劉云鶴,武春龍+,欒 鑫

(1.河北工業(yè)大學 國家技術創(chuàng)新方法與實施工具工程技術研究中心,天津 300401;2.河北工業(yè)大學 機械工程學院,天津 300401)

0 引言

隨著科技與信息技術網絡5G的迅速發(fā)展,企業(yè)產品的更新?lián)Q代速度加快,企業(yè)之間的競爭形式更加嚴峻,小型企業(yè)想要發(fā)展壯大需要突破大型企業(yè)的技術包圍,以往我國大多數(shù)企業(yè)主要依靠反求工程進行產品改進設計,但隨著國家開始加強知識產權法保護的實施落地,新的專利法修正案增加了嚴厲的懲罰措施[1-2],因此企業(yè)需要轉變以往的經營策略,加強對核心產品技術侵權行為的預防和規(guī)避。專利規(guī)避設計是一種既能突破技術壁壘又能節(jié)省資源的有效方法。專利規(guī)避設計最初是在法律層面,隨著專利制度的完善,學者開始在技術角度進行規(guī)避設計研究,ZHANG等[3]提出基于功能分析的專利規(guī)避設計方法,通過挖掘目標專利缺陷,應用刪除替代法與TRIZ工具相結合,進行專利規(guī)避設計。李輝等[4]通過對專利制度約束與專利權利范圍分析,提出了規(guī)避目標確定、規(guī)避路徑選擇、規(guī)避設計、侵權判定的專利規(guī)避設計功能裁剪流程。AKERDAD等[5]提出反求工程與專利規(guī)避設計方法相結合的再設計過程,通過專利產品識別、問題分析、重新設計解決方案以及測試與實驗驗證4個過程,實現(xiàn)產品的專利規(guī)避再設計過程。LI等[6]提出一種基于TRIZ的專利規(guī)避設計裁剪方法,包括目標設計定義、問題識別定義、問題解決設計和方案評估設計4個步驟,通過裁剪一個或多個專利技術特征,結合TRIZ工具對新問題進行求解,實現(xiàn)專利規(guī)避設計。江屏等[7]提出一種基于功能裁剪的專利規(guī)避設計流程,通過專利檢索、專利分析、裁剪設計與侵權判定流程,形成基于功能裁剪與侵權判定為一體的專利規(guī)避設計方法。韓爽等[8]提出基于公理設計的專利規(guī)避創(chuàng)新設計方法,根據(jù)公理設計的映射變換方法,通過需求域、功能域、結構域的映射變換發(fā)現(xiàn)專利技術系統(tǒng)創(chuàng)新點,并在創(chuàng)新點基礎上進行規(guī)避設計。李輝等[9]提出基于制度約束與技術約束的專利規(guī)避設計流程,通過專利制度約束條件明確、功能裁剪路徑確立、發(fā)明問題解決理論應用、制度約束評價4個步驟,實現(xiàn)專利規(guī)避設計。

通過對專利規(guī)避設計方法研究可知,功能是專利規(guī)避設計的核心,存在于專利分析與規(guī)避設計的全過程,但是由于設計人員對于功能認知的局限,導致對現(xiàn)有專利技術系統(tǒng)功能理解不全面,限制專利規(guī)避設計功能分析路徑與專利規(guī)避設計求解方法,阻礙了專利規(guī)避設計的研究與發(fā)展。本文針對上述專利規(guī)避設計問題,提出了基于多層功能認知擴展的專利規(guī)避設計方法,通過引入行為層級、效果層級、目的層級功能認知概念,擴展專利規(guī)避設計過程中的功能認知,使專利規(guī)避設計過程的功能分析不再受限于設計人員的知識儲備;并構建了基于多層功能認知的專利規(guī)避設計求解方法,根據(jù)多層功能認知涵蓋的設計對象不同,使專利規(guī)避設計求解過程不再局限于產品技術系統(tǒng)功能設計,而是將規(guī)避求解過程擴展到產品使用者與產品使用環(huán)境,擴展了專利規(guī)避設計求解范圍。

1 多層功能認知概念與情景分析理論

1.1 多層功能認知概念

專利規(guī)避設計的本質是對技術系統(tǒng)功能的重現(xiàn),功能是專利規(guī)避設計過程的核心。對功能概念的深入理解有利于專利規(guī)避設計的實現(xiàn)。功能是設計工程學中的關鍵概念,但是功能并不是一個統(tǒng)一的術語,工程學方面研究人員對“功能”賦予了不同的含義,如表1所示。這不是全部的功能概念,而是學者在設計過程中提出的有代表性的理論,這些功能概念在抽象程度、系統(tǒng)層級和著眼視角上均存在差異。

表1 關于功能概念的研究

多樣性的功能概念不僅增加了設計人員思維負荷,還會由于概念定義側重不同,造成設計師之間的理解錯誤,產生設計問題。于是有人建議對功能概念進行總結,一部分設計者認為功能是系統(tǒng)元件間的作用,如圖1a所示,元件A稱為功能載體,元件B稱為功能對象,表現(xiàn)形式為：功能載體作用于功能對象,改變或保持功能對象的參數(shù)或屬性,屬于依賴于具體結構的功能抽象;另一部分設計者認為功能是物質、能量和信息的輸入/輸出變換結果,功能表述所期望的狀態(tài)轉換動作,如圖1b所示,屬于與結構無關的功能抽象。

圖1 功能概念總結表述

功能概念的認知得到了進一步發(fā)展,但是由于不同領域的設計者對功能的抽象總結側重點不同,仍然會對設計人員造成理解分歧,影響設計結果,需要對功能本質概念進行深入的探究。

VERMAAS等[18]深入工程哲學層面研究了功能概念的本質內涵,歸納出3種典型的功能知識：行為意義功能、效果意義功能和目的意義功能,分別將功能看作系統(tǒng)的意圖行為、意圖效果和設計目的。CHEN等[19]致力于消除功能概念的模糊性,基于科學本體論和意圖性理論,將功能概念明確為“設計者頭腦中對客觀環(huán)境一種想象的抽象動作,期望將客觀環(huán)境從有問題的狀態(tài)改變?yōu)樗枰臓顟B(tài)或防止環(huán)境改變?yōu)椴幌Ｍ臓顟B(tài)”。FAHL等[20]認為功能在產品早期設計階段尤為重要,產品的設計和差異化特別需要注意功能,需要對功能概念進行統(tǒng)一,通過分析和深化產品開發(fā)早期階段對于功能的理解,功能主要是從既定的發(fā)展角度描述的,但是很少從環(huán)境或者以人為中心的觀點描述,在制定功能概念時應該考慮抽象的水平,需要進一步研究在不同環(huán)境中系統(tǒng)、子系統(tǒng)之間的定義。PATEL等[21]通過機械領域視角進行功能概念統(tǒng)一分析,提出了3種不同功能主題：第1種主題側重功能的預期行為,使用諸如任務、操作、執(zhí)行等術語;第2個主題側重功能的期望效果,使用諸如輸入、過程、輸出等術語;第3個主題側重功能的設備用途,使用諸如用途、系統(tǒng)、組件等術語。這3種功能概念并不相互排斥、而是共享某些術語概念的重疊集群。VAN等[22]通過調查失效分析、創(chuàng)新設計、再設計、常規(guī)設計的設計過程,提出3種不同意義的功能在設計過程中的不同方面起到不同作用,均不可缺少,應該接受不同功能概念的并存。UDDIN[23]為達成多學科系統(tǒng)全面表述和抽象共識,按照系統(tǒng)表述歸屬問題的不同抽象層級,將以環(huán)境為中心的功能和以裝置為中心的功能按照細節(jié)遞增的順序逐步抽象,逐漸建立了系統(tǒng)的全面技術表述。CRILLY[24]通過展示功能如何將系統(tǒng)與其子系統(tǒng)和超系統(tǒng)聯(lián)系起來,指出以環(huán)境為中心的功能和以裝置為中心的功能兩種功能認知存在相對性,設計者建模的裝置可能是另一設計者所關注裝置的組件或環(huán)境,特定功能對于某個設計者是系統(tǒng)內部功能,但對于其他設計者可能是系統(tǒng)外部功能,因此應從嵌套系統(tǒng)層級的角度來認識功能。本課題組[25]進一步總結功能概念,提出上述不同功能認知來源于功能抽象的不同層級,如圖2所示。其中：行為層級功能描述系統(tǒng)本身的意圖狀態(tài)變化;效果層級功能描述的是系統(tǒng)本身與作用對象組成的更高層級系統(tǒng)的意圖狀態(tài)變化;目的層級功能描述的是系統(tǒng)本身、作用對象和使用者組成的更高層級系統(tǒng)的意圖狀態(tài)變化。

圖2 多層功能認知抽象視角與系統(tǒng)層級表述

將功能概念主體劃分為不同范圍的三層系統(tǒng),通過設計過程中功能概念主體涵蓋范圍的變化,體現(xiàn)上述不同功能認知的各自作用。通過對功能認知內涵概念的探究,能夠知道功能認知存在不同的理解,各種理解之間存在差異化,這種差異化認知可以在功能視角下進行統(tǒng)一,即產品的功能可以通過目的層級、效果層級和行為層級的意圖行為功能的統(tǒng)一。通過對功能概念內涵進行統(tǒng)一,使設計人員規(guī)范專利系統(tǒng)功能分析過程,擴展專利規(guī)避設計功能思考范圍。以鋼筆為例對多層功能認知概念進行解釋。行為層級功能強調的是產品意圖的特定行為,系統(tǒng)范圍指產品系統(tǒng)本身,鋼筆的行為層級功能為“使墨水從儲墨袋流到筆尖”。效果層級功能強調的是意圖行為達到的效果,系統(tǒng)方位包含產品系統(tǒng)本身與環(huán)境中的作用對象,鋼筆的效果層級功能為“能夠在紙上留下痕跡”。目的層級功能強調的是產品設計達到的目的,系統(tǒng)范圍包含產品系統(tǒng)本身、人、環(huán)境中已有自然物和相關產品,鋼筆的目的層級功能為“能寫字傳遞信息”。多層功能概念詳述如表2所示。

表2 多層功能認知概念詳述

1.2 情景分析

專利規(guī)避設計概念的提出是為了促進產品的技術發(fā)展,但現(xiàn)有專利規(guī)避設計方法沒有貫徹這一思想,而是僅以實現(xiàn)產品相同功能為目的。這種創(chuàng)新思想無法促進市場良性競爭,反而會降低競爭力,導致市場發(fā)展緩慢。在現(xiàn)有開發(fā)模式之外,基于情景的概念創(chuàng)建和概念開發(fā)作為應對新技術發(fā)展的一種理論方法,已經被應用到產品創(chuàng)新設計領域。根據(jù)情景分析方法特點,將情景分析方法引入到專利規(guī)避設計過程,改變現(xiàn)有專利規(guī)避設計問題思考視角,擴展專利規(guī)避設計方法多樣性。

情景(Scenario)最早于上世紀六十年代由KAHN等[26]提出,他認為未來是變化且多樣的,多種潛在的結果在未來都是有可能實現(xiàn)的,另外,對于通向這些潛在未來結果的途徑也是不一樣的,因此,對可能出現(xiàn)的潛在未來結果以及實現(xiàn)這種潛在未來結果的途徑的描述便構成了一個情景。有關“情景”的定義有很多,對研究學者給出的典型定義進行歸納,如表3所示。

表3 學者提出的情景分析定義

通過分析情景概念的定義可知,情景概念旨在勾勒出未來的產品和產品組合,根據(jù)不同的發(fā)展概念視角,對未來的變化作出預測,以設想的視角預測產品未來可能會面對的情景。研究人員不僅可以根據(jù)與產品緊密關聯(lián)的未來預期情景進行機會識別,也可通過探索產品情景的前置過程和后續(xù)發(fā)展,拓展產品情景范圍,尋找合適的新需求作為創(chuàng)新機會,基于情景分析與創(chuàng)新機會識別可以分為4個步驟,如圖3所示。

圖3 情景變換分析與創(chuàng)新機會關系

(1)情景要素的獲取 每個情景都包含大量的影響要素,為避免不必要的集中,情景被系統(tǒng)組織分成不同的領域,每個領域都由具體的影響要素描述,一般只選取對整個情景發(fā)展具有較大影響的要素,這些所謂的“關鍵要素”可以通過系統(tǒng)分析來提取。

(2)情景預測 這是情景分析核心,在這里對未來進行了展望,未來的時間應該由情景描述,在此之后,所有關鍵要素的可能發(fā)展,確定了所謂的“未來預測”。本文的目標是尋找可提到的、可信的情景,使這些情景能完全描述未來發(fā)展。

(3)情景制定 未來情景的數(shù)量并不是固定的,設計人員對未來的思考方式越不同,出現(xiàn)的情景就越多,每個情景都代表一種情況,情景制定應該以最合適的情景為目標。為了能夠確定最合適的情景,需要評估所有可能情景,明確每個情景的變換方向,分析每個情景的變換因素,找到一組合適的未來情景。

(4)情景分析與創(chuàng)新機會識別 除了情景制定,每個情景還可以進行詳細的分析,情景驅動的因素是什么?可能的子情景是什么?現(xiàn)有技術系統(tǒng)出現(xiàn)什么問題?如何解決問題?新技術方案的可行性?

2 基于多層功能認知與情景分析的專利規(guī)避設計過程

2.1 基于多層功能的專利技術系統(tǒng)情景構建

根據(jù)多層功能認知概念,多層功能認知具備基本功能屬性的同時也具備范圍屬性、遞進屬性和時間屬性。不同層級之間作用的范圍不同,行為層級功能、效果層級功能、目的層級功能在時間上具有先后關系。產品功能實現(xiàn)過程首先以行為層級功能開始,通過裝置內部子功能間相互作用實現(xiàn)行為層級功能。然后通過行為層級功能作用于環(huán)境對象,對作用對象產生作用效果實現(xiàn)效果層級功能。最后通過效果層級功能與人和環(huán)境中已有自然物和相關產品共同作用實現(xiàn)目的層級功能。以多層功能作為關鍵情景階段,構建產品情景過程,使情景構建過程具有規(guī)范化流程步驟,便于設計人員進行情景構建,基于多層功能的情景構建過程分為3個步驟：

(1)專利產品情景信息獲取 根據(jù)專利制度約束條件,專利文本是獲取情景信息的主要來源,基于多層功能認知概念分析專利產品,不僅包含技術系統(tǒng)本身,還應包含產品使用者與產品使用環(huán)境,即人、產品、環(huán)境3部分組成的情景,如圖4所示。

圖4 功能情景信息交互過程

(2)專利產品多層功能明確 通過構建功能模型與功能結構確定技術系統(tǒng)多層功能。專利技術系統(tǒng)功能模型構建能夠直接展示技術系統(tǒng)功能關系,功能結構圖能夠展示技術系統(tǒng)內部功能流的轉換過程,根據(jù)功能模型圖與功能結構圖,分析技術系統(tǒng)功能作用過程,以及系統(tǒng)功能轉換過程,再根據(jù)多層功能概念確定產品技術系統(tǒng)功能多層功能。

(3)專利產品情景過程構建 根據(jù)多層功能認知概念構建產品情景過程,以每個功能層級作為一個情景階段,將產品技術系統(tǒng)劃分為3個階段,每個階段又作為一個獨立情景整體,分析其中功能過程確定關鍵功能,將每個關鍵功能過程作為一個情景環(huán)節(jié)構建技術系統(tǒng)情景過程,如圖5所示。

圖5 以多層功能為關鍵階段的情景過程

根據(jù)情景構建過程,確定每個情景行為對應的功能情景形式,以及相應的功能主體,行為層級情景過程功能主體是產品本身,強調的是技術系統(tǒng)功能。分析技術系統(tǒng)內部功能過程,將每個功能過程作為一個情景環(huán)節(jié),判斷相應功能類型(標準/不足/有害),構建行為層級功能情景過程。效果層級情景過程功能主體是產品技術系統(tǒng)與作用對象,強調的是對作用對象產生的作用效果。將效果產生過程進行細化,將每個效果過程作為一個情景環(huán)節(jié),判斷每個環(huán)節(jié)的功能類型,構建效果層級功能情景過程。目的層級情景過程功能主體為人、技術系統(tǒng)和環(huán)境作用對象,強調的是功能價值,將價值實現(xiàn)的每個步驟作為一個情景環(huán)節(jié),判斷每個環(huán)節(jié)的功能類型,構建目的層級功能情景過程。最后對全部情景環(huán)節(jié)進行檢查,防止情景過程遺漏,完成產品多層功能情景過程構建,如表4所示。

表4 基于多層功能的情景過程

根據(jù)情景行為表構建情景行為鏈如圖6所示,對產品的功能過程以多層功能情景鏈的形式直接表示,便于后續(xù)產品的功能分析與求解。

圖6 基于多層功能的情景行為過程

2.2 基于多層功能認知情景變換與專利功能分析

(1)情景變換類型確定 根據(jù)情景變換的過程不同,情景變換可分為探索性情景和實踐性情景兩種。探索性情景過程是完全發(fā)散的思維過程,探索性的情景與現(xiàn)有情景的相似性很低,根據(jù)新情景的規(guī)避設計難度大,規(guī)避設計結果創(chuàng)新度高。實踐性情景是有跡可循的思維過程,以現(xiàn)有情景中關鍵情景要素為基礎,以演化規(guī)律為指導探求可能的新情景,指導進行規(guī)避設計,如圖7所示。產品的系統(tǒng)發(fā)展遵循一定的規(guī)律,阿奇舒勒將產品系統(tǒng)生命周期劃分為嬰兒期、成長期、成熟期和退出期4個階段。根據(jù)產品的技術生命周期,嬰兒期和成長期的技術系統(tǒng)處于發(fā)展階段,技術系統(tǒng)還未達到成熟期,不需要外界過多設計需求就能產生具備競爭力產品。成熟期與退出期的技術系統(tǒng)達到瓶頸,技術系統(tǒng)已經不具備創(chuàng)新設計潛力,需要創(chuàng)新性設計結果才能使產品具備競爭力?；趯嵺`性的情景設計過程與嬰兒期和成長期的產品發(fā)展規(guī)律相符,基于探索性的情景設計過程與成熟期和退出期的產品發(fā)展規(guī)律相符,情景變換的類型的應用可以根據(jù)產品所處生命周期確定。

a 探索性情景 b 實踐性情景圖7 情景變換的兩種形式

(2)關鍵情景變換元素確定 專利規(guī)避設計情景變換元素明確,人、產品、環(huán)境情景組成三元素都具備引導情景變換的可能,本文針對機械產品的規(guī)避設計,所以明確以環(huán)境元素作為變換元素,探求未來產品的可能潛在情景,如圖8所示。

圖8 潛在情景變換

(3)情景變換后專利系統(tǒng)功能分析 根據(jù)多層功能情景變換的結果,分析新情景的所需功能,以所需功能為目的進行專利規(guī)避設計,基于情景變換分析現(xiàn)有技術系統(tǒng)功能,功能問題可能出現(xiàn)在目的層級、效果層級以及行為層級任意層級,如圖9所示。

圖9 基于情景變換的功能分析

2.3 基于多層功能認知的規(guī)避設計新技術方案求解

基于多層功能概念的功能分解不止局限于產品技術系統(tǒng)層面,而是將功能作用范圍覆蓋到全部功能系統(tǒng)層級,不僅局限于物理產品本身的功能承載,還包含了與物理產品密切聯(lián)系的人、環(huán)境中已存自然物和相關產品的功能作用。根據(jù)情景變換確定了現(xiàn)有技術系統(tǒng)功能問題,以多層功能概念為指導對新情景下所需功能進行分解。當現(xiàn)有技術系統(tǒng)功能問題出現(xiàn)在目的層級系統(tǒng)時,需要以目的—效果—行為層級系統(tǒng)順序對所需功能進行重新分解。首先從目的層級系統(tǒng)開始考慮,根據(jù)功能黑箱的形式對功能進行分解。目的層級系統(tǒng)包括人、產品技術系統(tǒng)、環(huán)境中已有自然物和相關產品,基于需求功能的全部作用主體由以上3部分承擔,目的層級系統(tǒng)的功能分解過程需要首先考慮已有自然物和相關產品,對已有自然物和相關產品能夠承載的功能進行分配,剩余未知功能為待設計所需功能。效果層級系統(tǒng)功能是目的層級系統(tǒng)待求功能,效果層級系統(tǒng)包括產品技術系統(tǒng)和作用對象。效果層級系統(tǒng)將行為層級系統(tǒng)輸出流作為輸入流,效果層級系統(tǒng)作用對象的輸入輸出流可以通過作用對象的特性分析,確定為已知部分,剩余輸入輸出流的承載對象為未知部分。效果層級系統(tǒng)的未知輸入流是行為層級系統(tǒng)的輸出流,行為層級系統(tǒng)功能的承載主體為產品本身,技術系統(tǒng)功能的實現(xiàn)通過元件間相互作用完成。通過對行為層級功能進行詳細劃分,將行為層級功能作用黑箱分解為不同的子功能黑箱,直到子功能黑箱能夠通過設計人員直接求解實現(xiàn)相應功能,行為層級系統(tǒng)功能分解完成。通過多層功能分析明確了現(xiàn)有系統(tǒng)功能問題層級,以功能問題層級為起點進行逆序功能分析,分解新情景所需功能,根據(jù)各層級系統(tǒng)承載主體與承載對象明確承載功能,根據(jù)新情景的所需功能分解過程如圖10所示。

圖10 基于多層功能認知的所需功能分解

基于多層功能認知的所需功能求解方法,以類比設計原理為基礎,利用已有成熟技術進行創(chuàng)新設計。根據(jù)行為層級—效果層級—目的層級系統(tǒng)順序進行正序求解。行為層級系統(tǒng)功能求解過程,以現(xiàn)有專利技術系統(tǒng)為求解基礎,分析行為層級系統(tǒng)黑箱作用過程,分析現(xiàn)有專利技術系統(tǒng)所用原理與知識源技術系統(tǒng)所用原理,若所用原理相同,則可直接根據(jù)知識源功能結構過程搭建技術系統(tǒng);若所用原理不同,則以知識源技術原理解為指導,對現(xiàn)有技術系統(tǒng)進行改進,實現(xiàn)對行為層級功能的求解。效果層級系統(tǒng)功能輸入流是行為層級系統(tǒng)功能的輸出流,根據(jù)行為層級系統(tǒng)功能求解已經確定了效果層級功能黑箱的輸入流,通過對未知功能黑箱進行層層的分解與求解,求解過程考慮效果層級功能的作用對象,根據(jù)分解結果以現(xiàn)有技術系統(tǒng)功能結構為基礎,以可用資源功能結構為啟發(fā),完成效果層級系統(tǒng)功能求解。目的層級系統(tǒng)功能求解過程需要考慮人與環(huán)境中已有自然物和相關產品,以知識源為指導進行未知功能求解。根據(jù)行為層級—效果層級—目的層級系統(tǒng)的功能求解過程如圖11所示。

圖11 基于多層功能認知的所需功能求解過程

2.4 侵權判定

專利規(guī)避設計完成后,需要對規(guī)避設計新方案進行侵權判定。本文規(guī)避設計方法是以機械產品為目標進行規(guī)避設計的,侵權判定主要根據(jù)全面覆蓋原則和等同原則進行判定。全面覆蓋原則指侵權物與原專利的權利要求完全相同或者文字描述不同但是技術特征完全相同;等同原則指被控侵權物有一個或一個以上的技術特征與專利權利要求中的權利要求相同;根據(jù)侵權判定原則對專利規(guī)避設計新方案進行侵權判定,確定規(guī)避設計方法的可行性。

3 實例研究

3.1 平衡車技術系統(tǒng)情景過程構建

本文以平衡車專利CN109398582A為規(guī)避設計目標專利,驗證本文所提專利規(guī)避設計方法。平衡車情景信息獲取,通過應用AHP-TOPSIS模型計算方法,確定了CN109398582A專利為目標專利。對目標專利權利要求書和說明書進行分析,獲取平衡車技術特征信息、元件信息、功能情景信息,如圖12所示。

圖12 平衡車功能情景信息

平衡車技術系統(tǒng)多層功能確定,通過對目標專利信息獲取,平衡車主體結構由車輪、車身、以及動力組成部件3部分組成。根據(jù)獲取的平衡車信息,確定系統(tǒng)元件、制品、超系統(tǒng)元件,分析元件間相互作用關系,確定作用關系類型,通過箭頭形式將相互作用元件連接起來,形成完整的功能模型圖,如圖13所示。

根據(jù)獲取信息可知平衡車是一種便捷出行工具,具有短途代步功能,將功能分解為物質流、信息流、能量流等容易實現(xiàn)分功能,構建平衡側系統(tǒng)功能結構圖,如圖14所示。

圖14 平衡車功能結構圖

平衡車為個人運載工具,總功能為載人交通移動工具。根據(jù)構建的平衡車功能模型圖,可知平衡車設計是為了提供一種新的輕便快捷出行方式。功能實現(xiàn)過程輸入端的信息、物質、能量包含人、人力、開/關、電能、車輪,最終的輸出結果是人移動到目的地。平衡車功能實現(xiàn)過程主要由執(zhí)行模塊、驅動模塊、制動模塊3部分組成,功能實現(xiàn)過程是通過元件間的相互作用實現(xiàn)。確定平衡車的行為層級功能是平衡車內部的物質、能量與信息的轉換過程。通過開/關系統(tǒng)獲得電能,電能通過伺服電機輸出轉矩帶動驅動輪旋轉處于待機狀態(tài)。效果層級功能是通過行為層級功能作用于作用對象達到相應效果,平衡車的作用對象為行駛地面與相應的“受益者”,而“受益者”不是驅動對象,對于效果層級功能系統(tǒng)分析過程,不具備主動性無需考慮。通過行為層級功能作用于行駛地面,實現(xiàn)平衡車能夠在路面上的平穩(wěn)運動功能效果。目的層級功能是通過人控制平衡車,通過加速、制動等操作行為到達指定目的地。

平衡車技術系統(tǒng)情景過程構建,根據(jù)平衡車功能分析過程,得到平衡車行為層級、效果層級、目的層級功能信息。以行為層級、效果層級和目的層級功能作為平衡車關鍵情景階段,進行平衡車情景構建。以每個功能層級系統(tǒng)作為獨立情景階段,考慮情景行為過程的關鍵驅動因素,構建每個層級的關鍵情景節(jié)點,進一步劃分每個階段情景行為,對不同階段的功能層級情景行為過程進行全面表述,完成平衡車使用情景行為構建,如表5所示。

表5 平衡車功能情景過程表

根據(jù)情景行為信息表構建平衡車的多層功能情景行為鏈如圖15所示。

圖15 基于多層功能的平衡車情景過程鏈

3.2 平衡車情景變換與技術系統(tǒng)功能分析

確定平衡車技術成熟度,通過智慧芽專利檢索平臺,檢索近十年申請的平衡車專利,構建平衡車專利申請趨勢與專利類型圖,如圖16所示。通過平衡車專利申請趨勢圖能夠看出,平衡車技術發(fā)展處于成長期。

圖16 平衡車專利發(fā)展趨勢

由第3章分析可知,處于成長期的產品,技術系統(tǒng)發(fā)展沒有到達瓶頸,與基于實踐性情景發(fā)展模式相符。從環(huán)境角度探究平衡車的關鍵情景要素,環(huán)境元素包含許多信息。分析平衡車的使用環(huán)境,平衡車對使用路面的要求很高,需要平整的路面條件才能滿足其使用條件。并且平衡車使用事故多是因為路面狀況不好導致的,現(xiàn)以不平路面即“復雜路面”作為平衡車情景變換的關鍵情景要素,探究專利設計過程,如圖17所示。

圖17 平衡車關鍵情景要素變換

根據(jù)新情景變換情況分析現(xiàn)有專利系統(tǒng)功能不足,新情景是基于關鍵情景要素改變下的情景,即路面由平整狀態(tài)變?yōu)椴黄秸穆访?根據(jù)多層功能情景行為表,平衡車應用過程中,路面情況作為情景行為過程的主體出現(xiàn)在效果層級,問題點出現(xiàn)在情景行為EL24,即通過功能傳遞后轉動的車輪無法在復雜路面上行駛,導致后續(xù)的目的層級功能也同時無法實現(xiàn),如表6所示。

表6 基于新情景平衡車情景過程問題表

根據(jù)情景分析結果,應用情景行為鏈形式,直觀展現(xiàn)情景變換后現(xiàn)有技術系統(tǒng)功能問題,如圖18所示,方便后續(xù)功能分解與規(guī)避設計。

圖18 平衡車情景行為問題鏈

3.4 平衡車新技術方案求解

根據(jù)情景變換專利分析過程,確定現(xiàn)有技術系統(tǒng)問題功能出現(xiàn)在效果層級系統(tǒng)。進一步分析問題功能,效果層級系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)車載人移動,當使用情景變?yōu)閺碗s路面時效果層級“EL24”功能無法實現(xiàn)。效果層級系統(tǒng)功能出現(xiàn)問題將導致目的層級系統(tǒng)“PL31、PL32、PL33”功能都無法實現(xiàn),以效果層級系統(tǒng)為功能分解起點,對需求功能進行逆序分解,如圖19所示。

圖19 需求功能分解順序

以效果層級系統(tǒng)為需求功能分解起點,效果層級系統(tǒng)包含待設計產品系統(tǒng)與系統(tǒng)作用對象。明確效果層級功能為在“復雜路面移動”,以功能黑盒形式表示如圖20所示。效果層級系統(tǒng)初始狀態(tài)包括人、復雜路面環(huán)境、平衡車,實際情景行為是“人通過平衡車在復雜路面移動”,期望狀態(tài)包括人、平衡車、復雜路面環(huán)境,期望的情景行為是“平衡車載人在復雜路面自由行進”,效果層級功能是平衡車輸出動力、載人在復雜路面移動,平衡車為待求未知部分。根據(jù)平衡車的使用過程分析,復雜路面只是對系統(tǒng)的功能實現(xiàn)過程起到限定作用,即要求系統(tǒng)的輸出流能夠在這種復雜路面達到相應效果,對于平衡車的功能分解過程,不作為相應的功能承載者,因此效果層級的功能過程全部由產品技術系統(tǒng)承載,即通過產品技術系統(tǒng)輸出流為“位移的人”,而承載輸入流為行為層級的輸出流,效果層級功能分解完成后對行為層級功能進行分解。

圖20 效果層級功能分解

行為層級系統(tǒng)的輸入流為已知端,由人、可利用能源、相關可用元件組成,通過物質、能量、信息流形式對輸入端信息劃分,3種形式的流扮演不同作用。能量即為系統(tǒng)的動力源,是實現(xiàn)平衡車必備要素,通過能量獲取、能量控制、能量轉換、能量輸出過程完成平衡車的能量傳輸。信息主要是對系統(tǒng)起到調控作用,信息參與系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)運轉、系統(tǒng)停止等全過程,對于平衡車人既屬于能量類又屬于物質類,作為能量類通過輸入能量實現(xiàn)接通能源、啟動能源、控制能源等一系列工作過程,作為物質類人是平衡車的作用對象,通過對行為層級系統(tǒng)輸入端分析,對相關已知信息按照能量、物質、信息流的形式進行分解,完成對需求功能的劃分,如圖21所示。

圖21 行為層級功能分解

知識源檢索與技術方案分析,根據(jù)平衡車的行駛需求,在相關網站上檢索知識源,確定一種履帶式全地形電動椅CN114010413A為知識源。構建履帶式全地形電動椅功能結構圖如圖22所示。虛線框內的功能結構鏈為技術系統(tǒng)求解方案技術流程,是指導專利規(guī)避設計的技術信息。

圖22 知識源技術方案

行為層級能量流求解,根據(jù)知識源求解技術方案可知,履帶式電動椅系統(tǒng)的能量流是以電能形式存在,通過電能的轉換實現(xiàn)系統(tǒng)的動能輸出。現(xiàn)有技術方案的能量流也是以電能形式存在,通過電能轉換實現(xiàn)系統(tǒng)動能輸出。因此,新技術系統(tǒng)方案也確定以電能作為系統(tǒng)能量來源,對于平衡車系統(tǒng)能量流的轉換包含能量獲取、能量控制、能量轉換3個必經過程,通過知識源技術方案原理與現(xiàn)有技術方案,設計行為層級能量流包含一條路徑,路徑包含3個必經階段,實現(xiàn)行為層級能量流求解。

行為層級信息流求解,根據(jù)知識源技術方案可知,知識源技術方案的信息流存在兩種形式,一種信息流存在于履帶式電動椅的啟停過程,另一種信息流存在于履帶式電動椅的運轉過程。目標專利技術方案只存在一種形式信息流,只存在平衡車的開始/關閉控制階段。在行為層級系統(tǒng)功能承載中,信息流作為承載功能實現(xiàn)的一部分,主要對系統(tǒng)起到調控作用。因此,設計平衡車新技術方案行為層級信息流存在兩種形式：①指標信息流,展示平衡車運行過程的關鍵指標信息,通過數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)顯示3個必經過程實現(xiàn);②控制信息流,通過信息流實現(xiàn)平衡車系統(tǒng)控制,包含系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)運轉、系統(tǒng)停止3個必經過程。通過知識源技術方案原理與現(xiàn)有技術方案,設計行為層級信息流包含兩條路徑,每條路徑包含3個必經階段,完成行為層級信息流求解。

人在行為層級只表現(xiàn)為能量屬性,分析知識源技術方案可知,知識源技術方案人以能量流存在兩種形式：①以能量傳遞形式存在;②以能量轉換形式存在。目標專利技術系統(tǒng)只存在一種能量轉換形式。因此,設計平衡車新技術方案行為層級中人提供的能量流存在兩種形式：①以人力能量流形式存在,實現(xiàn)系統(tǒng)的能量傳遞,包含接通能源、啟動能源、控制能源3個必經過程;②以能量轉換流形式存在,實現(xiàn)系統(tǒng)能量轉換,包含操作系統(tǒng)、能量傳遞、能量轉換3個必經過程。通過知識源技術方案原理與現(xiàn)有技術方案,設計行為層級人提供能量流包含兩條路徑,每條路徑包含3個必經階段,完成行為層級人能量流形式求解。

根據(jù)可用知識源與現(xiàn)有技術方案分析,完成了行為層級系統(tǒng)承載過程的能量流、信息流與物質流求解,根據(jù)設計結果構建行為層級總流程結構圖,如圖23所示。

圖23 行為層級系統(tǒng)求解

效果層級承載功能求解,根據(jù)功能分解可知,效果層級功能強調的是作用效果,對于待求解系統(tǒng)即為“平衡車在復雜路面運動”效果。根據(jù)功能黑盒形式,效果層級功能輸入流即為行為層級功能的輸出流,即動能(能量流)、信息(信息流)、人力(能量流)、其他能量(能量流)。效果層級能量流求解,分析知識源技術方案可知,履帶式全地形電動椅通過引入履帶式傳動機構,改變傳動過程與接地形式實現(xiàn)電動椅的運動?，F(xiàn)有技術系統(tǒng)通過齒輪傳動機構,實現(xiàn)平衡車的運動。針對復雜路面的行駛條件,因為現(xiàn)有技術系統(tǒng)傳遞轉換環(huán)節(jié)多,以及車輪本身設計的局限,無法達到使用需求,所以設計平衡車新技術方案效果層級承載功能,可以通過改變平衡車傳動過程與接地形式實現(xiàn)。根據(jù)新方案求解思想,效果層級能量流轉換過程設計過程可以直接通過控制器、能量轉換、車輪轉動過程實現(xiàn)平衡車運動,以消除現(xiàn)有方案傳遞過程的齒輪傳動能量轉換環(huán)節(jié),提高平衡車操作靈敏性和傳動效率。通過知識源技術方案原理與現(xiàn)有技術方案設計效果層級能量流。

效果層級信息流求解,分析知識源技術方案可知,履帶式全地形電動椅通過搖柄控制器傳遞指令信息,實現(xiàn)前進和后退運動。同時搖柄控制器還能發(fā)出加速與減速指令信息,控制電機的供電量?，F(xiàn)有技術方案只存在開/關指令控制信息。針對復雜路面使用環(huán)境需求,可以通過主動控制方式實現(xiàn)效果層級系統(tǒng)承載功能。根據(jù)新技術方案求解思想,信息流在效果系統(tǒng)層面主要輔助系統(tǒng)完成既定功能效果。針對復雜路面的行駛效果,電能是系統(tǒng)主要能源,電能信息對于掌握平衡車狀態(tài)信息至關重要。平衡車運行狀態(tài)信息主要包含車速、加速度、車身姿態(tài)信息,也是掌握平衡車運動的主要信息。平衡車行駛路況信息,也是平衡車運動的主要信息,行駛路況信息主要指障礙物信息,是與平衡車行駛過程密切相關信息。因此,設計平衡車新技術系統(tǒng)效果層級信息流存在兩種形式：①數(shù)據(jù)檢測信息流;②控制信息流。檢測信息流包含路面障礙物信息,模塊主要針對行駛過程的路面障礙物信息檢測,通過傳感器、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析過程實現(xiàn)障礙物信息獲取。檢測信息流還包含距離信息,通過同樣的流程檢測障礙物與平衡車距離信息,將距離信息傳遞回系統(tǒng),同時能夠發(fā)出危險警報信息。檢測信號流還包括系統(tǒng)電量信息,通過電量檢測、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析過程掌握平衡車電量信息,同時也能發(fā)出預警信息?？刂菩畔⒘饕粤餍畔鬟f實現(xiàn)系統(tǒng)控制,通過傳感器獲取速度、加速度、角速度等運行信息,再通過數(shù)據(jù)分析、能量控制等必須過程完成信息流的轉換,實現(xiàn)平衡車系統(tǒng)控制。

通過知識源技術方案原理與現(xiàn)有技術方案,設計效果層級信息流包含兩種形式,包含電能信息、運行狀態(tài)信息、運行路況信息。求解效果層級信息流,構建相應信息流結構,如圖24所示。

圖24 效果層級信息流求解

效果層級輸入端的人不參與效果層級承載功能求解,直接順延到目的層級系統(tǒng)。根據(jù)功能分解過程可知,待求系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)目的層級功能相同,因此新方案中人力與機械能工作形式相同,不作重復分析。通過多層功能求解過程,完成各層級承載功能的求解,根據(jù)設計結果構建新技術系統(tǒng)總功能結構,如圖25所示,完成平衡車新技術方案功能求解。

根據(jù)新技術方案功能過程,將平衡車新技術系統(tǒng)劃分為驅動模塊、執(zhí)行模塊、制動模塊、監(jiān)測模塊與反饋模塊5部分。根據(jù)功能結構關系搭建相應平衡車實物,并對功能過程進行調試,完成平衡車新技術方案設計,如圖26所示。

圖26 專利規(guī)避設計平衡車實物圖

3.5 侵權判定

應用多層功能認知擴展的專利規(guī)避設計方法,完成對平衡車的專利規(guī)避設計,對平衡車新技術方案進行侵權檢驗。平衡車屬于機械產品,因此根據(jù)全面覆蓋原則和等同原則進行侵權驗證。分析CN109398582A平衡車各項權利要求可知,CN109398582A平衡車權利要求主要包含驅動機構和制動機構兩部分。構建專利侵權判定對比表如表7所示。

表7 專利侵權判定

對比現(xiàn)有技術方案與規(guī)避設計方案的技術特征可知,新技術方案與現(xiàn)有技術方案的權利要求范圍不同。新技術方案在實現(xiàn)平衡車驅動性能同時提高了平衡車靈敏性。在制動過程中,通過增加識別模塊與反饋模塊,輔助平衡成實現(xiàn)制動,同時增加了預警機制,提高了行駛過程的安全。能夠確定規(guī)避設計方案不存在侵權行為,且規(guī)避設計產生的新方案提高了現(xiàn)有技術的性能。

4 結束語

專利規(guī)避設計方法的核心是對功能的再設計,但是由于對功能認知的局限,導致專利規(guī)避設計功能分析路徑受阻,使得專利規(guī)避設計求解方法受限。本文針對上述專利規(guī)避設計問題,提出了基于多層功能認知擴展的專利規(guī)避設計方法,通過引入行為層級、效果層級、目的層級功能認知概念,并與情景變換分析方法相結合,通過目標專利檢索,目標專利分析,規(guī)避設計、侵權判定流程實現(xiàn)專利規(guī)避設計,論文的主要創(chuàng)新點如下：

(1)提出了基于多層功能認知與情景變換的專利分析方法。通過引入行為層級、效果層級、目的層級功能認知概念,構建了多層功能認知體系,擴展了專利規(guī)避設計過程的功能分析路徑。

(2)提出了基于多層功能認知的專利規(guī)避設計方法。根據(jù)多層功能認知涵蓋的設計對象不同,使專利規(guī)避設計求解過程不再局限于產品技術系統(tǒng),而是包含產品使用者與產品使用環(huán)境,擴展了專利規(guī)避設計求解思考范圍。

未來將以效果層級變換為研究重點,細化每種效果層級變換特點并歸類,探究不同類型效果層級變換的專利規(guī)避設計方法。