1，類組件得分等于組件得分乘以其對應(yīng)的類組件個數(shù)，最終確定全部類組件得分。

根據(jù)組件功能得分法建立4個專利的組件功能得分表，然后按照類組件得分依次選擇規(guī)避對象，確定目標(biāo)組件。由表1可知，得分最高的組件為組件A2、C3，其為同一類組件，因此將組件A2、C3作為規(guī)避對象。

表1 組件得分統(tǒng)計表

8)判斷目標(biāo)組件是否符合要求，確定規(guī)避對象。結(jié)合目標(biāo)技術(shù)等方面分析目標(biāo)組件，如果符合要求則目標(biāo)組件為最終規(guī)避對象，如果目標(biāo)組件不符合要求，則重新分析目標(biāo)技術(shù)，利用步驟1)進(jìn)行重新確定。

以專利群為目標(biāo)的規(guī)避對象設(shè)計流程分為3個部分：①根據(jù)技術(shù)主題得到初步專利數(shù)據(jù)，篩選專利數(shù)據(jù)，得到專利群數(shù)據(jù)；②通過IPC-技術(shù)-功效圖和傳動、動力、執(zhí)行和控制這4類得到核心專利群；③通過組件功能得分法確定專利群的規(guī)避對象。專利群的規(guī)避設(shè)計可以反映一個技術(shù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，判斷當(dāng)前該技術(shù)領(lǐng)域所處的時期，根據(jù)所處的時期做出相應(yīng)的決策，通過專利群的分析可以看出核心技術(shù)與組件之間的關(guān)系，同時判斷當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展方向。

2 面向水平鉆機(jī)專利群規(guī)避目標(biāo)的確定

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國的水資源總體積約為3×108m3，居于世界第6位[17]，但是我國人口數(shù)量巨大，人均水資源占有量低于世界人均占有量，再加上水資源污染、地域水資源不平衡等問題，決定了我國是一個水資源不足的國家。 面對眾多的水資源問題，地下水的開采顯得尤為重要。目前開采地下水比較有效的方式是輻射井。作為一種新型井型，輻射井解決了眾多水資源利用問題。輻射井開采中最重要的設(shè)備是輻射井水平鉆機(jī)[18]。目前關(guān)于輻射井水平鉆機(jī)的專利越來越多，此類鉆機(jī)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價值是不可忽視的，而如何在目前輻射井水平鉆機(jī)專利群中設(shè)計一種新型鉆機(jī)成為眾多裝備公司急需解決的問題。根據(jù)專利群中規(guī)避目標(biāo)的確定流程，對關(guān)于輻射井水平鉆機(jī)專利群的規(guī)避目標(biāo)確定如下：

1)通過數(shù)據(jù)調(diào)查、市場調(diào)查和行業(yè)調(diào)查等分析確定需要規(guī)避的專利技術(shù)是輻射井鉆井技術(shù)。

2)結(jié)合輻射井鉆井的技術(shù)特點，在專利中嘗試搜索，最終確定要搜索的關(guān)鍵詞為“水平鉆機(jī)”，所選的專利搜尋地區(qū)為中國。在專利檢索平臺SOOPAT中檢索專利，最終檢索到78項專利。在檢索專利數(shù)據(jù)的過程中，也需要考慮國際專利在目標(biāo)技術(shù)方面的研究現(xiàn)狀，SOOPAT比較適合搜索、分析中文專利，外文專利通過中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局進(jìn)行檢索，通過分析確定將國際專利搜索關(guān)鍵詞確定為“horizontal drilling rig”，在發(fā)明名稱中輸入搜索關(guān)鍵詞，檢索到6項專利，其中國際專利3項，專利號分別為DE:102011013112:A、DE:10206646:A和SU:3668882:A。

3)在檢索到的國際專利中，3項國際專利的同族專利數(shù)量均為1，同族專利數(shù)量為1的專利是在同一個國家或地區(qū)申請的，因此3項國際專利均未在我國進(jìn)行申請，且3項國際專利均與輻射井水平鉆機(jī)技術(shù)不直接相關(guān)。通過查詢結(jié)果發(fā)現(xiàn)，國際專利對輻射井水平鉆機(jī)的研究不多，再加上專利具有地域性的特點，專利規(guī)避設(shè)計規(guī)避的是某一國家或地區(qū)的專利，因此在水平鉆機(jī)專利群規(guī)避設(shè)計的過程中不將國際專利列為規(guī)避范圍之列，只需要規(guī)避分析國內(nèi)的水平鉆機(jī)專利群。針對檢索到的國內(nèi)水平鉆機(jī)專利群的數(shù)據(jù)，通過初步閱讀專利名稱、摘要，對專利群數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選，得到關(guān)于鉆井工藝方法的專利數(shù)為4，與鉆井直接相關(guān)的專利數(shù)為25，因此共得到目標(biāo)專利群的專利數(shù)為29。

4)針對目標(biāo)技術(shù)進(jìn)行技術(shù)成熟度預(yù)測。根據(jù)目標(biāo)專利群的專利，對目標(biāo)技術(shù)進(jìn)行技術(shù)成熟度預(yù)測，水平鉆機(jī)的技術(shù)成熟度預(yù)測結(jié)果如圖3所示。由圖可知，目標(biāo)技術(shù)目前處于成長期。處于成長期的技術(shù)需要進(jìn)行進(jìn)一步戰(zhàn)略創(chuàng)新，在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)新技術(shù)，側(cè)重申請發(fā)明專利，從而實現(xiàn)專利規(guī)避設(shè)計。

圖3 水平鉆機(jī)的技術(shù)成熟度預(yù)測圖

5)利用水平鉆機(jī)的IPC-技術(shù)-功效三維圖確定核心專利群的范圍。 通過分析專利群數(shù)據(jù)，可得水平鉆機(jī)的IPC-技術(shù)-功效三維圖，如圖4所示。 由圖可知，進(jìn)入核心專利范圍的專利數(shù)為4，專利號為CN20 1410648500.6[19]、CN201420683919.0[20]、CN201610366873.3[21]和CN20162050737 5.1[22]。

6)確定核心專利。通過分析，這4個專利是雙申專利，即發(fā)明專利與實用新型同時申請，因此只須分析發(fā)明專利或?qū)嵱眯滦椭械囊环N，即共分析2個專利，這2個專利的專利號為CN201420683919.0、CN2016205 07375.1。通過分析，這2個專利都側(cè)重動力部分，而目標(biāo)技術(shù)也是側(cè)重如何增大水平鉆機(jī)的動力，提高鉆頭的鉆進(jìn)能力，實現(xiàn)更好地鉆井，因此這2件專利為核心專利。

7)確定輻射井水平鉆機(jī)專利群的目標(biāo)組件，得到規(guī)避對象。分析閱讀專利CN201420683919.0(專利A)和CN2016205073 75.1(專利B)，在這2個專利中，均通過液壓裝置提供動力，但2個專利側(cè)重點并不在動力提供方面，而是側(cè)重于如何高效實現(xiàn)鉆井，即鉆井過程中的執(zhí)行部分，目標(biāo)技術(shù)對應(yīng)的也是如何實現(xiàn)輻射井水平鉆井。將專利中關(guān)于水平鉆井執(zhí)行部分的組件挑選出來，然后根據(jù)組件功能，并結(jié)合組件功能得分法對組件進(jìn)行打分。 核心專利的組件得分見表2。 由表可知，得分最高的類組件為旋轉(zhuǎn)動力頭與動力頭，得分均為4分，因此目標(biāo)組件為水平鉆機(jī)中具有旋轉(zhuǎn)、鉆進(jìn)功能的組件。

X軸(IPC)：1—E21B7/04；2—E21B3/00；3—E21B7/02；4—E21B7/18；5—E21B15/02；6—E21B7/00；7—E21B17/00；8—E21B19/14；9—E02D5/46；10—E02D19/10；11—E21D9/10；12—E02D3/12；13—B66C23/18；14—F15B1/26；15—F16P7/00；1—15均為專利的IPC分類號；Y軸(技術(shù))：1—轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；2—沖擊機(jī)構(gòu)；3—拆卸機(jī)構(gòu)、鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)；4—導(dǎo)向裝置、清除裝置；5—液壓動力、鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)；6—導(dǎo)向架行走機(jī)構(gòu)；7—液壓高壓空化射流；8—支撐機(jī)構(gòu)；9—豎井裝置、水平進(jìn)水管；10—滑筒結(jié)構(gòu)；11—托桿機(jī)構(gòu)；12—高壓噴射液漿生成水平旋噴加固體；13—減壓式雙液水平旋噴技術(shù)；14—水鉆跟進(jìn)管棚施工；15—鉆孔、加固；16—自卸吊裝置；17—液壓改進(jìn)裝置；18—液壓保護(hù)系統(tǒng)；Z軸(功效)：1—提高效率；2—提高鉆進(jìn)效果；3—提高安全性能、施工質(zhì)量；4—結(jié)構(gòu)簡單，提高空間利用率；5—提高輻射井成功率。圖4 水平鉆機(jī)的國際專利分類(IPC)-技術(shù)-功效三維圖

表2 核心專利的組件得分

8)經(jīng)過分析，目標(biāo)組件是輻射井水平鉆機(jī)中的核心組件，對規(guī)避輻射井水平鉆機(jī)專利群有重要意義，因此確定規(guī)避對象為水平鉆機(jī)中具有旋轉(zhuǎn)、鉆進(jìn)功能的組件。

為了標(biāo)準(zhǔn)地描述沖突，在眾多專利分析的基礎(chǔ)上，TRIZ給出39個通用工程參數(shù)，而為了解決沖突，TRIZ給出40條發(fā)明原理。39個通用工程參數(shù)與40條發(fā)明原理構(gòu)成Altshuller矛盾矩陣[23]。根據(jù)目標(biāo)組件的功能及其對整個技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，分析可得目標(biāo)組件的功能雖為充足有用功能，但也存在不足，目標(biāo)組件在增加了旋轉(zhuǎn)功能后，優(yōu)化的是力，而劣化的參數(shù)是裝置的復(fù)雜性，通過查詢Altshuller矛盾矩陣表[23]，對應(yīng)發(fā)明原理26(復(fù)制)、35(參數(shù)變化)、10(預(yù)操作)和18(振動)，選取發(fā)明原理35(參數(shù)變化)解決問題，即改變物體的物理狀態(tài)。在水平鉆機(jī)鉆進(jìn)的過程中，通過目標(biāo)組件為鉆頭提供鉆進(jìn)動力與旋轉(zhuǎn)動力，實現(xiàn)鉆機(jī)的鉆進(jìn)功能。參數(shù)變化可以改變目標(biāo)對象的物理狀態(tài)，如氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。采用目標(biāo)組件與鉆頭合并的思路進(jìn)行規(guī)避方案的設(shè)計，即通過一種裝置來實現(xiàn)目標(biāo)組件與鉆頭的功能。目標(biāo)組件與鉆頭明顯為固態(tài)，將目標(biāo)組件與鉆頭由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，即將固態(tài)鉆進(jìn)裝置變?yōu)橐簯B(tài)鉆進(jìn)裝置，通過查詢資料可知，目前存在水刀切削[24]，鉆機(jī)鉆進(jìn)的動力與鉆進(jìn)功能可通過水刀裝置提供，從而完成鉆機(jī)的鉆進(jìn)功能，因此，采用水刀鉆進(jìn)裝置進(jìn)行初步規(guī)避方案的設(shè)計。

3 結(jié)語

1)本文中主要研究專利群的規(guī)避設(shè)計，在以往的研究中，規(guī)避專利群時往往選取技術(shù)空白點或者某聚類的空白點進(jìn)行規(guī)避設(shè)計，本文中在以往研究的基礎(chǔ)上，通過建立專利群的IPC-技術(shù)-功效三維圖縮小核心專利范圍，再通過分類分析確定核心專利。該方法不僅適用于在技術(shù)空白區(qū)或稀疏區(qū)確定核心專利，同時也可以在技術(shù)密集區(qū)圈定核心專利。

2)應(yīng)用組件功能得分法確定核心專利中的核心組件，根據(jù)目標(biāo)組件的選定原理確定需要規(guī)避的目標(biāo)組件，并結(jié)合TRIZ進(jìn)行新方案的設(shè)計。

3)結(jié)合輻射井水平鉆機(jī)的專利群，應(yīng)用IPC-技術(shù)-功效三維圖和組件功能得分法對本文中的研究方法進(jìn)行驗證，得到了待規(guī)避的目標(biāo)組件，并結(jié)合TRIZ得到了規(guī)避設(shè)計的新方案。

4)目前專利規(guī)避設(shè)計的過程中存在主觀性，如何利用大數(shù)據(jù)、人工智能和機(jī)器人深度學(xué)習(xí)等技術(shù)減少分析過程中的主觀性是后續(xù)研究的重點。