基于功能本體與可拓理論的專利群規避設計

陳錦成，成思源，楊雪榮

（廣東工業大學 機電工程學院，廣州 510006）

近十年，中國發明專利申請數目呈井噴式增長，企業對于專利知識保護意識增強，紛紛構建專利壁壘以保護自身創新發明成果以阻礙后來的者競爭[1]。在知識產權保護下，后發企業想通過模仿技術設計出不構成專利侵權的產品，需要利用繞開專利壁壘保護的產品創新設計方法，即專利規避技術。

專利規避被眾多學者研究并提出多種設計方法[2]。其中可拓學以其解決矛盾問題時可操作性強的特點，被廣泛應用于專利規避研究中。李千靜等[3]提出了一種基于可拓學與計算機輔助創新軟件的專利規避設計方法，利用軟件建立專利功能模型后運用可拓變換進行專利規避。米晶晶等[4]把專利文本轉化為可拓模型，對規避對象建立可拓基元集，利用可拓變換完成專利規避。陳曉菁等[5]將可拓變換與TRIZ 理論相結合開展專利規避，通過可拓變換構建規避路徑以獲取規避模型，最后以TRIZ 理論解決規避過程中出現的問題。上述研究驗證了可拓學應用于專利規避的可行性，但均針對單一專利進行規避設計且多針對組件建立物元模型以開展規避，甚少考慮功能概念，仍存在侵犯同一應用領域其他專利的風險。

對此，以專利群為對象的規避設計研究逐漸增加。鄭元松等[6]利用國際專利分類號IPC—技術—功效三維圖分析核心專利群，獲取與目標技術相似的核心專利并結合問題解決理論TRIZ 進行專利規避設計。魯玉軍等[7]基于TRIZ 理論針對專利群進行規避，通過組件規避、功能規避與TRIZ 創新方法進行規避設計。鐘瑞洲等[8]提出了一種面向需求的專利群規避設計策略，通過分析專利群得到功能需求并構建新產品概念模型。肖河曼等[9]以異類專利產品為目標，通過構建專利相似矩陣并進行組件—功能分析確定規避對象，并選擇合適的規避策略開展規避設計。

以上研究體現了TRIZ 理論應用于專利群規避設計過程中的可行性，但在對各專利知識的整合過程中仍存在表達不規范、整合方向取決于設計者主觀判斷等問題。

針對上述專利群規避設計研究所遇到的問題，本文提出一種以可拓理論與功能本體概念作為理論基礎的專利群規避設計方法。該方法的特點在于以規范化的功能本體知識來整合各專利的知識，并在規避設計過程中利用可拓理論，對規避功能與對應組件建立其基元模型進行可拓分析與可拓變換，能有效降低規避設計所得方案侵權的風險。

1 基于功能本體與可拓理論的專利群規避設計方法

基于功能本體與可拓理論的專利群規避方法主要分為四個階段。第一個階段，通過IPC 分類號與關鍵詞界定目標專利群范圍；第二個階段，通過功能本體詞匯對專利群中各專利分別構建其功能結構，利用功能本體庫中的功能詞匯層級屬性，將各專利中的共有功能與組件進行整合，得到能表達專利群的總功能結構并確定規避功能；第三個階段，對專利群功能結構中的規避功能進行功能變更，并通過可拓分析指引變更方向，利用可拓變換將其相關組件進行變更，得到規避方案；第四個階段對所得規避方案進行侵權判定，若不侵權則判斷該規避設計方案為最終方案解并進行后續生產。基于功能本體和可拓理論的專利群規避設計方法具體流程如圖1 所示。

圖1 基于功能本體與可拓理論的專利群規避流程圖Fig.1 Flow chart of patent group avoidance based on function ontology and extension theory

1.1 確定目標主題

目前國內專利數已超過200 萬件，專利已經成為了產品創新過程中不可忽視的參考資料[10]。如何從信息量巨大的專利庫中檢索所需的專利及其專利群成為了提高專利利用價值的前提。其中國際專利分類號IPC成為了專利分類的一種通用方式，在檢索時添加IPC號，可限定檢索的技術領域與應用方向。對此，本文使用關鍵詞+IPC 分類號的方式來檢索目標專利，再根據實際要求對檢索結果進行篩選并確定目標專利群。

1.2 確定規避內容

相對于單一專利，專利群所蘊含的創新性知識更多。但該類知識存在于各項專利之中，受限于自然語言以及各專利由不同的專利發明人撰寫等客觀因素，導致在各專利中，實現同一目的或同一效果的功能及其組件的描述并未能達成統一，不利于從專利群中定義一個或多個明確需規避的內容。

專利群作為相似專利的集合，在功能知識的獲取過程中，有必要對各專利的功能表述進行統一。同時，專利功能知識的統一表達有助于后續整合得到清晰的專利群功能結構，以便最后確定專利群中需要進行規避的功能概念或功能實現方式。

1.2.1 專利文本處理

在通過關鍵詞與IPC 分類號兩者共同進行檢索后，所得檢索結果中包括多份專利，若僅依靠人工瀏覽專利文本，其工作量大且效率低。為提高專利文本的使用效率，可使用自然語言處理技術對其進行分析與處理。

專利文本作為一種特殊形式的文本，具有固定的組成部分，其中說明書附圖、權利要求書、專利說明書部分蘊含了該專利的絕大多數的技術特征等創新性知識[11]。首先，劃定上述部分作為處理對象。之后，提取上述處理對象的文字內容，對其段落文字內容根據符號進行切割分句，再剔除各句子的副詞、介詞等無關詞匯，再依據詞語性質進行分詞以獲取組件名詞組與技術特征表達詞組，用于后續的功能結構建立。

對于專利文本中的組件詞匯，可從各專利說明書的附圖說明部分通過提取名詞的方式來獲取。此外，專利中用于表達技術特征的句子具有明顯的引導文句結構，如：“利用…手段”“采用…技術”等，通過人為定義分詞詞典，可提取出如動賓結構（v+n）或主謂結構（n+v/a）的動名詞短語并整合為技術特征表達詞候選組。在獲取候選組后，仍需過濾其中的干擾項[12]。

最終可獲取專利產品的組件名詞組與技術特征表達詞組。針對專利文本的自然語言處理流程如圖2所示。

圖2 專利文本處理流程Fig.2 Patent text processing flow

1.2.2 基于功能本體建立各專利功能結構

功能本體可理解為一個包含了功能術語及其之間規范關系說明的體系，其衍生的概念有功能本體庫[13]。該庫作為一個功能本體詞匯的標準詞典，為功能結構建模提供了標準化的術語，降低了知識提取過程中概念層次認知的模糊程度，同時也提高了多個功能結構模型之間的信息一致度，避免了同一功能在不同結構中出現有歧義的表達。

通過上一流程對專利文本進行自然語言處理并獲取其組件名詞詞組與技術特征表達詞組后，可使之與功能本體庫進行匹配，將其轉化為標準的功能術語并建立對應的專利功能結構。通過不同層級的功能劃分，專利的總功能可分解為分功能、子功能。最后再把實現各子功能的組件與之對應，建立專利的功能結構。專利功能結構的構建流程見圖3。

圖3 專利功能結構構建流程圖Fig.3 Patent function structure construction flow chart

1.2.2 基于功能本體建立專利群功能結構

在針對各專利構建基于功能本體詞匯的功能結構后，下一步需要將各功能結構進行整合，即把關聯程度高的功能進行泛化，集合成一個抽象程度相同或者更高的功能。

功能之間的關聯程度可參考功能本體庫。在該庫中，抽象程度各異的功能所處的層級亦不同，進而構成了功能之間的父子關系與并列關系[14]。若不同專利之中存在同一子類的不同功能，如圖4 所示，專利1的功能模型中存在“移除”這一功能，而專利n中存在“隔開”這一功能，則可以對兩者進行功能泛化，將其聚類為抽象程度更高的“分開”功能。通過功能泛化，可將各專利的功能結構整合為專利群的功能結構。

圖4 專利群功能泛化流程圖Fig.4 Patent group function generalization flow chart

1.3 規避方案求解

可拓學是我國學者蔡文教授于1983 年提出的一門原創性橫斷學科，該學科使用形式化模型研究事物拓展與變換的規律，在信息表達與創新設計中發揮著積極作用[15]。功能可以理解為組件之間的相互作用，屬于事的范疇，故可以通過可拓理論中的事元模型以矩陣形式進行表達，其中事元模型A的組成如下：

事元模型以矩陣形式通過選擇并補充多個特征量值可對功能進行多維度的信息提取與分析，體現了可拓理論中基元模型在信息處理方面的優勢。但對專利群存在的所有功能都建立事元模型將導致功能分析信息冗余、規避方向發散過多等不良現象產生，不利于后續有針對性地對特定功能進行規避。因此，有必要先確認專利群功能結構中的規避功能，再針對該功能建立事元模型，以此進行后續的可拓分析以及可拓變換。

在得到專利群功能結構且對其所能實現的功能具有一定程度的認知后，需要從中確認規避對象，即應用過程中表現不足的功能。在基于全面覆蓋與等同原則等多個規避路徑的基礎上，對于規避功能進行的操作如圖5 所示。

圖5 規避功能改進流程圖Fig.5 Avoidance function improvement flow chart

對于規避功能，需分別從功能概念以及實現方式兩個方面進行規避。其中功能概念的變更主要參考功能本體庫，并以功能本體詞匯之間的層級與從屬關系為依據。首先對專利群中的原功能進行功能泛化，將其概念進一步抽象至其父級功能。之后通過功能同義語義轉換，把該父級功能轉換為同一功能層級的其他功能。最后對該同級功能進行具體化，在其子級功能群中檢索適合的子功能作為新功能替換規避功能[17]。

通過上述流程使規避功能變更為與其本質不同的新功能，完成功能概念的規避。但在該過程中，僅有規避功能的泛化方向是確定的，而后續的功能同義語義轉換以及功能具體化的方向是不確定的。

功能依賴于組件之間的相互作用來實現。換而言之，功能變更不僅需要語義理解與概念認知，還需考慮功能的實現方式是否與產品實際應用條件相適應。功能的實現方式對功能變更可起到引導方向的作用。

因此，將可拓理論引入功能變更過程中，通過形式化的基元模型針對規避功能建立功能事元模型，對其特征實現方式進行可拓分析，以直觀具象的符號為對象進行操作更能發揮功能實現方式指引功能變更方向的作用。

可拓分析在功能變更過程中的作用如下：

1）拓展規避功能的多方面知識信息，如原專利群組件的特征屬性與實現方式的表現狀況等。利用該知識信息為功能變更過程中提供方向指引。

2）基于變更所得的新功能概念，對1）中所得的知識信息進行拓展，獲取能實現新功能的相關知識信息，將其作為新功能實現方式的候選方案。

在進行可拓分析后，僅得到了豐富的知識信息，而專利群的功能結構與組件并未發生改變。對此，還需要進行可拓變換，將專利群中與規避功能相關部分以規范的形式與可視化的符號操作替換成可拓分析所得的知識信息[18]。

在已有的專利規避設計方法中，主要對原專利中的規避對象進行修剪，使用刪除、替換等形式開展規避設計[19]。對應地，在可拓變換應用于專利規避領域時，主要結合刪變換與置換變換進行復合運算，其表達式如下所示。

其中ξ可表示為物元M、事元A、關系元R、特征C或者量值V等，B、B′表示物元M、事元A、關系元R。通過基元模型對組件與功能進行表達并進行可拓變換，可使產品功能結構中的規避功能及其組件被新功能與相應組件替換并形式化地表述該過程[5]。

1.4 方案侵權判定

在得到規避設計方案后，需對該方案進行侵權判定。目前法律公認的侵權判定原則如下：全面覆蓋原則、等同原則等。其中全面覆蓋原則指被控侵權物將已有專利中的技術方案及其技術特征完全復制再現，等同原則指被控侵權物存在與已有專利獨立權利要求保護的技術特征。

在對規避方案的判定過程中，需比較規避方案與已有專利之間的技術特征集合，以確定方案中的主要技術特征是否處于已有專利的保護范圍內。若不違反上述原則，即可得到最終方案解。本文所提出的規避設計流程分別對功能及其實現方式進行規避，所得方案中的新組件與原有專利產品的組件具有不同的技術特征，并不違背上述判定原則，可有效降低侵權風險。

2 案例分析

隨著人們物質需求的日益增長，酒類已廣泛出現在人們的日常生活之中。其中大多數酒采用玻璃瓶進行承裝，由于其保護程度低，提高酒類保護程度的酒類包裝盒應運而生。目前酒類包裝盒專利主要的缺陷有：不能針對不同尺寸的酒瓶進行安放與保護、展示盒內酒瓶的視覺效果不佳。為基于已有專利群進行規避并設計出一款能解決上述缺陷的酒類包裝盒方案。首先基于分類號B65D（用于物件運輸的容器）與關鍵詞“酒類包裝盒”進行檢索，以兩種酒類包裝盒專利CN 103318496 A[20]與CN 205381526 U[21]作為本次的目標規避對象。兩個專利的產品外觀如圖6、圖7所示。

圖6 CN 103318496 A 專利產品外觀示意圖Fig.6 Appearance diagram of patent product CN 103318496 A

圖7 CN 205381526 U 專利產品外觀示意圖Fig.7 Appearance diagram of patent product CN 205381526 U

圖8 酒類包裝盒專利群功能結構構建流程圖Fig.8 Function structure construction flow chart of wine packaging box patent group

圖9 功能同義語義轉換流程圖Fig.9 Functional synonym semantic transformation flow chart

基于上述可拓分析將固定功能轉換為限位功能后，需進行更進一步的可拓分析，以引導功能具體化的方向。

圖10 功能具體化流程圖Fig.10 Function concretization flow chart

至此，固定功能已通過功能同級語義轉換為限位功能，并對限位功能進行功能具體化轉換，轉換為彈性緩沖功能。但所得的新功能仍需通過可拓分析以確認實現該功能的新組件，具體拓展分析如下。

將顯示功能通過酒類包裝盒盒體本身來實現。同時考慮盒體仍有保護酒瓶的主要功能，需要保證其強度，最后選擇硬度較高的塑料或者強化玻璃作為候選材料。

進行多次可拓分析后，得到新功能事元模型及其組件物元模型，下一步需通過可拓變換將專利群的原有功能與組件轉化為由功能變更與可拓分析后所得的新功能與組件，可拓變換過程如下。

通過可拓變換后，可把原產品中的規避功能與相關組件進行替換，從而得到新產品功能結構，見圖11。

圖11 新產品功能結構圖Fig.11 Function structure diagram of new product

新產品物理模型為酒瓶狀圓柱體結構，主要由三個部分組成，分別為盒體、盒蓋、彈性緩沖組件。

其中盒體、盒蓋直接通過螺紋進行連接，兩者均透明，可清晰顯示盒內酒瓶。彈性緩沖組件主要由限位擋板、盒體連接板、彈簧組成，其中限位擋板在工作過程中與酒瓶緊密接觸，彈簧能根據不同尺寸的酒瓶調整擋板位置使之能保持緊密接觸，同時起到緩沖減震的效果。對應酒瓶的頸部與底部，均有同樣效果的彈簧擋板組合的緩沖組件。新產品酒類包裝盒的剖面結構與彈性緩沖組件布局位置見圖12。

圖12 新產品外觀示意圖Fig.12 Appearance diagram of new product

相比已有的專利群產品，該產品能適應不同尺寸的酒瓶，其盒體使用透明材質，能最大程度地展示酒瓶的外表特征，同時具有更好的保護效果與緩沖效果。此外，該產品與專利群中各專利產品的規避功能與對應組件的技術特征均存在不同，在實現同樣的效果過程中并未使用同樣的技術特征與手段，不違背全面覆蓋原則等侵權判定原則，其侵權風險較低。

3 結語

本文所提出的基于功能本體與可拓理論的專利群規避方法，利用具有規范認知的功能本體詞匯提取專利群中各專利的功能知識，并將其整合構建專利群的功能結構，為定義與確認專利群規避功能提供了可行的操作流程。同時，該方法以可拓理論作為規避方案求解的理論支撐，通過針對規避功能建立事元模型并對其進行可拓分析與可拓變換，為后續的功能變更與規避方案求解過程提供了直觀具象的操作步驟，提升了專利規避過程的可操作性。

此外，該規避設計方法對規避功能及其實現方式兩個方面均進行了變更，可有效地降低對已有產品侵權的風險。