楊雯丹 ,曹國忠+

(1.河北工業(yè)大學 機械工程學院,天津 300401;(2.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)

1 問題的描述

新產(chǎn)品開發(fā)過程分為創(chuàng)意開發(fā)、產(chǎn)品開發(fā)和市場開發(fā)3個階段[1],如圖1所示。創(chuàng)意開發(fā)階段的主要任務是將產(chǎn)生新產(chǎn)品的想法通過技術現(xiàn)狀分析和可行性評估轉化為具有詳細說明的設計任務。產(chǎn)品開發(fā)階段的主要任務是通過概念設計將上一階段輸入的設計任務轉化為技術原理逐漸清晰的概念設計方案,并通過詳細設計與制造形成結構與外形逐漸清晰的產(chǎn)品。市場開發(fā)階段的主要任務是將產(chǎn)品變成能盈利的商品。其中,概念設計方案決定了新產(chǎn)品的基本特征,體現(xiàn)了產(chǎn)品設計中的創(chuàng)造性思維,因此概念設計方案生成方法的研究一直是新產(chǎn)品開發(fā)領域的重要研究內(nèi)容[2]。

圖1 新產(chǎn)品開發(fā)過程[1]

專利數(shù)據(jù)作為激發(fā)設計人員獲得創(chuàng)新靈感和設計思路的知識資源,與概念設計方案的生成關系密切[3]。針對如何合理、高效地利用專利數(shù)據(jù),以輔助概念設計方案的生成,相關研究主要集中在以下兩個方面:支持概念設計方案生成的技術機會識別方法研究和概念設計方案技術特征獲取方法研究。

技術機會識別方法的相關研究重點關注如何從專利數(shù)據(jù)中識別新興技術、研發(fā)熱點、研發(fā)空白或技術融合趨勢,為新產(chǎn)品概念設計方案的生成提供技術規(guī)劃和創(chuàng)新激勵。杜尊峰等[4]綜合運用專利申請量、申請人和技術領域分布等信息,提出識別海洋工程裝備領域新興技術的方法,制定了開發(fā)半潛式平臺、自升式平臺和浮式生產(chǎn)儲卸裝置等新產(chǎn)品的建議。苗紅等[5]基于專利引用數(shù)據(jù)確定了領域技術發(fā)展路徑,識別了領域的主要技術、熱點技術和新興技術作為新產(chǎn)品的核心技術。CHOI等[6]基于專利技術細節(jié)構建了網(wǎng)絡化專利地圖,結合復雜網(wǎng)絡技術識別了新產(chǎn)品的通用技術和關鍵技術。WANG等[7]開發(fā)了一種定位專利文獻集合中離群專利的方法,識別了新產(chǎn)品的核心技術。王巍潔等[8]研究了基于專利技術特征與功能效果的技術功效矩陣,指出進一步發(fā)展矩陣中空白區(qū)域的技術主題可形成新產(chǎn)品的新應用技術。YOON等[9]開發(fā)了一種基于專利技術相似性的專利地圖,提出將地圖空白區(qū)域周邊的專利技術進行融合可形成新產(chǎn)品的應用技術。KIM等[10]開發(fā)了一種基于專利引文數(shù)據(jù)和技術相似性的專利網(wǎng)絡,提出可通過衡量專利集群之間的連通性和技術相關性識別具有高度融合潛力的專利對,形成新產(chǎn)品的新應用技術。支持概念設計方案生成的技術機會識別方法研究,從專利數(shù)據(jù)中挖掘了輔助生成新產(chǎn)品概念設計方案的核心技術、外圍技術和衍生技術等,在一定程度上解決了缺乏新產(chǎn)品應用技術檢索來源的問題,但仍存在提供的設計知識多表現(xiàn)為宏觀抽象的創(chuàng)新方向、缺少確定新產(chǎn)品功能的設計知識和識別的應用技術沒有與新產(chǎn)品功能相匹配等,而導致應用技術可用性低,難以輔助設計人員有效形成概念設計方案。

技術特征獲取方法的相關研究重點關注如何將專利技術中的技術特征作為當前設計問題的解決方案,以提高新產(chǎn)品概念設計方案的生成效率,形成了基于類比的專利設計知識重用方法和基于TRIZ理論的專利規(guī)避設計方法兩個研究方向。

(1)基于類比的專利設計知識重用方法首先利用文本挖掘技術提取專利文本中的設計知識,接著通過指標評價法、相似度算法等識別與當前設計問題最相關的知識,以輔助生成新的概念設計方案。例如,李少波等[11]基于關鍵詞統(tǒng)計分析算法從成熟專利技術中提取了解決方案,接著通過重要性和滿意度評價識別了可作為類比源的專利知識用于實現(xiàn)新產(chǎn)品的相似功能。CHOI等[12]基于主體-行為-客體三元結構提取技術構建了一個適用于功能導向搜索的專利知識庫,基于該知識庫設計人員可從中找到新設計問題的現(xiàn)有解決方案。LIU等[13]綜合運用了句法分析、WordNet和詞向量技術提取了國際專利分類表中的功能、效應和應用領域等知識,然后給出了使用這些知識解決跨領域設計問題的方法。基于類比的專利知識重用方法,通過引入自然語言處理技術,能實現(xiàn)對大規(guī)模專利文本的分析,進而利用更廣泛的多學科、跨領域設計知識解決當前技術領域的問題,提升新產(chǎn)品概念設計方案的新穎性和創(chuàng)造性,但相關研究多集中于研究文本挖掘方法或設計知識的表示與應用方法,較少涉及專利文本數(shù)據(jù)的前期評價,導致作為類比源的設計知識在功能實現(xiàn)方面的針對性和可用性不強。

(2)基于TRIZ理論的專利規(guī)避設計方法首先依據(jù)專利規(guī)避原則對具有潛在侵權風險的專利技術進行規(guī)避,然后針對規(guī)避后出現(xiàn)的新設計問題引入TRIZ理論中的問題解決工具形成新的概念設計方案。例如,江屏等[14]設計了融合專利規(guī)避原則和TRIZ理論中裁剪方法的專利規(guī)避設計流程。李輝等[15]進一步引入了TRIZ理論中的技術系統(tǒng)進化定律、效應分析、資源分析等工具提出基于制度與技術雙重約束的專利規(guī)避過程模型?；赥RIZ理論的專利規(guī)避設計方法能輔助設計人員高效、快速地形成具有自主知識產(chǎn)權的概念設計方案,但當前方法主要針對單篇專利文獻或目標專利集合,更適用于面向即有產(chǎn)品優(yōu)化的概念設計方案生成,需要結合前期專利檢索和篩選技術以適應新產(chǎn)品開發(fā)任務。

綜上所述,基于專利數(shù)據(jù)的新產(chǎn)品概念設計方案生成相關研究在應用技術識別和技術特征獲取等方面取得了眾多研究成果,但仍缺乏輔助新產(chǎn)品功能描述、分解及創(chuàng)新的設計知識,且存在功能實現(xiàn)技術檢索結果可用性不高、難以有效生成概念設計方案的問題。另外,當前研究還缺少綜合利用多類型專利數(shù)據(jù),提取新產(chǎn)品概念設計方案生成過程不同階段所需的特定專利知識的研究。從目前搜集到的以專利數(shù)據(jù)為研究對象的資料來看,專利數(shù)據(jù)可分為國際專利分類表、專利文獻集合統(tǒng)計數(shù)據(jù)和專利文獻文本數(shù)據(jù)3種類型,但當前研究多為單一專利數(shù)據(jù)源驅(qū)動的輔助設計方法,較少考慮多類型專利數(shù)據(jù)綜合應用的優(yōu)勢。如表1所示為3種不同類型專利數(shù)據(jù)的特點和適用場景。鑒于此,本研究以國際專利分類表、專利文獻集合統(tǒng)計數(shù)據(jù)和專利文獻文本數(shù)據(jù)為研究對象,以提取輔助新產(chǎn)品概念設計方案生成過程中的功能描述及分解、功能實現(xiàn)技術確定和技術特征獲取所需的不同設計知識為目標,提出一個專利數(shù)據(jù)輔助的新產(chǎn)品概念設計方案生成方法。首先,使用文本相似度算法在國際專利分類表的分類號釋義中檢索與設計任務相關的設計知識,輔助描述新產(chǎn)品的主功能,并基于C-K理論將國際專利分類表中的設計知識視為K空間中的元素,新產(chǎn)品的子功能視為C空間中的元素,利用元素間的轉化輔助分解主功能。接著,依據(jù)專利文獻集合統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析新產(chǎn)品功能實現(xiàn)技術的成熟度,結合功能創(chuàng)新策略,確定新產(chǎn)品的功能創(chuàng)新方向,并在此基礎上提取專利文獻集合中的共現(xiàn)分類號,分析專利技術的多功能特征,通過預測集成功能實現(xiàn)新產(chǎn)品功能創(chuàng)新。最后,應用專利文獻跨域特征分析模型,量化專利技術的知識廣度和流動性,輔助優(yōu)選功能實現(xiàn)技術,并應用語義解析技術提取專利文獻文本數(shù)據(jù)中的技術特征,輔助生成新產(chǎn)品概念設計方案。

表1 不同類型專利數(shù)據(jù)的特點及適用場景對比

2 專利數(shù)據(jù)輔助的新產(chǎn)品概念設計方案生成框架

專利數(shù)據(jù)輔助的新產(chǎn)品概念設計方案生成框架如圖2所示,該框架描述了基于國際專利分類表的功能描述及分解過程、基于專利文獻集合統(tǒng)計數(shù)據(jù)的新產(chǎn)品功能創(chuàng)新過程、基于專利文獻集合統(tǒng)計數(shù)據(jù)的功能實現(xiàn)技術優(yōu)選過程和基于專利文獻文本數(shù)據(jù)語義解析的概念設計方案技術特征獲取過程。

圖2 專利知識輔助的新產(chǎn)品概念設計方案生成框架

本文第3章主要介紹基于國際專利分類表的新產(chǎn)品功能描述及分解過程,首先構建國際專利分類表設計知識庫,然后使用文本相似度算法檢索知識庫中與新產(chǎn)品設計任務相關的分類號釋義,輔助描述新產(chǎn)品的主功能,接著引入C-K理論將下級分類號釋義類比為新產(chǎn)品的子功能,輔助完成新產(chǎn)品主功能分解。

第4章主要介紹基于專利文獻集合統(tǒng)計數(shù)據(jù)的新產(chǎn)品功能創(chuàng)新過程,首先結合專利技術成熟度分析和功能創(chuàng)新策略,確定新產(chǎn)品的功能創(chuàng)新方向,然后通過分類號共現(xiàn)分析,確定新產(chǎn)品的集成功能,輔助實現(xiàn)新產(chǎn)品功能創(chuàng)新。

第5章主要介紹基于專利文獻集合統(tǒng)計數(shù)據(jù)的功能實現(xiàn)技術優(yōu)選過程,首先基于專利文獻跨域特征分析模型區(qū)分領域內(nèi)專利技術和跨域?qū)＠夹g,接著引用技術領域融合度的概念,基于專利技術的知識廣度和流動性優(yōu)選功能實現(xiàn)技術。

第6章主要介紹基于專利文獻文本數(shù)據(jù)的概念設計方案技術特征獲取過程,首先通過對專利獨立權利要求進行語義解析提取專利技術的技術特征,接著引入TRIZ理論中的關系型功能模型,通過類比設計將專利技術的技術特征轉化為新產(chǎn)品概念設計方案的技術特征,最終組合生成新產(chǎn)品概念設計方案。

3 基于國際專利分類表的新產(chǎn)品功能描述及分解

當前輔助描述和分解新產(chǎn)品功能的設計知識多來源于設計人員長期積累的工程經(jīng)驗,缺少客觀、系統(tǒng)的設計知識。本文構建國際專利分類表設計知識庫(International Patent Classification Knowledge Database, IPCKDB),提出基于IPCKDB的功能描述及分解方法。

3.1 國際專利分類表設計知識庫構建

3.1.1 國際專利分類表中的設計知識分析

為便于專利文獻的管理和檢索,專利說明書的扉頁給出了專利文獻的國際專利分類號。由于每個分類號都有對應的分類號釋義對其代表的技術主題進行解釋,因此通過分類號釋義可獲知專利文獻的技術主題。國際專利分類表(International Patent Classification, IPC)是管理所有分類號及其釋義的工具,它將所有分類號及其釋義組織在一個包含部、大類、小類、大組和小組的樹形層次結構中[16]。也就是說,IPC中的分類號釋義不僅包含了產(chǎn)業(yè)整體技術空間所涉及的幾乎所有技術主題,而且依據(jù)其在樹形層級結構中所處的上下級層次,可從宏觀、中觀和微觀等多個層次對產(chǎn)業(yè)整體技術空間進行分析。

進一步分析分類號釋義和相關研究發(fā)現(xiàn),IPC的“小類”級釋義中包含與系統(tǒng)或設計任務相關的設計知識,“組”級釋義包含與行為或結構相關的設計知識,且IPC樹形層次結構體現(xiàn)了以上設計知識的從屬關系和并列關系[17]。鑒于此,本文提出從IPC的“小類”級釋義中提取設計知識,輔助描述新產(chǎn)品的主功能,并通過查詢“小類”包含的“組”級釋義,從中提取系統(tǒng)結構分解知識和系統(tǒng)行為分解知識,輔助分解主功能。

3.1.2 國際專利分類表設計知識庫構建

為便于IPC中設計知識的檢索和管理,有必要構建一個IPCKDB。IPCKDB包含小類號數(shù)據(jù)、大組號數(shù)據(jù)和小組號數(shù)據(jù),共78 343條,其構建過程如下:

(1)第一階段:對IPC的原始數(shù)據(jù)進行預處理,為設計知識的提取奠定基礎。IPC的原始數(shù)據(jù)是從國家知識產(chǎn)權局網(wǎng)站(https://www.cnipa.gov.cn)收集的。其中,分類號釋義中還包含了與本研究無關的參考信息和日期組成,需刪除。

(2)第二階段:從分類號釋義中提取關鍵詞作為輔助新產(chǎn)品功能描述的設計知識。分類號釋義中的動詞可表示產(chǎn)品功能,名詞可表示產(chǎn)品結構[13]。因此,可提取分類號釋義中的動詞作為功能類設計知識,名詞作為結構類設計知識。為使提取過程更高效,操作性更強,可使用哈爾濱工業(yè)大學社會計算與信息檢索研究中心開發(fā)的面向中文文本的自然語言處理技術平臺(Language Technology Platform,LTP)[18],對分類號釋義作分詞、詞性標注和停用詞處理等操作。設計知識提取結果如表2所示。

表2 國際專利分類表中的設計知識提取結果

(3)第三階段:使用樹形存儲方式對國際專利分類表中的設計知識進行存儲,構建IPCKDB。為實現(xiàn)依據(jù)上級設計知識快速檢索下級設計知識,可使用樹形存儲方式中的孩子表示法[19]構建IPCKDB。IPCKDB將每個小類的下級大組排列起來,看成是一個線性表,以單鏈表作存儲結構。大組的下級小組也用同樣的方式存儲。然后將所有分類號及其設計知識按順序存儲方式存放進一個列表中。對于要查找某個小類的一個或多個下級設計知識,只需要查找該小類的單鏈表即可。

3.2 基于IPCKDB和文本相似度的新產(chǎn)品主功能描述

構建完IPCKDB,即可獲得一個由產(chǎn)業(yè)整體技術空間專業(yè)術語構成的設計知識庫。通過在IPCKDB中檢索與設計任務相關的設計知識,可獲得描述新產(chǎn)品主功能的專業(yè)術語。本文提出一種基于文本相似度的從IPCKDB中檢索輔助描述新產(chǎn)品主功能設計知識的方法,詳細過程如下:

(1)第一階段:設計任務的規(guī)范化描述。設計人員可參考文獻[20]提出的系統(tǒng)功能描述規(guī)則對設計任務進行抽象化表達。系統(tǒng)功能描述規(guī)則包括:

1)“動詞+名詞”。設計任務為“通過外界環(huán)境向系統(tǒng)輸入資源或系統(tǒng)向外部環(huán)境輸出資源導致系統(tǒng)的變化”。例如,“吸收氣體”“發(fā)出聲音”和“切割管材”等。

2)“動詞+名詞1+和+名詞2”。設計任務為“改變兩個或多個物質(zhì)之間的關系”。例如,“分離蛋黃和蛋白”“連接螺塞和容器”和“混合溶劑和溶液”等。

3)“動詞+名詞+的+參數(shù)”。設計任務為“改變物質(zhì)的參數(shù)”。例如,“提升物體高度”“降低液體溫度”和“控制氣體壓強”等。

為避免設計人員用詞過于隨意,可參考文獻[21-22]給出的適用于機械和機電領域的功能基、操作集、流集和屬性集,對適用于設計任務規(guī)范化描述的動詞、名詞和參數(shù)進行約束。

(2)第二階段:使用文本相似度算法計算設計任務與設計知識的相似度。計算步驟如下:

1)將IPCKDB中的專業(yè)術語組合成一個新的語料庫,并基于Bag-of-Words(BoW)模型[23]構建字典。字典可表示為

式中x為IPCKDB中專業(yè)術語的數(shù)量。

2)依據(jù)分類號的功能類設計知識和結構類設計知識,將每個分類號表示為一個x維向量。可依據(jù)字典中的專業(yè)術語是否出現(xiàn)在分類號釋義中,將該分類號表示為一個只含0,1元素的向量,是記為1,否則為0。第n個分類號向量表示為

ipcn=[ipcn1,ipcn2,…,ipcni,…,ipcnx]。

3)依據(jù)設計任務規(guī)范化描述中的用詞,將其表示為一個x維向量。

task=[task1,task2,…,taski,…,taskx]。

4)計算task與每個分類號向量的相似度。常用的向量相似度算法包括歐式距離算法、余弦距離算法和余弦相似度算法等。由于余弦相似度算法更適用于高維正空間,此處推薦使用余弦相似度算法。task與第n個分類號的相似度可表示為

(3)第三階段:按相似度從大到小的順序依次分析分類號的功能類設計知識和結構類設計知識,選取其中的專業(yè)術語作為描述新產(chǎn)品主功能的元素,同時記錄相應的分類號作為后續(xù)檢索功能實現(xiàn)技術的依據(jù)。

3.3 基于IPCKDB和C-K理論的主功能分解

分類號的下級分類號釋義中包含了系統(tǒng)結構分解知識和系統(tǒng)行為分解知識,因此確定了主功能對應的分類號后,通過查詢相應下級分類號的設計知識,可獲得輔助分解新產(chǎn)品主功能的專業(yè)術語。為規(guī)范新產(chǎn)品主功能的分解過程,引入C-K理論[24],提出基于IPCKDB和C-K理論的新產(chǎn)品主功能分解模型,包括子功能空間(F空間)和IPC設計知識空間(K空間),如圖3所示。K空間的設計元素定義如下

圖3 基于IPCKDB和C-K理論的新產(chǎn)品主功能分解模型

Ki={kn,gi},i=1,2,…,n。

式中:kn表示在初始條件下主功能對應的分類號;gi表示分類號下級組號中的設計知識。

F空間的設計元素定義如下

Fi={pi,fi},i=1,2,…,n。

式中:pi表示產(chǎn)品的結構或行為,fi表示子功能。

從F空間(K空間)到K空間(F空間)的元素轉化主要通過以下4個算子操作來實現(xiàn):

(1)判斷:判斷功能是否需要分解,若需要,則進行其他算子操作;否則,結束。

(2)知識擴展:將下級分類號的設計知識作為K空間中的新元素。

(3)知識類比:依據(jù)K空間中的新元素確定與新產(chǎn)品主功能相關的產(chǎn)品結構或產(chǎn)品行為,作為F空間中的新元素。該操作起始于分類號下級組號中的設計知識gi,終止于新產(chǎn)品的產(chǎn)品的結構或行為pi。設計知識的選取可依據(jù)分類號下級組號的釋義與新產(chǎn)品的設計任務書中要求的功能需求、性能需求的相似性選取。

(4)功能分解:將F空間中的新元素作為輔助分解新產(chǎn)品主功能的設計知識,衍生出新產(chǎn)品的子功能。該操作描述功能樹的構建過程,依據(jù)K空間中設計知識的層次關系,將子功能連接為樹形結構。

利用以上算子操作,可將新產(chǎn)品的主功能分解為子功能,并依據(jù)K空間中元素的樹形層次結構生成新產(chǎn)品的功能樹。同樣,相應的分類號將作為后續(xù)檢索功能實現(xiàn)技術的依據(jù)。

4 基于專利文獻集合統(tǒng)計數(shù)據(jù)的新產(chǎn)品功能創(chuàng)新

功能創(chuàng)新技術是提升產(chǎn)品整體性能和價值的有效手段,包括功能進化、功能組合以及功能失效分析等[22]。其中,功能組合根據(jù)產(chǎn)品的既定目標,將具備組合特性和滿足優(yōu)化目標的功能要素按照一定的關系集成并優(yōu)化。本文將依據(jù)專利文獻集合統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析新產(chǎn)品的功能實現(xiàn)技術成熟度,確定新產(chǎn)品的功能創(chuàng)新方向, 然后依據(jù)專利文獻的共現(xiàn)分類號分析專利技術的多功能特征,預測新產(chǎn)品的集成功能,實現(xiàn)新產(chǎn)品功能創(chuàng)新。

4.1 基于專利技術成熟度分析的功能創(chuàng)新方向確定

文獻[22]提出了面向功能創(chuàng)新的5個功能組合方案,可作為新產(chǎn)品的功能創(chuàng)新方向。為輔助設計人員確定新產(chǎn)品的功能創(chuàng)新方向,需明確不同功能組合方案的實施條件。文獻[25]研究了當產(chǎn)品處于不同技術生命周期階段時,企業(yè)應采取的集成創(chuàng)新模式?；谝陨涎芯砍晒?本文以專利文獻為研究對象,將專利文獻視為實現(xiàn)新產(chǎn)品子功能的技術,依據(jù)專利文獻年申請量的統(tǒng)計特征,推理可知功能實現(xiàn)技術所處的生命周期階段[26],接著依據(jù)文獻[25]中所述創(chuàng)新策略的實施條件和文獻[22]中所述功能組合方案,給出新產(chǎn)品功能創(chuàng)新方向及其實施條件(如表3)。

表3 新產(chǎn)品功能創(chuàng)新方向及實施條件

(1)若實現(xiàn)基本功能的專利技術處于嬰兒期或成長期前期,可為基本功能添加輔助功能作為新產(chǎn)品的功能創(chuàng)新方向;

(2)若實現(xiàn)基本功能的專利技術處于退出期,可添加新功能與該基本功能集成,形成實現(xiàn)新的基本功能的技術,作為已有技術的替代技術,形成新產(chǎn)品的功能創(chuàng)新方向;

本文以《明史》中的《宰輔 年表》［2］（卷109、110，宰輔年表一、二）為主要研究對象。注意到其中存在錯誤，學界已有人進行了訂正，例如胡丹的《〈明史·宰輔年表〉校正〉》［3］。本研究結合《明史》中的其他內(nèi)容及《明實錄》等進行了?？?。

(3)若實現(xiàn)輔助功能的專利技術處于成長期后期或退出期,可將該輔助功能調(diào)整為基本功能,作為新產(chǎn)品的功能創(chuàng)新方向;

(4)若實現(xiàn)輔助功能的專利技術處于成長期前期,添加新功能與該輔助功能集成,形成實現(xiàn)新的輔助功能的技術,將作為新產(chǎn)品的功能創(chuàng)新方向。

值得注意的是,在對實現(xiàn)特定功能的專利文獻集合進行計量分析前,設計人員需首先依據(jù)功能實現(xiàn)必要性,將上一階段確定的產(chǎn)品功能分為基本功能和輔助功能,然后結合功能實現(xiàn)技術所處的生命周期階段和專利文獻集合的統(tǒng)計特征,確定新產(chǎn)品的功能創(chuàng)新方向。

4.2 基于共現(xiàn)分類號和鏈路預測算法的集成功能預測

接下來需要為功能創(chuàng)新方向確定功能元素。一篇專利文獻描述的專利技術可能實現(xiàn)多個功能、具有多項關鍵技術特征,因此一篇專利文獻可能被歸類在多個分類號下。這些共同出現(xiàn)在同一篇專利文獻扉頁上的分類號被稱為共現(xiàn)分類號。由于從分類號釋義中可提取功能類設計知識,通過分析共現(xiàn)分類號,可識別實現(xiàn)多功能的專利文獻。進一步,從實現(xiàn)新產(chǎn)品功能的專利文獻集合中提取共現(xiàn)分類號,分析共現(xiàn)分類號釋義中的功能類設計知識,可輔助確定新產(chǎn)品的集成功能,作為功能創(chuàng)新方向的功能元素。當前有關共現(xiàn)分類號的研究,常使用以分類號為節(jié)點、共現(xiàn)關系為邊的分類號共現(xiàn)網(wǎng)絡作為分析工具,以評估產(chǎn)業(yè)融合的緊密程度[27]、分析技術融合的結構[28]或預測技術融合趨勢[29]。因此,本節(jié)引入分類號共現(xiàn)網(wǎng)絡,使用鏈路預測算法自動推薦共現(xiàn)分類號給設計人員,輔助預測集成功能,為功能創(chuàng)新方向確定功能元素。詳細過程如下:

(1)第一階段:構建分類號共現(xiàn)網(wǎng)絡。共現(xiàn)網(wǎng)絡的詳細構建步驟如下:①從專利文獻集合中提取共現(xiàn)分類號,并做去重處理;②將提取自同一篇專利文獻的共現(xiàn)分類號兩兩組合形成以元組形式存儲的共現(xiàn)關系;③依據(jù)共現(xiàn)關系構建N維共現(xiàn)矩陣,其中,N為共現(xiàn)分類號的數(shù)量,矩陣中的數(shù)字為行列對應分類號在專利文獻集合中共現(xiàn)的次數(shù);④將共現(xiàn)矩陣作為網(wǎng)絡結構的鄰接矩陣構建共現(xiàn)網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中節(jié)點為分類號,連邊為分類號之間的共現(xiàn)關系。分類號共現(xiàn)網(wǎng)絡可表示為G=(V,E,W)。其中:V表示分類號集合,V={vN};E表示依存關系集合,E={eij=(vi,vj)│vi,vj∈V};W表示共現(xiàn)關系的權重集合W={wij},wij是邊eij的權重。如圖4所示為分類號共現(xiàn)網(wǎng)絡的構建過程。

圖4 分類號共現(xiàn)網(wǎng)絡的構建過程

1)構建節(jié)點特征向量,提取分類號共現(xiàn)網(wǎng)絡的特征?；趫D嵌入學習的節(jié)點特征向量構建方法,由于不需要手動提取節(jié)點特征,更適合于處理大型網(wǎng)絡結構[30]。該方法通過節(jié)點隨機游走的方式,對圖中所有的節(jié)點進行全面采樣,進而將分類號共現(xiàn)網(wǎng)絡的圖結構轉化為向量數(shù)據(jù)。其實現(xiàn)過程如下:①選擇一個初始節(jié)點;②隨機從眾多相鄰節(jié)點中選擇一個成為下一步到達的節(jié)點;③循環(huán)執(zhí)行②,直到生成的序列符合預先指定的長度;④選擇另一個節(jié)點作為初始節(jié)點,循環(huán)執(zhí)行②和③,直到網(wǎng)絡中N個節(jié)點均被選擇,生成N個指定長度的序列;⑤參考文本分析的技術,將生成的節(jié)點序列類比為文本單句,可以使用Skip-Gram算法生成節(jié)點的特征向量。

由于該階段需要檢索“多樣化”的分類號,推薦使用有偏的節(jié)點隨機游走的算法Node2vec,游走策略選擇寬度優(yōu)先搜索。即,在步驟②中選擇下一步達到的節(jié)點時,傾向于選擇遠離初始節(jié)點的節(jié)點。

2)使用節(jié)點特征向量的相似度作為分類號共現(xiàn)關系的權重。其中,權重更大的共現(xiàn)關系表明兩個分類號共現(xiàn)的概率更大。節(jié)點i的特征向量與節(jié)點j的特征向量相似度可表示為

3)以子功能對應的分類號為基準分類號,將包含基準分類號的共現(xiàn)關系按權重從大到小的順序作為預測結果。

(3)第三階段:依據(jù)預測結果提取共現(xiàn)分類號,將共現(xiàn)分類號的功能類設計知識和結構類設計知識推薦給設計人員,作為預測集成功能的設計知識,以輔助確定功能創(chuàng)新方向的功能元素。

5 基于專利文獻集合統(tǒng)計數(shù)據(jù)的功能實現(xiàn)技術優(yōu)選

跨域?qū)＠夹g的應用能在有效應用已有專利技術的同時形成具有自主知識產(chǎn)權的核心技術[31]。但并非所有的跨域?qū)＠夹g都能有效解決目標領域的設計問題。一方面,將尚未應用于目標領域的專利技術作為設計刺激提供給設計人員,可以輔助生成更新穎、更多樣的解決方案[32];另一方面,已應用于目標領域的外域?qū)＠夹g,由于在目標領域具有更豐富可靠的技術基礎,可以更有效地轉化為目標領域的解決方案[33]。因此,優(yōu)選功能實現(xiàn)技術應當綜合考慮專利技術的跨域特征和可用性。本文使用專利文獻跨域特征分析模型,引入技術領域融合度的概念量化專利技術的可用性,提出基于知識廣度和流動性的功能實現(xiàn)技術優(yōu)選方法。

5.1 專利文獻跨域特征分析模型

為使專利文獻的技術領域劃分結果與實際企業(yè)經(jīng)濟活動更相符,SCHMOCH[34]將小類號按國際標準產(chǎn)業(yè)分類重新歸類為5個產(chǎn)業(yè)部門、34個技術領域,創(chuàng)建了小類號與國際標準產(chǎn)業(yè)分類匹配表(IPC-ISIC)。在此基礎上,JEONG等[28]基于IPC-ISIC構建了一種專利文獻跨域特征分析模型,如圖5所示。模型構建過程如下:①分別從專利文獻的主分類號和補充分類號中提取互異的小類號;②依據(jù)IPC-ISIC提供的小類號所屬技術領域和產(chǎn)業(yè)部門,將每篇專利文獻標注上不同的領域特征。

圖5 專利文獻跨域特征分析模型

依據(jù)該模型,專利文獻將被劃分為4類:領域內(nèi)專利文獻、多領域?qū)＠墨I、跨部門專利文獻和多部門專利文獻。例如,圖4中1號專利文獻屬于領域內(nèi)專利文獻,因為從該專利文獻的分類號中提取互異小類號均屬于同一產(chǎn)業(yè)部門下的同一技術領域;2號專利文獻屬于多領域?qū)＠墨I,因為提取的互異小類號分別屬于同一產(chǎn)業(yè)部門下的不同技術領域;3號專利文獻屬于跨部門專利文獻,因為提取的互異小類號分別屬于不同產(chǎn)業(yè)部門下的不同的技術領域;4號專利文獻屬于跨多部門專利文獻,因為提取的互異小類號分別屬于不同的技術領域,且分屬不同的產(chǎn)業(yè)部門。

本文使用該模型,將領域內(nèi)專利文獻描述的專利技術稱為域內(nèi)專利技術,多領域?qū)＠墨I、跨部門專利文獻和多部門專利文獻描述的專利技術統(tǒng)稱為跨域?qū)＠夹g。進一步,從專利文獻所屬技術領域范圍來看,可將圖4中專利文獻依據(jù)知識廣度的大小進行排序:4號專利文獻>3號專利文獻>2號專利文獻>1號專利文獻。因此,依據(jù)專利文獻跨域特征分析模型,可進一步評價專利技術的知識廣度。

5.2 基于知識廣度和流動性的功能實現(xiàn)技術優(yōu)選

文獻[35]提出了技術領域融合度的概念,用于評估專利技術在不同技術領域的應用價值。技術領域融合度量化了知識的流動性特征,可作為評價專利技術可用性的關鍵指標之一。因此,本文引用技術領域融合度的概念,提出基于知識廣度和流動性的功能實現(xiàn)技術優(yōu)選方法,具體步驟如下:

(1)計算產(chǎn)業(yè)部門融合度CSj和技術領域融合度CFi。

產(chǎn)業(yè)部門融合度CSj可表示為:

式中:PSj表示所屬產(chǎn)業(yè)部門j的專利文獻數(shù)量,S為專利文獻集合中專利文獻數(shù)量總和,5≥j≥1,令CS0=0。

技術領域融合度CFi可表示為:

式中:PSi表示所屬技術領域i的專利文獻數(shù)量,CSx為技術領域i所屬的產(chǎn)業(yè)部門x的融合系數(shù),34≥i≥1,令CS0=0。

(2)計算專利技術的優(yōu)先級p,計算公式如下:

式中n為從專利文獻中提取的互異小類號個數(shù),n≥i≥j。

(3)將專利技術按p值從大到小輸出,作為功能實現(xiàn)技術的優(yōu)先級排序。

6 基于專利文獻文本數(shù)據(jù)的新產(chǎn)品概念設計方案生成

確定了新產(chǎn)品的子功能及實現(xiàn)各子功能的專利技術后,接下來需要從相應的專利文獻文本數(shù)據(jù)中提取技術特征,作為輔助生成概念設計方案的設計知識。

6.1 基于獨立權利要求語義解析的技術特征提取

專利文獻的獨立權利要求書清楚、完整地列出了專利技術要保護的全部技術特征,可作為輔助確定新產(chǎn)品概念設計方案技術特征的設計知識。另外,專利獨立權利要求的撰寫邏輯和用詞具有很強的規(guī)范性。因此,可使用自然語言處理技術自動提取獨立權利要求中的技術特征,輔助設計人員快速閱讀和理解專利技術,進而轉化為新產(chǎn)品概念設計方案的技術特征?；讵毩嗬笳Z義解析的技術特征提取過程如下:

(1)第一階段:對獨立權利要求中的原始數(shù)據(jù)進行預處理。具體包括:

1)刪除編號信息。部分專利申請人在撰寫權利要求時會將專利附圖中對技術特征的編號一并寫入,這些數(shù)據(jù)雖然有助于定位技術特征,但并不是所有的專利文獻都包含此類數(shù)據(jù)。為提高方法的適用性,推薦刪除。

2)添加分句標識。獨立權利要求常采用“一句話”式寫法,即只在結尾處使用句號。對于較長獨立權利要求,計算機語義解析工具較難得到準確的句法結構和語義關系,導致技術特征的識別準確率較低。為此,給出兩條添加分句標識的規(guī)則:①將分號作為分句標識;②以“,|;所述”為定位標識,將“所述”和前接任意標點符號替換為分句標識。

(2)第二階段:提取獨立權利要求中的技術特征。獨立權利要求中的技術特征在分句的句法結構中多充當主語、直接賓語、間接賓語、前置賓語或介詞賓語,且詞性多為名詞,如圖6所示。因此,可首先提取分句中以主謂關系、動賓關系、間接賓語、前置賓語和介賓關系為依存關系的詞對,然后以名詞作為約束自動提取結構信息。為使提取過程更高效,可操作性更強,可使用LTP對分句中的依存關系和詞性進行標注。

圖6 依存句法分析結果

需要指出,獨立權利要求中的技術特征還常以名詞短語的形式出現(xiàn),如圖6b中的“進風裝置”和圖6c中的“太陽能電板”。分析發(fā)現(xiàn),充當技術特征的名詞短語在分句中存在固定的依存關系,且名詞短語具有固定的詞性特征。表4列出了常見的7種名詞短語的依存關系特征和詞性特征,可依此將多個詞進行整合,以獲得表達更完整的技術特征。

表4 常見名詞短語的依存關系特征和詞性特征

(3)第三階段:提取獨立權利要求中技術特征間的關系,補全技術特征。獨立權利要求中技術特征間的關系包括連接關系和作用關系,如表5所示。參考文獻[36]提出的方法提取技術特征間關系。首先,基于上一階段提取的技術特征構建自定義詞典,接著依據(jù)句法分析結果和語義角色標注結果定位核心謂語、施事(Arg0)、受事(Arg1)和與事2(Arg2),然后基于標注結果提取語句中的兩個語義角色和一個核心謂語,并使用三元組的形式表達技術特征間的關系。

表5 技術特征的關系按句法結構的分類

6.2 基于關系型功能模型和類比設計的概念設計方案生成

TRIZ理論中的關系型功能模型以網(wǎng)絡結構的方式描述了系統(tǒng)包含的所有技術特征,可幫助設計人員更好地理解專利技術應用的原理和實現(xiàn)的功能。首先,將專利技術的技術特征按TRIZ理論中關系型功能模型的元件、制品、超系統(tǒng)和作用關系等進行分類,構建專利技術的關系型功能模型。然后,通過結構類比[37],將專利技術的關系型功能模型轉化為新產(chǎn)品子功能的關系型功能模型。新產(chǎn)品子功能的關系型功能模型構建過程如圖7所示。最后,結合功能樹表達的各子功能之間的關系,將生成的新關系型功能模型進行組合、優(yōu)化,得到完整的新產(chǎn)品概念設計方案。

圖7 新產(chǎn)品子功能的關系型功能模型構建過程

在形成一個或多個概念設計方案后,需要對它們進行相應的創(chuàng)新性評價或優(yōu)選,以輔助企業(yè)領導者決定是否將人力、資金等分配給相應的概念設計方案?？梢圆捎肔IU等[38]提出的方法定量評價概念設計方案是否達到高水平創(chuàng)新。該方法首先將概念設計方案視為執(zhí)行子系統(tǒng)、能源子系統(tǒng)、傳動子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)的組合。然后,將概念設計方案與原型產(chǎn)品進行比較,在執(zhí)行子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和能源子系統(tǒng)的物理原理層、工作原理層、實施例層和細節(jié)層改變后,對有用作用的變化程度進行打分,并帶入以下公式:

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

式中:WE表赤執(zhí)行子系統(tǒng)物理原理層改變后有用作用的變化程度得分;CE表示控制子系統(tǒng)物理原理層改變后有用作用的變化程度得分;EE表示能源系統(tǒng)物理原理層改變后有用作用的變化程度得分,取值范圍均為[-10,-6,-3,-1,0,1,3,6,10],正值代表有用作用的增加程度,負值代表有用作用的減少程度;z為一個連續(xù)數(shù)值,其值越大表示概念設計方案的創(chuàng)新性越高。

另外,還可以將z值帶入以下公式來評價概念設計方案是否屬于高層次的創(chuàng)新設計方案

式中I為一個二元邏輯數(shù),I=1表示概念設計方案屬于高層次的創(chuàng)新設計方案,I=0表示該概念設計方案不屬于高層次的創(chuàng)新設計方案。

為輔助設計人員有效重用設計知識生成新產(chǎn)品概念設計方案,開發(fā)了一個專利數(shù)據(jù)輔助的新產(chǎn)品概念設計方案生成輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括新產(chǎn)品功能確定、功能實現(xiàn)技術優(yōu)選和技術特征獲取3個功能模塊,以Python作為系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)據(jù)處理和算法實現(xiàn)的語言,MySQL進行數(shù)據(jù)存儲和管理,PySide設計圖形化界面接收用戶輸入的參數(shù)、展示數(shù)據(jù)處理結果及響應用戶操作。系統(tǒng)的使用方法將結合第7章中的應用案例進行說明。

7 應用案例:貯氣筒預裝輔助設備的概念設計方案生成

貯氣筒預裝是重型汽車制動系統(tǒng)預裝的關鍵工序,預裝要求包括將接頭擰入端涂上密封膠以防止泄漏,將接頭插入貯氣筒的指定孔位,在孔內(nèi)將接頭擰緊三圈以上以及擰緊扭矩必須在允許值范圍內(nèi)等[38]。目前,制造工廠廣泛使用的輔助工具為扳手或電動螺絲刀,如圖8所示,市場和企業(yè)中尚未見專用于完成以上作業(yè)的標準設備。當前的工藝方式存在以下缺點:①作業(yè)勞動強度大,效率低;②擰緊力矩難以控制,甚至出現(xiàn)漏擰,導致預裝質(zhì)量低。隨著物流和運輸業(yè)的快速發(fā)展,制造工廠的產(chǎn)量上升,對貯氣筒預裝輔助設備的需求越來越緊迫。

圖8 重型汽車制動系統(tǒng)用貯氣筒預裝

7.1 新產(chǎn)品功能確定

如圖9所示為專利數(shù)據(jù)輔助的新產(chǎn)品概念設計方案生成輔助系統(tǒng)的新產(chǎn)品功能確定頁截圖。圖中左側顯示的“主功能描述”“主功能分解”和“集成功能預測”為完成新產(chǎn)品功能確定的3個主要步驟。

圖9 主功能描述界面

7.1.1 新產(chǎn)品功能描述及分解

在研究的應用案例中,設計人員將該設計任務表達為“連接接頭和貯氣筒”,并將其輸入“初始設計任務描述”文本框中,設置分類號級別和最相似的分類號個數(shù)后,點擊“計算”按鍵,系統(tǒng)自動搜索與設計任務相似的分類號釋義,并按相似度大小將分類號及其功能類設計知識和結構類設計知識展示在頁面右側的表格中。選擇小類號B25B和B67B,通過相應設計知識的解讀,可將新產(chǎn)品的主功能描述為夾持接頭、夾持貯氣筒和密閉貯氣筒。

此外,設計人員點擊初始設計任務描述文本框右側的“常用詞推薦”按鍵,系統(tǒng)會彈出“術語集”對話框,用于輔助設計人員對設計任務的規(guī)范化描述。如圖10所示,術語集對話框下側提供了“動詞+名詞”“動詞+名詞+和+名詞”和“動詞+名詞+的+參數(shù)”選框,設計人員可根據(jù)實際需要選擇相應的參考詞集。

圖10 術語集彈窗

設計人員點擊頁面左側“主功能分解”按鍵,頁面跳轉到主功能分解頁,如圖11所示。頁面包括子功能空間和IPC設計知識空間。在IPC設計知識空間,設計人員在上方文本框中輸入待分解的主功能對應的分類號,點擊“知識擴展”按鍵,該分類號的下級分類號及其設計知識將展示在下方列表中。

圖11 主功能分解界面

在研究的應用案例中,依據(jù)B67B的下級組號 B67B1/03和B67B1/06的功能類設計知識和結構類設計知識,可將密閉貯氣筒分解為預處理接頭、插入接頭和旋轉接頭。同理,在B25B的下級組號的設計知識的激勵下,可分解其他功能。最終,獲得新產(chǎn)品的子功能包括插入接頭、旋轉接頭、預處理接頭、夾持接頭、夾持貯氣筒和裝配整機,實現(xiàn)子功能的主要技術包括B25B11/00代表的夾持技術,B67B1/06代表的旋轉插入技術,B67B1/03代表的工件預處理技術和B25B27 /14代表的與裝配整機相關的技術。

7.1.2 新產(chǎn)品功能創(chuàng)新

設計人員點擊頁面左側“集成功能預測”按鍵,頁面跳轉到相應頁,如圖12所示。在頁面右側區(qū)域顯示的“專利技術成熟度分析”和“分類號共現(xiàn)分析”為輔助設計人員預測集成功能的兩個主要步驟。

圖12 集成功能預測界面

在研究的應用案例中,設計人員點擊“專利技術成熟度分析”按鍵后,系統(tǒng)彈出專利技術成熟度分析窗口,如圖13所示。在進行專利技術成熟度分析前,設計人員需首先以子功能表格中的分類號為檢索條件從公開專利數(shù)據(jù)集中收集相關專利文獻的基本信息。設計人員在導入專利文獻集合和選擇分析的時間范圍后,點擊“分析”按鍵,系統(tǒng)自動提取專利文獻的申請日期并進行統(tǒng)計,同時在窗口的右側顯示年申請量變化折線圖。依據(jù)圖13右側的折線圖可知,夾持技術發(fā)展最成熟,其次是與裝配整機相關的技術。旋轉插入技術和工件預處理技術尚未形成規(guī)模。依據(jù)表3中所述新產(chǎn)品功能創(chuàng)新方向及實施條件,為旋轉接頭添加輔助功能和為插入接頭添加輔助功能可作為新產(chǎn)品的功能創(chuàng)新方向。

圖13 專利技術成熟度分析彈窗

接著,設計人員需通過分析代表旋轉插入技術的專利文獻的共現(xiàn)分類號,確定待添加的輔助功能,作為集成功能。設計人員點擊“分類號共現(xiàn)分析”按鍵后,系統(tǒng)彈出分類號共現(xiàn)分析窗口,如圖14所示。設計人員在導入專利文獻集合、設置節(jié)點個數(shù)、節(jié)點顏色和網(wǎng)絡布局形式后,點擊“分類號共現(xiàn)網(wǎng)絡”按鍵,系統(tǒng)將自動依據(jù)4.2節(jié)中的方法構建分類號共現(xiàn)網(wǎng)絡,并顯示在窗口右側,同時將預測結果展示在圖12右下方的共現(xiàn)分類號表格中。

圖14 分類號共現(xiàn)分析彈窗

在研究的應用案例中,可從G01L的功能類設計知識中選擇“測量”作為集成功能的啟發(fā)式,推理得到測量插入力和測量旋轉力矩作為旋轉接頭和插入接頭的輔助功能。綜合以上分析結果,新產(chǎn)品的子功能包括插入接頭、旋轉接頭、預處理接頭、夾持接頭、夾持貯氣筒、裝配整機、測量插入力和測量旋轉轉矩。

7.2 功能實現(xiàn)技術優(yōu)選

如圖15所示為專利數(shù)據(jù)輔助的新產(chǎn)品概念設計方案生成輔助系統(tǒng)的功能實現(xiàn)技術優(yōu)選頁截圖。 在頁面左側的 “跨域?qū)＠夹g識別”區(qū)域, 設計人員首先“導入”實現(xiàn)特定子功能的專利文獻集合,然后點擊“識別”按鍵,系統(tǒng)將自動依據(jù)5.1節(jié)中方法識別專利文獻集合中具備跨域特征的專利文獻,并將結果展示在下方列表中。表格中第一列所示“評分”為系統(tǒng)依據(jù)5.2節(jié)中提出的基于知識廣度和流動性的功能實現(xiàn)技術優(yōu)選方法獲得的專利技術優(yōu)先級得分。在研究的應用案例中,專利技術US7204151B2、EP3106424B1、CN113319764B、CN111890249B、US8973235B2、US10386248B2和US10365083B2被優(yōu)選為新產(chǎn)品的功能實現(xiàn)技術。

圖15 功能實現(xiàn)技術優(yōu)選界面

基于子功能分類結果,可構建新產(chǎn)品的功能樹,結合選定的功能實現(xiàn)技術,確定新產(chǎn)品的功能實現(xiàn)技術構成,如圖16所示。

圖16 新產(chǎn)品的功能實現(xiàn)技術構成

7.3 概念設計方案生成與評價

如圖17所示為專利數(shù)據(jù)輔助的新產(chǎn)品概念設計方案生成輔助系統(tǒng)的技術特征獲取頁截圖。在頁面右側的技術特征獲取空間,設計人員首先將功能實現(xiàn)技術的授權公告號填入上方的文本框中,接著依次點擊“提取獨立權利要求”“提取技術特征”和“補充技術特征”按鍵,系統(tǒng)將自動依據(jù)6.1節(jié)中方法解析專利獨立權利要求的文本數(shù)據(jù),并將結果展示在按鍵下方的文本框和列表中。

圖17 技術特征獲取界面

在研究的應用案例中,設計人員在系統(tǒng)的輔助下提取了選定的7項專利技術的技術特征,并依據(jù)6.2節(jié)中方法依次構建了7個新產(chǎn)品子功能的關系型功能模型。如圖18a所示為專利技術CN111890249B的關系型功能模型,圖18b所示為新產(chǎn)品實現(xiàn)夾持貯氣筒的關系型功能模型。

圖18 夾持貯氣筒的關系型功能模型類比過程

將7個關系型功能模型組合,可得到新產(chǎn)品的概念設計方案。最終,得到車輛氣制動系統(tǒng)用貯氣筒預裝設備的概念設計方案,圖19所示。該方案包括:

圖19 貯氣筒預裝輔助設備的概念設計方案3D模型

(1)一種用于夾緊、移動和旋轉接頭的裝置,其特征在于包括移動模塊和夾緊模塊,其中夾緊模塊包括圍繞中心轉軸設置的多個活動支架。其中,中心轉軸可通過絲桿的軸向運動改變活動支架之間的距離,以實現(xiàn)對不同內(nèi)徑尺寸接頭的夾緊。

(2)一種貯氣筒定位裝置,其特征在于包括工作平臺、電子控制單元和氣動控制單元。工作平臺包括位于平臺中心的四根電控桿和四周呈線性排列的若干氣動控制桿,其中相對位置的兩根電控桿可以調(diào)節(jié)儲液器的平行度。

(3)一種用于預處理接頭的電動涂膠單元,其特征在于包括涂膠槍、儲膠容器和控制器,其中控制器用于控制涂膠槍的涂膠量。

(4)一種用于沿路徑向前移動接頭的傳送帶輸送裝置。其特征在于包含一對導向板,兩個導向板形成從遠端到近端逐漸縮小的通道,以依次供應接頭。

(5)一種用于沿路徑向前移動貯氣筒的輥式輸送機。其特征在于包括若干按一定距離設置在固定支架上的滾輪,其中貯氣筒置于兩個滾輪之間,前滾輪對貯氣筒起到定位作用。

對概念設計方案進行評價。執(zhí)行子系統(tǒng)由原來的(電動)扭矩扳手改為機械手,二者在夾緊和旋轉接頭時使用的物理原理一致,但新方案可以實現(xiàn)對不同內(nèi)徑尺寸接頭的夾緊,因此WE取值為3;新方案的控制子系統(tǒng)增加了電機驅(qū)動裝置,可以隨貯氣筒孔位的變化調(diào)整接頭的位置,因此CE取值為6;新方案的能源子系統(tǒng)沒有變化,所以EE取值為0。代入6.2節(jié)中的兩個公式后得到z=10.572,I=1,則該概念設計方案屬于高層次的創(chuàng)新設計方案。

8 結束語

本文提出了一個專利數(shù)據(jù)輔助的新產(chǎn)品概念設計方案生成方法,包括基于國際專利分類表的新產(chǎn)品功能描述及分解過程、基于專利文獻集合統(tǒng)計數(shù)據(jù)的功能創(chuàng)新過程、基于專利文獻集合統(tǒng)計數(shù)據(jù)的功能實現(xiàn)技術優(yōu)選過程,以及基于專利文獻文本數(shù)據(jù)的概念設計方案技術特征獲取過程。最后以重型汽車制動系統(tǒng)用貯氣筒預裝設備的開發(fā)為例,驗證了所提方法的可行性。本文主要結論如下:

(1)針對設計人員在確定新產(chǎn)品功能時缺少客觀、系統(tǒng)的設計知識的問題,提取了國際專利分類表中的功能類設計知識和結構類設計知識,構建了國際專利分類表設計知識庫(IPCKDB),通過檢索與設計任務描述相似的設計知識,輔助完成新產(chǎn)品主功能的描述?；贑-K理論定義了IPC設計知識空間、子功能空間和空間元素轉化算子操作,在IPCKDB中設計知識及其層次關系的輔助下,完成新產(chǎn)品主功能分解。為預測新產(chǎn)品的集成功能,首先依據(jù)功能實現(xiàn)技術成熟度和功能組合方案確定了新產(chǎn)品的功能創(chuàng)新方向,接著從專利文獻集合的共現(xiàn)分類號中提取了集成功能的功能元素,輔助完成新產(chǎn)品功能創(chuàng)新。

(2)針對功能實現(xiàn)技術檢索結果可用性較低的問題,利用專利文獻跨域特征分析模型和技術領域融合度的概念,量化了專利技術的知識廣度與流動性,輔助實現(xiàn)從跨域?qū)＠夹g中優(yōu)選功能實現(xiàn)技術。為輔助設計人員高效理解和應用跨域?qū)＠夹g,使用語義解析技術從專利獨立權利要求中自動提取了技術特征,并基于關系型功能模型和結構類比方法獲得了新產(chǎn)品子功能的技術特征,輔助完成新產(chǎn)品概念設計方案的生成。

(3)提出了一個專利數(shù)據(jù)輔助的新產(chǎn)品概念設計方案生成輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)以IPCKDB、統(tǒng)計分析方法以及文本數(shù)據(jù)處理方法為基礎,利用新產(chǎn)品功能確定模塊、功能實現(xiàn)技術優(yōu)選模塊以及技術特征獲取模塊,從國際專利分類表、專利文獻集合統(tǒng)計數(shù)據(jù)和專利獨立權利要求文本中提取了適用于新產(chǎn)品概念設計方案生成過程不同階段的設計知識。

本研究仍存在一些不足,有待后續(xù)拓展和深入,未來可從以下幾個方面展開進一步研究:

(1)國際分類表中設計知識應用效率不高的問題 提出的方法通過提取分類號釋義中的動詞和名詞獲得了與新產(chǎn)品功能、結構相關的設計知識。實際上,國際專利分類表中還包含功能實現(xiàn)技術、功能互補關系、結構組合關系等多種設計知識。未來將嘗試研究基于知識圖譜的國際專利分類表設計知識表征方法和適合國際專利分類表設計知識圖譜的推理方法,為輔助產(chǎn)品創(chuàng)新提供更全面、實用、直觀的設計知識。

(2)功能實現(xiàn)技術優(yōu)選方法的局限性 提出的方法將專利技術所屬分類號類別的多樣性作為必要條件,從應用更多域外知識角度提升了概念設計方案的創(chuàng)造性,但是這會損失有價值的域內(nèi)專利技術。在未來研究中,可通過構建復合型專利技術評價指標體系,以滿足不同類型功能實現(xiàn)技術的優(yōu)選。

(3)概念設計方案生成過程自動化程度不充分 提出的專利文本數(shù)據(jù)-技術特征-概念設計方案的過程模型屬于半自動化過程,部分步驟缺乏成熟的算法技術實現(xiàn)自動化。未來可以結合計算機輔助創(chuàng)新技術,推進概念設計方案生成過程的自動化。