基于多層功能認知與情景分析的專利規(guī)避設(shè)計

劉云鶴,武春龍+,欒 鑫

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

0 引言

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

通過對專利規(guī)避設(shè)計方法研究可知,功能是專利規(guī)避設(shè)計的核心,存在于專利分析與規(guī)避設(shè)計的全過程,但是由于設(shè)計人員對于功能認知的局限,導(dǎo)致對現(xiàn)有專利技術(shù)系統(tǒng)功能理解不全面,限制專利規(guī)避設(shè)計功能分析路徑與專利規(guī)避設(shè)計求解方法,阻礙了專利規(guī)避設(shè)計的研究與發(fā)展。本文針對上述專利規(guī)避設(shè)計問題,提出了基于多層功能認知擴展的專利規(guī)避設(shè)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(shè)計過程中的功能認知,使專利規(guī)避設(shè)計過程的功能分析不再受限于設(shè)計人員的知識儲備;并構(gòu)建了基于多層功能認知的專利規(guī)避設(shè)計求解方法,根據(jù)多層功能認知涵蓋的設(shè)計對象不同,使專利規(guī)避設(shè)計求解過程不再局限于產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)功能設(shè)計,而是將規(guī)避求解過程擴展到產(chǎn)品使用者與產(chǎn)品使用環(huán)境,擴展了專利規(guī)避設(shè)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(shè)計的本質(zhì)是對技術(shù)系統(tǒng)功能的重現(xiàn),功能是專利規(guī)避設(shè)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(shè)計的實現(xiàn)。功能是設(shè)計工程學(xué)中的關(guān)鍵概念,但是功能并不是一個統(tǒng)一的術(shù)語,工程學(xué)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(xué)者在設(shè)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(guān)于功能概念的研究

多樣性的功能概念不僅增加了設(shè)計人員思維負荷,還會由于概念定義側(cè)重不同,造成設(shè)計師之間的理解錯誤,產(chǎn)生設(shè)計問題。于是有人建議對功能概念進行總結(jié),一部分設(shè)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?qū)傩?屬于依賴于具體結(jié)構(gòu)的功能抽象;另一部分設(shè)計者認為功能是物質(zhì)、能量和信息的輸入/輸出變換結(jié)果,功能表述所期望的狀態(tài)轉(zhuǎn)換動作,如圖1b所示,屬于與結(jié)構(gòu)無關(guān)的功能抽象。

圖1 功能概念總結(jié)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(lǐng)域的設(shè)計者對功能的抽象總結(jié)側(cè)重點不同,仍然會對設(shè)計人員造成理解分歧,影響設(shè)計結(jié)果,需要對功能本質(zhì)概念進行深入的探究。

VERMAAS等[18]深入工程哲學(xué)層面研究了功能概念的本質(zhì)內(nèi)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(shè)計目的。CHEN等[19]致力于消除功能概念的模糊性,基于科學(xué)本體論和意圖性理論,將功能概念明確為“設(shè)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(chǎn)品早期設(shè)計階段尤為重要,產(chǎn)品的設(shè)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(chǎn)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(yīng)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(lǐng)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(cè)重功能的預(yù)期行為,使用諸如任務(wù)、操作、執(zhí)行等術(shù)語;第2個主題側(cè)重功能的期望效果,使用諸如輸入、過程、輸出等術(shù)語;第3個主題側(cè)重功能的設(shè)備用途,使用諸如用途、系統(tǒng)、組件等術(shù)語。這3種功能概念并不相互排斥、而是共享某些術(shù)語概念的重疊集群。VAN等[22]通過調(diào)查失效分析、創(chuàng)新設(shè)計、再設(shè)計、常規(guī)設(shè)計的設(shè)計過程,提出3種不同意義的功能在設(shè)計過程中的不同方面起到不同作用,均不可缺少,應(yīng)該接受不同功能概念的并存。UDDIN[23]為達成多學(xué)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(shù)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(shè)計者建模的裝置可能是另一設(shè)計者所關(guān)注裝置的組件或環(huán)境,特定功能對于某個設(shè)計者是系統(tǒng)內(nèi)部功能,但對于其他設(shè)計者可能是系統(tǒng)外部功能,因此應(yīng)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(jié)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(shè)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(nèi)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(chǎn)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(nèi)涵進行統(tǒng)一,使設(shè)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(shè)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(diào)的是產(chǎn)品意圖的特定行為,系統(tǒng)范圍指產(chǎn)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(diào)的是意圖行為達到的效果,系統(tǒng)方位包含產(chǎn)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(diào)的是產(chǎn)品設(shè)計達到的目的,系統(tǒng)范圍包含產(chǎn)品系統(tǒng)本身、人、環(huán)境中已有自然物和相關(guān)產(chǎn)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(shè)計概念的提出是為了促進產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展,但現(xiàn)有專利規(guī)避設(shè)計方法沒有貫徹這一思想,而是僅以實現(xiàn)產(chǎn)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(dǎo)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(yīng)對新技術(shù)發(fā)展的一種理論方法,已經(jīng)被應(yīng)用到產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計領(lǐng)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(shè)計過程,改變現(xiàn)有專利規(guī)避設(shè)計問題思考視角,擴展專利規(guī)避設(shè)計方法多樣性。

情景(Scenario)最早于上世紀(jì)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(jié)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(jié)果的途徑也是不一樣的,因此,對可能出現(xiàn)的潛在未來結(jié)果以及實現(xiàn)這種潛在未來結(jié)果的途徑的描述便構(gòu)成了一個情景。有關(guān)“情景”的定義有很多,對研究學(xué)者給出的典型定義進行歸納,如表3所示。

表3 學(xué)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(chǎn)品和產(chǎn)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(yù)測,以設(shè)想的視角預(yù)測產(chǎn)品未來可能會面對的情景。研究人員不僅可以根據(jù)與產(chǎn)品緊密關(guān)聯(lián)的未來預(yù)期情景進行機會識別,也可通過探索產(chǎn)品情景的前置過程和后續(xù)發(fā)展,拓展產(chǎn)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(guān)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(lǐng)域,每個領(lǐng)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(guān)鍵要素”可以通過系統(tǒng)分析來提取。

(2)情景預(yù)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(yīng)該由情景描述,在此之后,所有關(guān)鍵要素的可能發(fā)展,確定了所謂的“未來預(yù)測”。本文的目標(biāo)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(shè)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(yīng)該以最合適的情景為目標(biāo)。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(qū)動的因素是什么?可能的子情景是什么?現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)出現(xiàn)什么問題?如何解決問題?新技術(shù)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(shè)計過程

2.1 基于多層功能的專利技術(shù)系統(tǒng)情景構(gòu)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(guān)系。產(chǎn)品功能實現(xiàn)過程首先以行為層級功能開始,通過裝置內(nèi)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(chǎn)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(guān)產(chǎn)品共同作用實現(xiàn)目的層級功能。以多層功能作為關(guān)鍵情景階段,構(gòu)建產(chǎn)品情景過程,使情景構(gòu)建過程具有規(guī)范化流程步驟,便于設(shè)計人員進行情景構(gòu)建,基于多層功能的情景構(gòu)建過程分為3個步驟：

(1)專利產(chǎn)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(chǎn)品,不僅包含技術(shù)系統(tǒng)本身,還應(yīng)包含產(chǎn)品使用者與產(chǎn)品使用環(huán)境,即人、產(chǎn)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(chǎn)品多層功能明確 通過構(gòu)建功能模型與功能結(jié)構(gòu)確定技術(shù)系統(tǒng)多層功能。專利技術(shù)系統(tǒng)功能模型構(gòu)建能夠直接展示技術(shù)系統(tǒng)功能關(guān)系,功能結(jié)構(gòu)圖能夠展示技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部功能流的轉(zhuǎn)換過程,根據(jù)功能模型圖與功能結(jié)構(gòu)圖,分析技術(shù)系統(tǒng)功能作用過程,以及系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)換過程,再根據(jù)多層功能概念確定產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)功能多層功能。

(3)專利產(chǎn)品情景過程構(gòu)建 根據(jù)多層功能認知概念構(gòu)建產(chǎn)品情景過程,以每個功能層級作為一個情景階段,將產(chǎn)品技術(shù)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(guān)鍵功能,將每個關(guān)鍵功能過程作為一個情景環(huán)節(jié)構(gòu)建技術(shù)系統(tǒng)情景過程,如圖5所示。

圖5 以多層功能為關(guān)鍵階段的情景過程

根據(jù)情景構(gòu)建過程,確定每個情景行為對應(yīng)的功能情景形式,以及相應(yīng)的功能主體,行為層級情景過程功能主體是產(chǎn)品本身,強調(diào)的是技術(shù)系統(tǒng)功能。分析技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)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(yīng)功能類型(標(biāo)準(zhǔn)/不足/有害),構(gòu)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(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)與作用對象,強調(diào)的是對作用對象產(chǎn)生的作用效果。將效果產(chǎn)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(gòu)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(shù)系統(tǒng)和環(huán)境作用對象,強調(diào)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(gòu)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(chǎn)品多層功能情景過程構(gòu)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(gòu)建情景行為鏈如圖6所示,對產(chǎn)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(chǎn)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(shè)計難度大,規(guī)避設(shè)計結(jié)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(guān)鍵情景要素為基礎(chǔ),以演化規(guī)律為指導(dǎo)探求可能的新情景,指導(dǎo)進行規(guī)避設(shè)計,如圖7所示。產(chǎn)品的系統(tǒng)發(fā)展遵循一定的規(guī)律,阿奇舒勒將產(chǎn)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(chǎn)品的技術(shù)生命周期,嬰兒期和成長期的技術(shù)系統(tǒng)處于發(fā)展階段,技術(shù)系統(tǒng)還未達到成熟期,不需要外界過多設(shè)計需求就能產(chǎn)生具備競爭力產(chǎn)品。成熟期與退出期的技術(shù)系統(tǒng)達到瓶頸,技術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)不具備創(chuàng)新設(shè)計潛力,需要創(chuàng)新性設(shè)計結(jié)果才能使產(chǎn)品具備競爭力?；趯嵺`性的情景設(shè)計過程與嬰兒期和成長期的產(chǎn)品發(fā)展規(guī)律相符,基于探索性的情景設(shè)計過程與成熟期和退出期的產(chǎn)品發(fā)展規(guī)律相符,情景變換的類型的應(yīng)用可以根據(jù)產(chǎn)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(guān)鍵情景變換元素確定 專利規(guī)避設(shè)計情景變換元素明確,人、產(chǎn)品、環(huán)境情景組成三元素都具備引導(dǎo)情景變換的可能,本文針對機械產(chǎn)品的規(guī)避設(shè)計,所以明確以環(huán)境元素作為變換元素,探求未來產(chǎn)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(jié)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(shè)計,基于情景變換分析現(xiàn)有技術(shù)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(shè)計新技術(shù)方案求解

基于多層功能概念的功能分解不止局限于產(chǎn)品技術(shù)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(chǎn)品本身的功能承載,還包含了與物理產(chǎn)品密切聯(lián)系的人、環(huán)境中已存自然物和相關(guān)產(chǎn)品的功能作用。根據(jù)情景變換確定了現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)功能問題,以多層功能概念為指導(dǎo)對新情景下所需功能進行分解。當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)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?qū)λ韫δ苓M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(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)、環(huán)境中已有自然物和相關(guān)產(chǎn)品,基于需求功能的全部作用主體由以上3部分承擔(dān),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(guān)產(chǎn)品,對已有自然物和相關(guān)產(chǎn)品能夠承載的功能進行分配,剩余未知功能為待設(shè)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(chǎn)品技術(shù)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(chǎn)品本身,技術(shù)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(shè)計人員直接求解實現(xiàn)相應(yīng)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(shè)計原理為基礎(chǔ),利用已有成熟技術(shù)進行創(chuàng)新設(shè)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(shù)系統(tǒng)為求解基礎(chǔ),分析行為層級系統(tǒng)黑箱作用過程,分析現(xiàn)有專利技術(shù)系統(tǒng)所用原理與知識源技術(shù)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(jié)構(gòu)過程搭建技術(shù)系統(tǒng);若所用原理不同,則以知識源技術(shù)原理解為指導(dǎo),對現(xiàn)有技術(shù)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(jīng)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(jié)果以現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),以可用資源功能結(jié)構(gòu)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(guān)產(chǎn)品,以知識源為指導(dǎo)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(quán)判定

專利規(guī)避設(shè)計完成后,需要對規(guī)避設(shè)計新方案進行侵權(quán)判定。本文規(guī)避設(shè)計方法是以機械產(chǎn)品為目標(biāo)進行規(guī)避設(shè)計的,侵權(quán)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(quán)物與原專利的權(quán)利要求完全相同或者文字描述不同但是技術(shù)特征完全相同;等同原則指被控侵權(quán)物有一個或一個以上的技術(shù)特征與專利權(quán)利要求中的權(quán)利要求相同;根據(jù)侵權(quán)判定原則對專利規(guī)避設(shè)計新方案進行侵權(quán)判定,確定規(guī)避設(shè)計方法的可行性。

3 實例研究

3.1 平衡車技術(shù)系統(tǒng)情景過程構(gòu)建

本文以平衡車專利CN109398582A為規(guī)避設(shè)計目標(biāo)專利,驗證本文所提專利規(guī)避設(shè)計方法。平衡車情景信息獲取,通過應(yīng)用AHP-TOPSIS模型計算方法,確定了CN109398582A專利為目標(biāo)專利。對目標(biāo)專利權(quán)利要求書和說明書進行分析,獲取平衡車技術(shù)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(shù)系統(tǒng)多層功能確定,通過對目標(biāo)專利信息獲取,平衡車主體結(jié)構(gòu)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(guān)系,確定作用關(guān)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(zhì)流、信息流、能量流等容易實現(xiàn)分功能,構(gòu)建平衡側(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖,如圖14所示。

圖14 平衡車功能結(jié)構(gòu)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(gòu)建的平衡車功能模型圖,可知平衡車設(shè)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(zhì)、能量包含人、人力、開/關(guān)、電能、車輪,最終的輸出結(jié)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(qū)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(nèi)部的物質(zhì)、能量與信息的轉(zhuǎn)換過程。通過開/關(guān)系統(tǒng)獲得電能,電能通過伺服電機輸出轉(zhuǎn)矩帶動驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)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(yīng)效果,平衡車的作用對象為行駛地面與相應(yīng)的“受益者”,而“受益者”不是驅(qū)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(shù)系統(tǒng)情景過程構(gòu)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(guān)鍵情景階段,進行平衡車情景構(gòu)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(guān)鍵驅(qū)動因素,構(gòu)建每個層級的關(guān)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(gòu)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(gòu)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(shù)系統(tǒng)功能分析

確定平衡車技術(shù)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(gòu)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(shù)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(chǎn)品,技術(shù)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(guān)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(dǎo)致的,現(xiàn)以不平路面即“復(fù)雜路面”作為平衡車情景變換的關(guān)鍵情景要素,探究專利設(shè)計過程,如圖17所示。

圖17 平衡車關(guān)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(guān)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(yīng)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(zhuǎn)動的車輪無法在復(fù)雜路面上行駛,導(dǎo)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(jié)果,應(yīng)用情景行為鏈形式,直觀展現(xiàn)情景變換后現(xiàn)有技術(shù)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(shè)計。

圖18 平衡車情景行為問題鏈

3.4 平衡車新技術(shù)方案求解

根據(jù)情景變換專利分析過程,確定現(xiàn)有技術(shù)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(dāng)使用情景變?yōu)閺?fù)雜路面時效果層級“EL24”功能無法實現(xiàn)。效果層級系統(tǒng)功能出現(xiàn)問題將導(dǎo)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(shè)計產(chǎn)品系統(tǒng)與系統(tǒng)作用對象。明確效果層級功能為在“復(fù)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(fù)雜路面環(huán)境、平衡車,實際情景行為是“人通過平衡車在復(fù)雜路面移動”,期望狀態(tài)包括人、平衡車、復(fù)雜路面環(huán)境,期望的情景行為是“平衡車載人在復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)雜路面達到相應(yīng)效果,對于平衡車的功能分解過程,不作為相應(yīng)的功能承載者,因此效果層級的功能過程全部由產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)承載,即通過產(chǎn)品技術(shù)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(guān)可用元件組成,通過物質(zhì)、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(zhuǎn)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(diào)控作用,信息參與系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)運轉(zhuǎn)、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(zhì)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(zhì)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(guān)已知信息按照能量、物質(zhì)、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(shù)方案分析,根據(jù)平衡車的行駛需求,在相關(guān)網(wǎng)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(gòu)建履帶式全地形電動椅功能結(jié)構(gòu)圖如圖22所示。虛線框內(nèi)的功能結(jié)構(gòu)鏈為技術(shù)系統(tǒng)求解方案技術(shù)流程,是指導(dǎo)專利規(guī)避設(shè)計的技術(shù)信息。

圖22 知識源技術(shù)方案

行為層級能量流求解,根據(jù)知識源求解技術(shù)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(zhuǎn)換實現(xiàn)系統(tǒng)的動能輸出。現(xiàn)有技術(shù)方案的能量流也是以電能形式存在,通過電能轉(zhuǎn)換實現(xiàn)系統(tǒng)動能輸出。因此,新技術(shù)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(zhuǎn)換包含能量獲取、能量控制、能量轉(zhuǎn)換3個必經(jīng)過程,通過知識源技術(shù)方案原理與現(xiàn)有技術(shù)方案,設(shè)計行為層級能量流包含一條路徑,路徑包含3個必經(jīng)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(shù)方案可知,知識源技術(shù)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(zhuǎn)過程。目標(biāo)專利技術(shù)方案只存在一種形式信息流,只存在平衡車的開始/關(guān)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(diào)控作用。因此,設(shè)計平衡車新技術(shù)方案行為層級信息流存在兩種形式：①指標(biāo)信息流,展示平衡車運行過程的關(guān)鍵指標(biāo)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(jīng)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(zhuǎn)、系統(tǒng)停止3個必經(jīng)過程。通過知識源技術(shù)方案原理與現(xiàn)有技術(shù)方案,設(shè)計行為層級信息流包含兩條路徑,每條路徑包含3個必經(jīng)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(shù)方案可知,知識源技術(shù)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(zhuǎn)換形式存在。目標(biāo)專利技術(shù)系統(tǒng)只存在一種能量轉(zhuǎn)換形式。因此,設(shè)計平衡車新技術(shù)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(jīng)過程;②以能量轉(zhuǎn)換流形式存在,實現(xiàn)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換,包含操作系統(tǒng)、能量傳遞、能量轉(zhuǎn)換3個必經(jīng)過程。通過知識源技術(shù)方案原理與現(xiàn)有技術(shù)方案,設(shè)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(jīng)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(shù)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(zhì)流求解,根據(jù)設(shè)計結(jié)果構(gòu)建行為層級總流程結(jié)構(gòu)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(diào)的是作用效果,對于待求解系統(tǒng)即為“平衡車在復(fù)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(shù)方案可知,履帶式全地形電動椅通過引入履帶式傳動機構(gòu),改變傳動過程與接地形式實現(xiàn)電動椅的運動。現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)通過齒輪傳動機構(gòu),實現(xiàn)平衡車的運動。針對復(fù)雜路面的行駛條件,因為現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)傳遞轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多,以及車輪本身設(shè)計的局限,無法達到使用需求,所以設(shè)計平衡車新技術(shù)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(zhuǎn)換過程設(shè)計過程可以直接通過控制器、能量轉(zhuǎn)換、車輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)方案原理與現(xiàn)有技術(shù)方案設(shè)計效果層級能量流。

效果層級信息流求解,分析知識源技術(shù)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(shù)方案只存在開/關(guān)指令控制信息。針對復(fù)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(shù)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(fù)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(guān)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(guān)信息。因此,設(shè)計平衡車新技術(shù)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(yù)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(zhuǎn)換,實現(xiàn)平衡車系統(tǒng)控制。

通過知識源技術(shù)方案原理與現(xiàn)有技術(shù)方案,設(shè)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(gòu)建相應(yīng)信息流結(jié)構(gòu),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(fù)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(shè)計結(jié)果構(gòu)建新技術(shù)系統(tǒng)總功能結(jié)構(gòu),如圖25所示,完成平衡車新技術(shù)方案功能求解。

根據(jù)新技術(shù)方案功能過程,將平衡車新技術(shù)系統(tǒng)劃分為驅(qū)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(jié)構(gòu)關(guān)系搭建相應(yīng)平衡車實物,并對功能過程進行調(diào)試,完成平衡車新技術(shù)方案設(shè)計,如圖26所示。

圖26 專利規(guī)避設(shè)計平衡車實物圖

3.5 侵權(quán)判定

應(yīng)用多層功能認知擴展的專利規(guī)避設(shè)計方法,完成對平衡車的專利規(guī)避設(shè)計,對平衡車新技術(shù)方案進行侵權(quán)檢驗。平衡車屬于機械產(chǎn)品,因此根據(jù)全面覆蓋原則和等同原則進行侵權(quán)驗證。分析CN109398582A平衡車各項權(quán)利要求可知,CN109398582A平衡車權(quán)利要求主要包含驅(qū)動機構(gòu)和制動機構(gòu)兩部分。構(gòu)建專利侵權(quán)判定對比表如表7所示。

表7 專利侵權(quán)判定

對比現(xiàn)有技術(shù)方案與規(guī)避設(shè)計方案的技術(shù)特征可知,新技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)方案的權(quán)利要求范圍不同。新技術(shù)方案在實現(xiàn)平衡車驅(qū)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(yù)警機制,提高了行駛過程的安全。能夠確定規(guī)避設(shè)計方案不存在侵權(quán)行為,且規(guī)避設(shè)計產(chǎn)生的新方案提高了現(xiàn)有技術(shù)的性能。

4 結(jié)束語

專利規(guī)避設(shè)計方法的核心是對功能的再設(shè)計,但是由于對功能認知的局限,導(dǎo)致專利規(guī)避設(shè)計功能分析路徑受阻,使得專利規(guī)避設(shè)計求解方法受限。本文針對上述專利規(guī)避設(shè)計問題,提出了基于多層功能認知擴展的專利規(guī)避設(shè)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(jié)合,通過目標(biāo)專利檢索,目標(biāo)專利分析,規(guī)避設(shè)計、侵權(quán)判定流程實現(xiàn)專利規(guī)避設(shè)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(gòu)建了多層功能認知體系,擴展了專利規(guī)避設(shè)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(shè)計方法。根據(jù)多層功能認知涵蓋的設(shè)計對象不同,使專利規(guī)避設(shè)計求解過程不再局限于產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng),而是包含產(chǎn)品使用者與產(chǎn)品使用環(huán)境,擴展了專利規(guī)避設(shè)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(shè)計方法。