基于功能分析的高價值專利判斷方法研究

郭 燁，曹國忠，王圣坤

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

功能分析（Functional analysis，FA）是一種直接著眼于產品功能的設計分析方法。功能是對技術系統或產品能完成的任務的抽象描述，能夠反映產品所具有的特定用途及各種特性。它是從技術實現的角度對設計系統的一種理解，是指某一系統所具有的能量、物料、信息或其他物理量轉化的特性，是其輸入量和輸出量之間的關系［1］。通過功能分析，可以識別專利產品系統或超系統組件的功能、特點以及成本，便于更好地認識專利產品。

高價值專利一般是指技術含量高、市場效益好、能夠引領產業發展、在戰略性新興產業和特色優勢產業中形成的具有較強前瞻性的高質量專利或專利組合［2］。不同的學者對高價值專利有不同的定義，但都注意到了技術水平對高價值專利的重要意義［3］。目前已有的專利價值評估方法主要分為基于資產的評估方法與基于指標體系的評估方法兩類［4］。

基于資產的評估方法主要以成本法、市場法和收益法為主，這些方法大都源于資產的價值評估，過于注重經濟方面的因素，依賴于單一方面的評價，往往不能做出準確的評估。

基于指標體系的評估方法通過選取與專利價值密切相關的指標，并建立評估指標與專利價值之間的聯系，為各項指標打分，將各項指標加權求和得出專利價值度。評估指標一般分為定量指標以及定性指標兩類。其中；定量指標受限于數據信息的可采集性具有一定局限性；而定性指標受人為因素影響、對評估人員的專業性要求較高。

價值專利的核心在于其技術水平的高低，但目前的專利價值評估方法中，很少有從專利技術自身擁有的特征屬性出發進行價值分析。此外，對專利進行功能和結構的分析，可以進一步進行專利技術的改進及專利規避。因此，從功能分析的角度對專利產品進行價值評估，具有進一步研究的意義。本文提出了一種基于功能分析的專利價值評估方法。首先使用定量指標剔除低價值專利，通過功能分析劃分專利技術領域的功能模塊，并從功能、性能、成本及有害功能分別對專利進行評價，最終確定專利價值度。區別于傳統的價值評估方法，本文更趨向于從專利的技術層面來詮釋專利的價值，并且定性評價部分對專業性要求低，除對專利的整體評價外，通過模塊劃分可了解專利局部技術價值的高低，更有助于企業對專利的篩選利用。

1 專利價值初步篩選

高價值專利在專利總量中只擁有極小的占比，想要在茫茫的專利海洋中挖掘出高價值專利，往往需要巨大的人力物力。為了能夠更加快速地挖掘高價值專利，在專利分析前先對專利數據進行篩選，將大部分低價值專利剔除，可以有效提高工作效率及節省成本。客觀定量指標擁有數據易獲取、分析處理方便、可對大量專利進行評估的特點，本文綜合分析專利的技術、法律等相關影響因素［5］，選取了如下指標。

表1 初篩評價指標及其權重

定量指標的價值度為各個指標標準值與對應權重的乘積之和。具體計算公式如下:

專利初步篩選的總體流程如下：

圖1 專利篩選流程

2 基于理想化水平的價值評價公式

理想化水平理論是TRIZ 理論中的重要概念之一。TRIZ 理論認為產品進化的過程就是理想化水平提高的過程，專利價值的核心是技術創新，創新的目的是實現產品的進化，最終達到或接近最終理想解［6］。技術創新體現在專利所實現的功能及性能上，專利功能、性能和成本之比又一定程度上代表了專利在市場上的競爭能力和盈利情況。故可用理想化水平作為專利價值判斷的依據。以下為 TRIZ 中關于理想化水平的一種表達形式［7］，

式（2）中，Ideality表示理想化水平；F表示有用功能；P表示性能；Cost表示成本；Harms表示有害功能；α、β為調節系數。

在專利價值評價過程中，理想化公式（2）中α為調節系數，只起到放大的作用，在專利比較過程中并無影響。為便于專利間的技術比較，在此提出功能模塊的概念，功能模塊為專利中實現某一子功能的系統元件集合。考慮到專利自身的特色，將理想化水平公式進行修改，提出專利功能價值度計算公式：

專利所提出的技術方案是否有效，其內在價值是多少，最終可以在理想化水平上體現出來。專利產品實現功能越多，性能越強，而成本越低，產生的危害越少，則說明其越有價值。計算專利的功能價值度，需要對功能重要度、功能創新度、性能實現度、成本評價值以及有害功能評價值進行求解。

3 基于功能分析的評價系數計算

3.1 專利功能模塊的提取

對于實現相同或相似目的的專利產品，其對應的底層功能往往是相同或相似的［8］，而不同的專利產品又會有不同的性能和特性，從而衍生出獨有的功能。因此，本文將專利產品的功能分為兩類：共有功能和個性化功能。共有功能為同類專利中都具備的通用功能，其特征是為達成該類專利的使用目的而存在的必不可少的功能；個性化功能為專利技術中所包含的非必要功能，其特征為該功能是為更好地滿足用戶需求而存在的并非所有專利都存在的功能。根據上述的功能分類可將功能模塊分為以下兩類：共有功能模塊與個性化功能模塊。

功能分析可以探究各元件間的相互作用關系與性能表現，進而可以闡述元件在系統中所起到的作用。專利產品的功能分析可以分為以下幾個步驟［6］：

（1）確定元件、制品以及超系統。元件是實現功能的重要組成部分，在這里將功能模塊視作元件。制品是產品的最終作用目標，例如，果實采摘裝置的制品即為果實。超系統是獨立于系統之外，卻又為實現系統的功能必不可少的外部環境，例如，升降路障的超系統為地面。

（2）進行作用分析。功能體現在制品、元件與超系統之間的作用關系上。根據功能模型中作用關系實現的程度不同，可將其分為標準作用、不足作用、過度作用以及有害作用。

專利文獻中隱含著該產品的需求信息，通過對專利文獻的題名、摘要與說明書部分的信息提取，進而總結出專利產品的功能需求以及性能需求［9］。在進行功能模塊劃分時，將實現同一功能相關的零部件視為一個次系統，不考慮該系統內的組件之間的相互作用關系，該次系統即為一個功能模塊。功能模塊劃分方法如下。

圖2 專利功能模型及其模塊劃分

3.2 專利功能重要度的計算

產品所實現的分功能在地位上一般是不等同的，為此需要對各功能模塊所實現的功能進行權重的分配。功能模塊為系統元件為實現單一功能的集合，可以將其視為一個整體進行分析，因此可通過功能分析、功能模型求解各功能模塊的功能重要度系數。

本文依據創新軟件 TechOptimizer 中的功能等級評估方法來確定專利功能重要度。功能等級的定義規則與計算規則如下表2、表3。

表2 功能等級定義規則

表3 功能等級計算規則

專利功能重要度計算步驟如下：

（1）根據功能模塊、制品和超系統及其之間的作用關系建立功能模型；

（3）以共有功能模塊為標準確定功能等級數值，將所有共有功能模塊的功能等級求和，其和記為S。然后計算其功能重要度系數；

共有功能模塊的功能重要度系數計算公式：

3.3 功能創新度的計算

大量的技術改進都是基于現有技術基礎上進行的，專利技術越是在基礎層面上的創新，其與現有技術相比區別越顯著，則其越有可能成為某一領域的基礎技術，擁有較高價值。因專利技術的整體創新程度較難判斷，因此本文以功能模塊的角度對各個分功能的創新程度進行逐一分析。創新程度可分為功能層面的創新、原理層面的創新與結構層面的創新，可分別從功能、效應及結構角度判斷。功能創新度判斷流程如下：

（1）提取各專利該功能模塊的功能及效應，并分別將其記入目標專利庫的功能庫及效應庫；

（2）功能分級及對比。依據Kano 模型中的需求分級［10］判斷該功能需求是否為期望需求或興奮需求；

（3）效應對比。效應反映技術的實現原理，通過效應判斷原理差異；

（4）提取功能模型中的技術特征。判斷技術特征及功能模塊間作用關系的創新性。

判斷規則如下：

表4 創新程度判斷規則

表4 （續）

3.4 性能實現度的計算

產品或系統的性能一般由用戶的性能需求來決定。功能模塊的性能重要度本質上是元件的參數影響產品性能的程度。

QFD［11］（質量功能配置）是一種產品設計過程中輔助形成產品概念的方法，其核心為質量屋（HOQ），通過HOQ 可以探究顧客需求與產品零部件質量特性的關系［12］。基于QFD 可確定性能需求與產品零部件特征的關系，進而計算零件特征屬性對產品性能的影響程度。具體步驟如下：

（1）確定產品性能。專利文獻中往往隱含著對該產品的需求信息，對專利題目和摘要內容進行需求提取，確定該領域產品的性能需求，并結合需求出現頻率，使用層次分析法進行性能的權重賦值。權重記為w={wi}。

（3）建立性能-屬性關系矩陣HOQ。在 HOQ 中，每行對應的是產品性能，每列對應的是功能模塊的內部對性能產生影響的相關屬性，關系矩陣表示產品性能與其影響屬性之間關系的定性評價。定性關系用圖形符號“空白（無關）、△（弱相關）、○（中等相關）、●（強相關）”表示兩者之間影響的強弱關系，見下表5。圖形符號根據用戶需求以及實際情況判斷得出。

表5 功能模塊1 性能-屬性關系矩陣

將△、○、●分別賦值為1、3、9，并建立性能-屬性關系值矩陣。

（4）計算性能偏向度系數。性能偏向度系數PIMFMi為該功能模塊的偏向值對專利所有共有功能模塊偏向值之和的比值。

（5）建立屬性-特征關系矩陣。在關系矩陣中，每行對應的是產品零部件對性能的影響屬性，每列對應的是專利權利要求或說明書中記載的相應技術特征，關系矩陣表示屬性與技術特征之間關系的定性評價。定性關系用圖形符號“○（特征對屬性優化不大）、+（特征對屬性產生正面優化）、-（特征對屬性產生負面優化）”表示兩者之間影響的關系。建立功能模塊內部元件間的功能模型圖，通過功能模型及專利文件說明判斷符號類型。

表6 屬性-特征關系矩陣

將-、○、+分別賦值為-0.5、0、0.5，將每行求和得到單個屬性j 的特征優化度fj，令bj=fj+1，并建立屬性-特征關系值矩陣。

（6）計算性能實現度系數。性能實現度的計算公式如下：

3.5 成本評價值的計算

專利技術產品中的成本往往是難以判定的。專利文件中往往不會對其組成元件進行詳細描述，使得其成本的評估變得非常困難。不同專利間，其在現有技術下實現相同功能的元件其成本一般是相近的，可視為同等成本元件。因此，本文將專利中的元件以低成本元件、中成本元件以及高成本元件代替來近似計算。低成本元件判斷標準為成本明顯低于大部分元件的元件；高成本元件判斷標準為成本明顯高于大部分元件的元件。

本工作采用不同氮含量保護氣氛下熔煉坯料、1 000°C固溶保溫1 h并快速淬火的方式研究了N含量對Fe-21Cr-3Ni-1Mo-N雙相不銹鋼凝固組織的影響,并得出以下結論.

圖3 成本分類

專利的成本系數計算如下：

在權利要求項中記載的一些元件獨有的特征結構，因其制造過程中會增加成本，因此可將這些結構視為低成本元件。如果某一元件同時屬于兩個功能模塊，則其元件數量規定如下：

表7 成本元件判斷規則

3.6 有害功能評價值的計算

有害功能指所有能夠給系統帶來負面影響的因素。元件、制品與超系統之間的作用往往并非只有有用作用，有時也會產生不足作用、過度作用以及有害作用［13］。這些負面作用均源于有害功能，有害功能的影響分為兩類，一類為對系統的功能或性能產生的負面影響，包括元件間的有害、不足和過度作用；另一類為對系統所在環境產生的負面影響，一般為元件產生的有害作用。通過元件的輸出流可判斷兩元件間的作用關系是否為有害功能，當輸出流并非系統實現預期功能所需要的資源時，或輸出流沿著設計流向之外的方向流動時，此時的相關作用為有害作用［14］。通過建立元件間的功能模型圖，分析系統各組成部分間的作用關系，建立有害功能作用表。兩種有害功能需要各自計算其評價值。

第一類有害功能評價值通過功能等級來確定，功能等級計算規則見表2 與表3，并添加以下規則：將有害作用所在的功能模塊視為系統，該功能模塊的對外功能作用對象視為制品，施加給該功能模塊的外部元件視為超系統，重新計算功能等級，并依據功能等級以及有害功能所影響的性能計算有害功能系數。

第二類有害功能按照用戶對其產生危害的可接受程度劃分，判定規則如下：

表8 有害功能可接受等級判斷規則

有害功能評價值計算公式為：

3.7 調整系數的計算

性能、成本和有害功能對系統的影響程度是不同的，對于專利的價值而言，某一指標在不同專利間的差異越大，相對其競爭能力差異就越大，根據評價指標在各評價對象之間的差異性可進行權重賦值［15］，因此本文在文獻［16］中最大離差和熵法的基礎上求解有害功能的調整系數。由于性能、成本及有害功能的評價指標具有不同的量綱及量綱單位，為了消除其差異性而帶來的不可共度性，故將評價指標進行無量綱化處理。

設評價樣本數為n件，則對于功能模塊FMi，其n件樣本的性能、成本及有害功能三個評價指標構成評價矩陣。評價矩陣規范化后矩陣R記為。

性能實現度及成本評價值最低值不會為0，二者會有一個基礎數值；而有害功能系數最低值可以為0（即有害功能不存在）。故三者的規范公式如下：

性能實現度及成本評價值規范公式：

3.8 專利價值度的計算

3.8.1 共有功能模塊價值度計算公式

專利共有功能模塊i 的價值度計算公式為：

3.8.2 個性化功能模塊價值度計算公式

專利個性化功能模塊i 的價值度計算公式為：

3.8.3 最終價值度的計算

專利的最終價值度為初篩價值度和功能價值度之和，計算公式如下：

4 案例分析

管道作為一種重要的物料輸送設施，廣泛應用于石油、化工等領域，管道機器人是一種可沿管道內部行走，攜帶一種或多種檢測設備及操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列管道作業的機、電、儀一體化系統［17］。管道檢測機器人的主要用途為管網的驗收及缺陷檢測。下面以管道檢測機器人為例對本方法進行驗證。

4.1 專利篩選

限定專利篩選范圍，使用檢索式：(管道 AND機器人 AND (檢測 OR 探測)) AND IPC:(F16L55)，得到專利787 件，其中發明專利235 件，實用新型專利277 件。由于專利數量較多，工作量大，故本文僅隨機挑選10 件篩選后的專利進行分析。

根據公式（1）計算得到10 件專利的初篩價值度如下：

表9 管道機器人初篩價值度

4.2 需求提取及共有功能模塊的劃分

對其題名及摘要進行信息提取，得到專利功能及性能需求信息：

表10 需求信息表

因評價公式（16）中已考慮成本要素，故“成本”需求不需考慮。

根據功能需求，將管道機器人的技術系統的共有功能模塊劃分如下：移動模塊FM1、檢測模塊FM2、傳輸模塊FM3、鏡頭調節模塊FM4 以及控制模塊FM5。

4.3 功能重要度計算

系統的制品為拍攝到的管道，超系統為地面、操作員等。根據各模塊間的相互作用關系，建立如下功能模型圖：

圖4 管道機器人共有功能模塊分析模型

管道機器人的功能重要度見下表：

表11 功能重要度

4.4 功能創新度計算

對篩選后專利的功能模塊進行檢索對比，根據判定條件確定各功能模塊的創新程度。

以專利CN101832447B［18］的移動模塊為例，首先分析其效應，其驅動子功能的效應為“旋轉-扭矩力”，無創新性；移動子功能效應為“移動-摩擦”，無創新性；傳動子功能效應為“旋轉-扭矩力”，無創新性，該模塊在原理上無創新。然后建立實現移動功能的功能-結構映射及移動模塊關系表。

表12 移動模塊關系表

在本專利中，通過前后電機的分別控制來實現轉向來代替轉向機構；通過錐齒輪及鉸鏈傳動具有一定創新性；通過檢索“雙電機”“錐齒輪”“鉸鏈”等關鍵詞，確定專利CN101832447B 移動模塊的創新等級為1.2 級。

其各個模塊的功能創新度為：

表13 功能模塊創新程度

4.5 性能實現度計算

（1）性能指標權重計算。管道機器人的相關性能指標包括：檢測可靠性、操作靈活性、行走穩定性、越障性能、工作可靠性、管道適應性、前進速度。利用層次分析法得到各指標權重：

表14 性能權重

（2）性能-屬性關系矩陣。以專利CN101832447B［18］的移動模塊為例，建立移動模塊性能-屬性關系矩陣。

表15 移動模塊性能-屬性關系矩陣

得到性能-屬性關系值矩陣A。

（3）性能偏向值。由性能-屬性關系值矩陣得到管道機器人的移動模塊性能偏向值為3.982 4；管道機器人其他模塊性能偏向值如下：

表16 性能偏向度

（4）屬性-特征關系矩陣。建立移動模塊的屬性-特征關系矩陣：

表17 移動模塊屬性-特征關系矩陣

表17 （續）

得到屬性-特征關系值矩陣B。由此計算出移動模塊的性能實現度為5.817 8。同理得到專利各模塊的性能實現度如下：

表18 性能實現度

4.6 成本評價值計算

對專利文件中記載的元件進行分類統計，得到管道機器人的成本評價值如下：

表19 成本評價值

4.7 有害功能評價值計算

以專利CN101832447B［18］為例，對其進行功能分析；

圖5 專利CN101832447B 的移動模塊有害功能分析

圖中實線為有益功能，虛線為有害用哪個。從功能模型中不同元件之間的相互作用關系可以看出，該專利存在以下問題：

（1）鉸鏈輪與鉸鏈之間存在磨損，長時間使用會導致其可靠性下降，該危害從第一類有害功能中產生；

（2）鉸鏈傳動會發出較大噪音，該危害從第二類有害功能中產生。

對于第一類有害功能，其影響的性能為工作可靠性，作用關系的功能等級與該系統中最大功能等級的比值為0.2，其評價值為0.022 9。該模塊的平均評價值為0.035 4。對于第二類有害功能，噪音對用戶屬于可忽略的危害，故其評價值為0.2。

由公式（8）計算得該專利的有害功能評價值為0.523 2。

4.8 調整系數計算

將前面得到的數據進行匯總，并求出平均性能實現度以及成本評價值，使用公式（11）進行計算，處理得到移動模塊三個評價指標的權系數為：S=［0.432 5 0.421 6 0.145 9］。

調整系數u=0.346 1。專利CN101832447B 移動模塊功能價值度為：0.530 9。

4.9 個性化功能模塊價值度計算

作為專利樣本庫的十件專利其各功能模塊的平均性能及平均成本如下：

表20 各功能模塊的平均性能及平均成本

得到該專利樣本庫的平均性能成本比為0.136 4。

以專利CN104192216B 為例，其個性化模塊為環境檢測模塊，作用是檢測管道內的氣體組成、溫度等多種環境信息及管道機器人的傾斜情況，可提高檢測準確性及工作可靠性。將該模塊加入到功能模型中得到其功能重要度為0.13；根據性能實現度求解過程，得到其性能實現度為1.201 5；成本評價值為6。由于專利樣本庫中只有該專利有此功能，故環境檢測模塊的性能偏向度與該專利環境檢測模塊的性能實現度相等，即值為1.201 5。

由個性化功能模塊的計算公式（14）求得環境檢測模塊的技術水平為0.152 9，其對專利整體價值影響度為0.019 1。

4.10 專利價值度的計算

（1）功能模塊價值度。基于功能分析的高價值專利判斷方法可以對單個技術模塊進行價值評價，以下是移動模塊的評價分析：

表21 移動模塊價值分析表

從上表中可以看出，相對性能水平較高的專利有CN101832447B、CN101915339B、CN103148314B；相對成本較低的專利有CN101832447B、CN104192216B；專利CN101832447B、CN101915339B、CN103148314B 的移動模塊在技術上存在優勢。企業可根據對性能、成本及綜合情況對專利進行取舍。

（2）綜合價值度。將初篩價值度與功能價值度的權重比值設為0.2:0.8，最終得到十件專利的價值度計算結果及如下：

表22 各專利價值度

結果分析：

初篩價值度用于評價專利在法律與戰略層面的價值高低，功能價值度用于評價專利技術水平的高低。專利CN101832447B 與專利CN104192216B的綜合價值度較高。技術價值最高的專利為CN101832447B，專利CN105318140A 在法律及戰略層面具有較高的價值，而技術層面價值相對不高。

移動模塊與鏡頭調節模塊是管道機器人專利設計創新的重點。專利CN106224690B 的移動模塊具有較高的創新性，但相對理想化水平不高。檢測模塊及傳輸模塊各專利間差別不大，檢測模塊的改進傾向于使用多種檢測方式提高準確率；傳輸模塊方面專利CN106224690B 設計了一種防止電纜線干擾的方法。控制模塊方面，專利CN104192216B 與CN101915339B 進行了設計。鏡頭調節模塊方面，專利專利CN101832447B 擁有較高的性能實現度。

從結果看，本方法計算得出的專利價值評價值與專利檢索網站智慧芽中給出的專利評估結果相差不大，部分專利因評價角度不同略有差別。

5 結論

本文依據TRIZ 理論中的功能分析法與理想度理論，提出了一套技術領域通用的專利價值評價方法。該方法先通過定量指標進行篩選，剔除低價值專利，之后對專利技術進行功能分析，得到其關于功能、性能、成本以及危害的評價指標。該方法不僅可以幫助研究人員快速篩選高價值專利，降低評估人員的專業要求，而且還能針對某一專利的局部技術優勢和缺陷進一步分析。通過對實例的分析，表明該方法具有一定的理論意義和實用價值。