國(guó)際專利分類表中設(shè)計(jì)知識(shí)的提取和利用

冀　瑜,邱清盈 ,馮培恩,黃　浩

(1.浙江大學(xué) CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027; 2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 知識(shí)產(chǎn)權(quán)學(xué)院,浙江 杭州 310018)

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國(guó)際專利分類表中設(shè)計(jì)知識(shí)的提取和利用

冀瑜1,2,邱清盈1,馮培恩1,黃浩1

(1.浙江大學(xué) CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027; 2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 知識(shí)產(chǎn)權(quán)學(xué)院,浙江 杭州 310018)

摘要:針對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)缺乏知識(shí)的問(wèn)題,提出從國(guó)際專利分類表(IPC)中提取設(shè)計(jì)知識(shí)的思想,將IPC中的知識(shí)分為功能、效應(yīng)和作用結(jié)構(gòu)知識(shí)3個(gè)層次,并定義功能關(guān)聯(lián)度、效應(yīng)互換度、效應(yīng)通用度與作用結(jié)構(gòu)知識(shí)兼容度定量參數(shù),建立知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系. 提出從IPC中獲取這些設(shè)計(jì)知識(shí)的流程,采用知識(shí)網(wǎng)的形式組織和表示所獲取的知識(shí),以輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì).以電加熱水龍頭為例,通過(guò)從IPC中獲取相關(guān)的功能、效應(yīng)和作用結(jié)構(gòu)知識(shí),并運(yùn)用組合、替換、變異等創(chuàng)新策略,得到創(chuàng)新方案,表明從IPC中獲取設(shè)計(jì)知識(shí)能有效拓展設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新思維,促進(jìn)創(chuàng)新方案的產(chǎn)生．

關(guān)鍵詞：國(guó)際專利分類表(IPC);專利;設(shè)計(jì)知識(shí);知識(shí)網(wǎng)

專利文獻(xiàn)是一種具有新穎性、創(chuàng)造性和實(shí)用性的技術(shù)文檔,蘊(yùn)藏著各領(lǐng)域的最新研究成果.據(jù)世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織(world intellectual property organization,WIPO)調(diào)查,世界上90%～95%的發(fā)明創(chuàng)造以專利形式發(fā)布,其中80%并未記載在其他文獻(xiàn)中,有效利用專利知識(shí)資源,可縮短的60%的產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間,并可節(jié)省40%的研發(fā)經(jīng)費(fèi).2013年全世界有效的發(fā)明和實(shí)用新型專利約945萬(wàn)件,累計(jì)可查閱的專利文獻(xiàn)已超過(guò)1億件,成為一類內(nèi)容豐富的知識(shí)庫(kù)[1].

近年來(lái),挖掘?qū)＠R(shí)啟發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面的研究取得一定進(jìn)展,主要可以分為2類.一類是基于概念設(shè)計(jì)模型,分層次提取設(shè)計(jì)知識(shí).Li等[2]基于公理設(shè)計(jì)(axiomatic design,AD)框架,應(yīng)用自然語(yǔ)言處理方法,從專利說(shuō)明書(shū)中提取功能要求知識(shí)和設(shè)計(jì)參數(shù)知識(shí).Liang等[3]提出了一個(gè)3層的設(shè)計(jì)規(guī)則(design rational,DR)表示模型,即問(wèn)題層、設(shè)計(jì)方案層和工件層,從單個(gè)專利文件中提取相應(yīng)設(shè)計(jì)知識(shí),并由此對(duì)多個(gè)專利文件構(gòu)建DR網(wǎng).薛馳等[4]面向概念設(shè)計(jì),提出了一種適用于計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理的專利知識(shí)挖掘方法,建立了統(tǒng)一的專利作用結(jié)構(gòu)知識(shí)表示模型,通過(guò)自然語(yǔ)言處理從專利中提取作用原理和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識(shí).上述研究在知識(shí)獲取過(guò)程中,需要對(duì)專利文獻(xiàn)進(jìn)行人工解讀.根據(jù)設(shè)計(jì)需求檢索到的專利文獻(xiàn)數(shù)量大、篇幅長(zhǎng),分析十分耗時(shí)費(fèi)力，因此如何通過(guò)計(jì)算機(jī)高效地獲取和恰當(dāng)?shù)乇硎緦＠R(shí)、啟發(fā)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新靈感,仍是亟待解決的問(wèn)題．另一類是基于發(fā)明問(wèn)題解決(theory of inventive problem solving,TRIZ)理論,提取設(shè)計(jì)知識(shí).任工昌等[5]通過(guò)檢索獲取所需專利知識(shí),基于TRIZ理論描述專利知識(shí),借助頭腦風(fēng)暴法產(chǎn)生創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案.錢煒苗等[6]基于質(zhì)量功能展開(kāi)(quality function deployment,QFD)和TRIZ理論挖掘?qū)＠R(shí),建立基于專利知識(shí)的輔助設(shè)計(jì)原型系統(tǒng).付敏等[7]以AD的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程為主線,由用戶域映射得到產(chǎn)品的功能域,以TRIZ指導(dǎo)AD的功能分解,開(kāi)展解耦設(shè)計(jì),應(yīng)用AD的信息公理進(jìn)行方案評(píng)價(jià)篩選.Soo等[8]采用預(yù)先建立的規(guī)則庫(kù)從專利中提取專業(yè)術(shù)語(yǔ)和結(jié)構(gòu)原理,構(gòu)建了基于TRIZ理論的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng).上述基于TRIZ理論的研究一般僅能得到設(shè)計(jì)問(wèn)題的通用解,領(lǐng)域解仍然較多依賴于設(shè)計(jì)者自身的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn).

國(guó)際專利分類表(international patent classification,IPC)是國(guó)際通用的專利文獻(xiàn)分類和檢索工具,最新的版本中共包含了7萬(wàn)多條記錄,每條記錄對(duì)應(yīng)一定的技術(shù)主題,蘊(yùn)含著特定的設(shè)計(jì)信息[9].當(dāng)前研究主要是利用IPC檢索專利：NTCIR-5工作組利用IPC檢索專利的無(wú)效文檔和段落,生成專利地圖[10],還利用IPC進(jìn)行專利和非專利文獻(xiàn)的聚類,以實(shí)現(xiàn)對(duì)專利技術(shù)特征的理解和擴(kuò)展[11].Kim等[12-13]基于IPC提出了聚類的語(yǔ)言模型,意在專利無(wú)效檢索中改善檢索效果.目前尚無(wú)直接從IPC中獲取設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究．本研究從IPC中獲取功能、效應(yīng)、作用結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)知識(shí)，并建立設(shè)計(jì)知識(shí)之間的聯(lián)系，以輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì).

1IPC的結(jié)構(gòu)及知識(shí)分析

1.1IPC的結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)《國(guó)際專利分類斯特拉斯堡協(xié)定》(international patent classification agreement,IPCA),IPC建立的目的是構(gòu)建一種統(tǒng)一的專利分類系統(tǒng),由WIPO國(guó)際局負(fù)責(zé)組織管理和維護(hù).第1版IPC分類表采用了1968年制定的歐洲專利分類表,該分類表的形成以荷蘭的專利分類表為基礎(chǔ),融合了法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、意大利、瑞士、瑞典等國(guó)家的分類表．

IPC最初的技術(shù)主題以圖書(shū)分類法為基礎(chǔ),后來(lái)被不斷地補(bǔ)充、修改,現(xiàn)已形成了以產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)為主、以產(chǎn)品應(yīng)用為輔進(jìn)行聚類的技術(shù)主題.每年那些被專利審查員發(fā)現(xiàn)區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的、具有創(chuàng)新性的技術(shù)特征將被提交到IPCA聯(lián)盟大會(huì)上討論,以決定是否對(duì)IPC進(jìn)行更新.因此,IPC在一定程度上反映了當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)．

IPC分類體系采用由高至低依次排列的層次結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)將不同的技術(shù)領(lǐng)域概括為8個(gè)部,部以下依次為大類、小類、大組和小組,都由類號(hào)和類名組成.部和大類的類名對(duì)其包括的技術(shù)主題作概括，進(jìn)行全面的說(shuō)明；小類的類名精確地定義其所包括的主題范圍；大組和小組的類名對(duì)小類定義的主題范圍作進(jìn)一步的細(xì)分.例如：CN102305310A公開(kāi)的發(fā)明專利申請(qǐng)“一種帶管道加熱器的泡茶專用出水龍頭”[14],其IPC分類號(hào)為“H05B 3/42··(不可彎曲的)”.該分類號(hào)是二點(diǎn)小組,其一點(diǎn)小組為“H05B 3/40·(棒狀或管狀加熱元件)”,大組為“H05B 3/00(歐姆電阻加熱的)”,所屬小類為“H05B(電熱)”,大類為“H05(其他類目不包含的電技術(shù))”,部為“H(電學(xué))”.同時(shí)與該分類號(hào)并列的小組有“H05B 3/54··(可彎曲的)”[15]．

1.2IPC中的設(shè)計(jì)知識(shí)及其相互關(guān)聯(lián)關(guān)系分析

IPC中的設(shè)計(jì)知識(shí)主要蘊(yùn)含在每一層的類名中,具體分析如下.

圖1　國(guó)際專利分類表的層次結(jié)構(gòu)Fig.1　Hierarchy of international patent cclassification (IPC)

1)功能知識(shí).功能代表輸入輸出之間以完成任務(wù)為目的的總的相互關(guān)系,一般用動(dòng)詞-名詞來(lái)描述.功能動(dòng)詞概括性地表達(dá)了對(duì)功能對(duì)象的作用[16]. 在IPC的一點(diǎn)小組及其上級(jí)類目的類名中, 并列出現(xiàn)的功能動(dòng)詞一般表示相關(guān)的功能.例如,“H01C 1/08·(冷卻、加熱或通風(fēng)裝置)”中,“冷卻”、“加熱” 、“通風(fēng)” 是相關(guān)的功能.

2)效應(yīng)知識(shí)：效應(yīng)從本質(zhì)上解釋了“功能被結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)”的科學(xué)依據(jù),由物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、幾何學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的定律、公理、原理等組成.效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)一定的功能,即按照效應(yīng)規(guī)定的原理將輸入量轉(zhuǎn)化為輸出量[17].在IPC的類名中,有一些短語(yǔ)描述效應(yīng)知識(shí),這些短語(yǔ)有一定規(guī)則,其構(gòu)成模式為“名詞+功能動(dòng)詞”、“功能動(dòng)詞+介詞+名詞”、“副詞+功能動(dòng)詞”,例如：“H05B 3/00(歐姆電阻加熱的)”中的名詞短語(yǔ)“歐姆電阻加熱”蘊(yùn)含“電阻加熱”效應(yīng)知識(shí).

3)作用結(jié)構(gòu)知識(shí)：作用結(jié)構(gòu)指實(shí)現(xiàn)效應(yīng)的幾何和物料特征標(biāo)志的組合,這些特征標(biāo)志包括幾何、運(yùn)動(dòng)、力、能量、物料、信號(hào)等[16].IPC中包含效應(yīng)知識(shí)的類名的下級(jí)類名通常蘊(yùn)含著表示作用結(jié)構(gòu)的知識(shí).例如：“H05B 3/00(歐姆電阻加熱的)”的小組“H05B 3/20·(二維平面加熱元件)”包含了電阻加熱元件的幾何形狀知識(shí)．

上述IPC的功能知識(shí)與效應(yīng)知識(shí)之間通過(guò)句法關(guān)系產(chǎn)生關(guān)聯(lián),效應(yīng)知識(shí)和作用結(jié)構(gòu)知識(shí)之間通過(guò)IPC的層次關(guān)系產(chǎn)生關(guān)聯(lián).進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)：功能層、效應(yīng)層和作用結(jié)構(gòu)層知識(shí)內(nèi)部也存在關(guān)聯(lián),從而可構(gòu)成豐富的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)．

1.2.1功能層知識(shí)的關(guān)聯(lián)在同一類目中共同出現(xiàn)的功能語(yǔ)義詞之間具有關(guān)聯(lián)關(guān)系,主要為同一、促進(jìn)、否定、前序和后繼關(guān)系．

1)同一關(guān)系：即兩功能相同或相近似.例如:“F25(制冷或冷卻；加熱和制冷的聯(lián)合系統(tǒng)；熱泵系統(tǒng)；冰的制造或儲(chǔ)存；氣體的液化或固化)”,“制冷”和“冷卻”為相同的功能.

2)促進(jìn)關(guān)系：即兩功能是支持或促使的關(guān)系.例如:“F24(供熱；爐灶；通風(fēng))”,“通風(fēng)”常常和“供熱”同時(shí)出現(xiàn),促進(jìn)“供熱”的實(shí)現(xiàn).

3)否定關(guān)系：即兩功能相反.例如:“B01L 7/00 (加熱或冷卻設(shè)備)”,“加熱”和“冷卻”是否定關(guān)系．

4)前序關(guān)系：即兩功能在實(shí)現(xiàn)順序上有先后之分.例如:“B24(磨削；拋光)”,“磨削”是“拋光”的前序功能．

5)后繼關(guān)系.例如:“A43D 95/10(鞋的干燥或加熱裝置)”, “干燥”是“加熱”的后繼功能.

為表示功能之間的關(guān)聯(lián)緊密程度,定義2個(gè)功能i和j之間的關(guān)聯(lián)度vij,用功能動(dòng)詞在IPC的類名中并列出現(xiàn)的頻次表示.例如:功能動(dòng)詞“加熱”和“冷卻”在IPC的類名中并列出現(xiàn)95次,則加熱和冷卻功能的關(guān)聯(lián)度為95.可見(jiàn),vij∈N,N為自然數(shù)集合．關(guān)聯(lián)度表征了功能之間復(fù)合的可行性,其值越大,功能復(fù)合的可行性越好．

1.2.2效應(yīng)層知識(shí)的關(guān)聯(lián)若有幾個(gè)不同效應(yīng)能實(shí)現(xiàn)同一功能,則對(duì)此功能而言,這些效應(yīng)之間的關(guān)系可以分為替代、互補(bǔ)等.對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)而言,更有意義的是效應(yīng)之間的替代關(guān)系.

定義2個(gè)效應(yīng)i和j之間的互換度mij,表示互相之間可以替代的程度.因?yàn)樾☆惖念惷_地定義了其所包括的主題范圍,所以可以用同時(shí)包括效應(yīng)i、j的小類的個(gè)數(shù)來(lái)衡量互換度mij.例如：“感應(yīng)加熱” 和“電阻加熱” 共同出現(xiàn)在B23K、F26B、F27D、H05B等4個(gè)小類中,則其互換度為4.可見(jiàn),mij∈N,mij越大,效應(yīng)i、j之間的可替換性越好．

對(duì)于單個(gè)效應(yīng),定義通用度n,用包括該效應(yīng)的小類的個(gè)數(shù)來(lái)表示.例如,“感應(yīng)加熱”出現(xiàn)在7個(gè)小類中,其通用度為7.可見(jiàn)n∈N,n越大,該效應(yīng)的通用性越好.

1.2.3作用結(jié)構(gòu)層知識(shí)的關(guān)聯(lián)作用結(jié)構(gòu)知識(shí)之間的關(guān)系主要為同級(jí)、實(shí)例、組成和屬性關(guān)系．

1)同級(jí)關(guān)系：同一上級(jí)組的相同圓點(diǎn)數(shù)的下級(jí)組,相互之間是同級(jí)關(guān)系.如:“H05B3/20·(二維平面加熱元件)”的二點(diǎn)組“H05B3/22··(可彎曲的)”和“H05B3/34··(不可彎曲的)”；又如:“H05B6/02·(感應(yīng)加熱)”的二點(diǎn)組“H05B6/04··(感應(yīng)加熱的電流源)”和“H05B6/06··(控制,如電源控制)”.

2)實(shí)例關(guān)系：下級(jí)組是上級(jí)組的具體實(shí)例.如:“H05B6/08···(應(yīng)用補(bǔ)償或平衡裝置的)”是“H05B6/06··(控制,例如溫度控制、電源控制)” 的實(shí)例；又如:“H05B3/68·(專門適用于烹飪烘烤板或類似加熱板的加熱裝置)”是“H05B3/00(歐姆電阻加熱)”的實(shí)例．

3)組成關(guān)系：下級(jí)組表示上級(jí)組的組成部分.如:“A47C5/06··(專門適用于附加在管狀椅上的軟墊子或織物)”是上級(jí)組“A47C5/04·(金屬椅,如管狀的)”的組成部分；又如,“F41H7/04··(裝甲結(jié)構(gòu))”是上級(jí)組“F41H7/02·(陸上封閉式裝甲車)”的組成部分.在組成關(guān)系中,有一種情況比較特殊,即產(chǎn)品(設(shè)備、系統(tǒng))與零部件關(guān)系,在IPC中會(huì)明確標(biāo)出,如:“H01J40/00(不包含氣體電離的放電管)”的下級(jí)組“H01J40/02·(零部件)”.

4)屬性關(guān)系：下級(jí)組是上級(jí)組在某一具體屬性方面的明確.如:“A47C3/14·不對(duì)稱形狀的”與上級(jí)組“A47C3/00以結(jié)構(gòu)為特征的椅子；能旋轉(zhuǎn)或可垂直調(diào)節(jié)座位的椅或凳”之間即為屬性關(guān)系,表示形狀屬性為不對(duì)稱；下級(jí)組“A47C5/10··(可折疊的或可拆卸的管狀椅)” 與上級(jí)組“A47C5/04·(金屬椅)”之間也是屬性關(guān)系,表示結(jié)構(gòu)屬性為可折疊或可拆卸．

由圖1可見(jiàn),IPC中的類名依照層次關(guān)系形成了樹(shù),類名即樹(shù)上的結(jié)點(diǎn).設(shè)結(jié)點(diǎn)之間邊的數(shù)目為非負(fù)自然數(shù)d. d越小,關(guān)系越近,反之,關(guān)系越遠(yuǎn).為定量表示作用結(jié)構(gòu)層知識(shí)之間的關(guān)系,定義2個(gè)作用結(jié)構(gòu)知識(shí)之間的兼容度c,用d的倒數(shù)表示:

c=1/d.

(1)

作用結(jié)構(gòu)知識(shí)可以互相替代或組合以形成創(chuàng)新的方案.如:用“可彎曲的二維平面加熱元件”替代“不可彎曲的二維平面加熱元件”,將“專門適用于附加在管狀椅上的軟墊子或織物”與“可折疊的或可拆卸的管狀椅”組合.兼容度c表征作用結(jié)構(gòu)知識(shí)之間替代或組合的可行性,c越大,作用結(jié)構(gòu)知識(shí)之間替代或組合的可行性越好．

根據(jù)上述分析可見(jiàn)：IPC中蘊(yùn)含了豐富的功能、效應(yīng)和作用結(jié)構(gòu)知識(shí),而且知識(shí)之間具有可復(fù)合、替換或組合的關(guān)聯(lián)關(guān)系.因此通過(guò)在IPC中挖掘不同類型和層次的設(shè)計(jì)知識(shí),并對(duì)其進(jìn)行有效地組織和表示,可用于輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì).

2IPC中設(shè)計(jì)知識(shí)的獲取與表示

2.1設(shè)計(jì)知識(shí)獲取

參照文獻(xiàn)[18]提出的動(dòng)詞提取和關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘方法,設(shè)計(jì)知識(shí)獲取流程如圖2所示.為表達(dá)清楚起見(jiàn),這里把待改進(jìn)功能稱為目標(biāo)功能,相互關(guān)聯(lián)的功能稱為關(guān)聯(lián)功能,表示目標(biāo)功能的動(dòng)詞稱為目標(biāo)動(dòng)詞,表示關(guān)聯(lián)功能的動(dòng)詞稱為關(guān)聯(lián)動(dòng)詞；把現(xiàn)有產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能的效應(yīng)稱為當(dāng)前效應(yīng),相互關(guān)聯(lián)的效應(yīng)稱為關(guān)聯(lián)效應(yīng)．

圖2　設(shè)計(jì)知識(shí)獲取流程圖Fig.2 Flow chart of design knowledge acquisition

具體步驟如下.

1)提取目標(biāo)動(dòng)詞.根據(jù)設(shè)計(jì)需求,提取目標(biāo)動(dòng)詞,例如:“加熱”．

2)提取候選動(dòng)詞.候選動(dòng)詞的特征是與目標(biāo)動(dòng)詞在IPC的類名中并列出現(xiàn),其構(gòu)詞規(guī)則為通過(guò)“,”、“、”、“或”、“和”幾種符號(hào)與目標(biāo)動(dòng)詞連接.如:目標(biāo)動(dòng)詞為“加熱”,則提取IPC中“加熱”前后有上述幾種符號(hào)且符號(hào)另一側(cè)為動(dòng)詞的詞作為候選動(dòng)詞．

3)挖掘關(guān)聯(lián)動(dòng)詞.根據(jù)候選動(dòng)詞的關(guān)聯(lián)度,在候選動(dòng)詞中挖掘關(guān)聯(lián)動(dòng)詞.計(jì)算候選動(dòng)詞的關(guān)聯(lián)度,其值大于一定閾值的候選動(dòng)詞為關(guān)聯(lián)動(dòng)詞.

4)提取候選效應(yīng).提取目標(biāo)動(dòng)詞、關(guān)聯(lián)動(dòng)詞和名詞、副詞組成的短語(yǔ),構(gòu)詞結(jié)構(gòu)為“名詞+目標(biāo)/關(guān)聯(lián)動(dòng)詞”、“副詞+目標(biāo)/關(guān)聯(lián)動(dòng)詞”、“目標(biāo)/關(guān)聯(lián)動(dòng)詞+介詞+名詞”.如:“電阻加熱”、“電磁加熱地”、“加熱通過(guò)感應(yīng)方式”.通過(guò)詞法和句法分析,提取表示效應(yīng)的名詞和副詞,建立候選效應(yīng)的項(xiàng)集表.

5)挖掘關(guān)聯(lián)效應(yīng).根據(jù)候選效應(yīng)的互換度和通用度,在候選效應(yīng)的項(xiàng)集表中挖掘當(dāng)前效應(yīng)的關(guān)聯(lián)效應(yīng).計(jì)算候選效應(yīng)的互換度和通用度,其值大于一定閾值的候選效應(yīng)為關(guān)聯(lián)效應(yīng)．

6)提取作用結(jié)構(gòu)知識(shí).在IPC中提取包含關(guān)聯(lián)效應(yīng)的類目的下級(jí)類目,提取實(shí)現(xiàn)該效應(yīng)的作用結(jié)構(gòu)知識(shí)．

2.2設(shè)計(jì)知識(shí)表示

分別用KF、KE、KPS表示功能、效應(yīng)和作用結(jié)構(gòu)知識(shí)元.在功能知識(shí)層,關(guān)聯(lián)功能與目標(biāo)功能之間組成知識(shí)鏈,在邊上標(biāo)注其間的關(guān)系類型和關(guān)聯(lián)度．在效應(yīng)知識(shí)層,關(guān)聯(lián)效應(yīng)與當(dāng)前效應(yīng)之間組成知識(shí)鏈,在邊上標(biāo)注其間的互換度,并在關(guān)聯(lián)效應(yīng)和功能的邊上標(biāo)注關(guān)聯(lián)效應(yīng)的通用度．在作用結(jié)構(gòu)知識(shí)層,表示作用結(jié)構(gòu)的知識(shí)元之間組成知識(shí)鏈,在邊上標(biāo)注其間的關(guān)系類型,根據(jù)知識(shí)元之間邊的數(shù)目,計(jì)算其兼容度．在功能知識(shí)層和效應(yīng)知識(shí)層之間通過(guò)詞法和句法規(guī)則建立關(guān)聯(lián),在效應(yīng)知識(shí)層和作用結(jié)構(gòu)知識(shí)層之間通過(guò)IPC的層次關(guān)系建立關(guān)聯(lián),在不同層的設(shè)計(jì)知識(shí)之間形成縱向的知識(shí)鏈.橫向和縱向的知識(shí)鏈形成知識(shí)網(wǎng),如圖3所示．

圖3　國(guó)際專利分類(IPC)中的設(shè)計(jì)知識(shí)網(wǎng)Fig.3　Design knowledge network of international patent classification (IPC)

3應(yīng)用實(shí)例

加熱水龍頭安裝在水管上,用于快速加熱自來(lái)水,因安裝使用方便、成本低廉,在居民家庭中使用較多.現(xiàn)有產(chǎn)品主要采用電阻加熱原理,在加熱效率和安全性方面仍存在一些問(wèn)題[19].下面以該產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)為例說(shuō)明從IPC中獲取知識(shí)并用于創(chuàng)新的過(guò)程．

3.1從IPC中獲取設(shè)計(jì)知識(shí)

1)提取目標(biāo)動(dòng)詞.因?yàn)榇倪M(jìn)的產(chǎn)品功能為加熱自來(lái)水,所以提取目標(biāo)動(dòng)詞為“加熱”．

2)提取候選動(dòng)詞.提取與“加熱”在IPC中并列出現(xiàn)的動(dòng)詞,作為候選動(dòng)詞,對(duì)候選動(dòng)詞集進(jìn)行規(guī)范化,即將同義近義詞合并.例如：將“冷卻”和“制冷”合并為“冷卻”,“通風(fēng)”和“鼓風(fēng)”合并為“通風(fēng)”,“焊接”和“銅焊”合并為“焊接”.統(tǒng)計(jì)候選動(dòng)詞的關(guān)聯(lián)度和關(guān)系類型,得到候選動(dòng)詞項(xiàng)集表.如表1所示為關(guān)聯(lián)度為前5的候選動(dòng)詞.

表1　關(guān)聯(lián)度為前5的候選動(dòng)詞統(tǒng)計(jì)表

3)挖掘關(guān)聯(lián)動(dòng)詞.設(shè)定關(guān)聯(lián)度閾值為5,得到關(guān)聯(lián)動(dòng)詞“干燥”、“冷卻”和“通風(fēng)”.加熱水龍頭采用自然冷卻,無(wú)須增加否定功能“冷卻”克服目的功能“加熱”的副作用,因此確定關(guān)聯(lián)動(dòng)詞為“干燥”和“通風(fēng)”．

4)提取候選效應(yīng).在IPC中檢索構(gòu)詞結(jié)構(gòu)為“名詞+加熱/干燥/通風(fēng)”、“副詞+加熱/干燥/通風(fēng)”、“加熱/干燥/通風(fēng)+介詞+名詞”的短語(yǔ),提取其中的名詞和副詞,作為候選效應(yīng),統(tǒng)計(jì)候選效應(yīng)與當(dāng)前效應(yīng)的關(guān)系類型和互換度,如表2所示．

表2　候選效應(yīng)統(tǒng)計(jì)表

5)挖掘關(guān)聯(lián)效應(yīng).在實(shí)現(xiàn)“加熱”功能的效應(yīng)中,選擇互換度、通用度高的效應(yīng)為關(guān)聯(lián)效應(yīng),即“感應(yīng)加熱”和“微波加熱”.“干燥”作為“加熱”的后繼功能,選擇能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)“加熱”的效應(yīng)作為“干燥”的關(guān)聯(lián)效應(yīng),即“感應(yīng)加熱干燥”和“微波加熱干燥”(通用度均為1).“通風(fēng)”作為“加熱”和“干燥”的輔助功能,在沒(méi)有可重用效應(yīng)的情況下,將通用度相同(均為1)的3個(gè)效應(yīng)“人力通風(fēng)”、“強(qiáng)制流動(dòng)通風(fēng)”和“強(qiáng)制空氣循環(huán)通風(fēng)”均作為關(guān)聯(lián)效應(yīng)．

6)提取作用結(jié)構(gòu)知識(shí).提取關(guān)聯(lián)效應(yīng)所在類目的下位類目,對(duì)其進(jìn)行層次等級(jí)排列和關(guān)系標(biāo)注,得到利用關(guān)聯(lián)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)功能的作用結(jié)構(gòu)知識(shí)．

3.2設(shè)計(jì)知識(shí)的表示

在功能知識(shí)層,標(biāo)出關(guān)聯(lián)功能與目標(biāo)功能之間的關(guān)系類型和關(guān)聯(lián)度,建立功能知識(shí)鏈,如圖4中的“功能知識(shí)層”所示．圖4中的“后繼”、“促進(jìn)”表示關(guān)系類型，“15”、“20”表示關(guān)聯(lián)度.在效應(yīng)知識(shí)層,提取實(shí)現(xiàn)功能的效應(yīng),并計(jì)算關(guān)聯(lián)效應(yīng)的通用度及與當(dāng)前效應(yīng)的互換度,建立“功能-效應(yīng)”和“效應(yīng)-效應(yīng)”知識(shí)鏈,如圖4中的“效應(yīng)知識(shí)層”所示．圖4中，功能知識(shí)層與效應(yīng)知識(shí)層連線上的數(shù)字表示相應(yīng)效應(yīng)的通用度，效應(yīng)知識(shí)層之間連線上的數(shù)字表示效應(yīng)之間的互換度.在作用結(jié)構(gòu)知識(shí)層,提取運(yùn)用關(guān)聯(lián)效應(yīng)的作用結(jié)構(gòu),標(biāo)出作用結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系類型,建立“效應(yīng)-作用結(jié)構(gòu)”和“作用結(jié)構(gòu)-作用結(jié)構(gòu)”知識(shí)鏈,如圖4中的“作用結(jié)構(gòu)知識(shí)層”所示.計(jì)算作用結(jié)構(gòu)相互之間的兼容度.例如:“適用于烘烤板或類似加熱板的加熱裝置”與“棒狀或管狀的加熱元件”之間的關(guān)系為同級(jí),兼容度為1/2；又如:“具有繞成螺旋形加熱管的加熱板”是“棒狀或管狀的加熱元件”同級(jí)結(jié)構(gòu)的屬性,兼容度為1/3．

3.3加熱水龍頭的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

利用從IPC中提取得到的知識(shí)網(wǎng),在具體創(chuàng)新時(shí),可分別在功能、效應(yīng)和作用結(jié)構(gòu)知識(shí)層利用功能、效應(yīng)和結(jié)構(gòu)的組合、變異、替換等策略,得到創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案．

從如圖4所示的電熱水龍頭知識(shí)網(wǎng)可以看出,在功能知識(shí)層,“干燥”是目標(biāo)功能“加熱”的后繼功能,對(duì)于加熱水龍頭可以復(fù)合干燥的功能；“通風(fēng)”是加熱的促進(jìn)功能,對(duì)于加熱水龍頭可以將通風(fēng)作為加熱或干燥的輔助功能,從而實(shí)現(xiàn)功能的創(chuàng)新,即一種加熱干燥水龍頭．在效應(yīng)知識(shí)層,“感應(yīng)加熱”與當(dāng)前效應(yīng)“電阻加熱”之間的互換度及其通用度最好,選擇用感應(yīng)加熱替換當(dāng)前效應(yīng).并且,感應(yīng)加熱效應(yīng)同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)“干燥”功能. 找到采用感應(yīng)加熱效應(yīng)與電阻加熱效應(yīng)的作用結(jié)構(gòu),考慮進(jìn)行變異、替換和組合．在作用結(jié)構(gòu)知識(shí)層,“棒或管狀加熱元件”與其同級(jí)結(jié)構(gòu)“適用于烘烤板或類似加熱板的加熱裝置”的屬性“具有繞成螺旋形加熱管的”之間的兼容度較大,可以組合,即將這一屬性變異為“螺旋形加熱線”,組合到管狀加熱元件上.“感應(yīng)加熱”作用結(jié)構(gòu)的組成部件有“具有多個(gè)線圈或線圈段的線圈裝置”,將這一組成部件與增加螺旋線的加熱管組合,并附加通風(fēng)裝置,得到具體結(jié)構(gòu)．

通過(guò)在功能、效應(yīng)和作用結(jié)構(gòu)3個(gè)層次利用從IPC中提取的設(shè)計(jì)知識(shí),形成了“一種感應(yīng)加熱干手水龍頭”的創(chuàng)新方案,如圖5所示.與電阻加熱的水龍頭相比,該技術(shù)方案熱交換充分、能源利用效率高、使用安全、壽命長(zhǎng).目前,該創(chuàng)新技術(shù)方案已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利[20]．

圖4　加熱水龍頭的設(shè)計(jì)知識(shí)網(wǎng)Fig.4　Design knowledge network of heating tap

1-水管；2-線圈；3-噴嘴；4-手柄；5-外殼；6-氣罩圖5　干手加熱水龍頭示意圖Fig.5　Diagram of heating and hand-drying tap

4結(jié)論

(1)本文分析了IPC中存在的功能知識(shí)、效應(yīng)知識(shí)和作用結(jié)構(gòu)知識(shí),歸納了功能知識(shí)之間同一、促進(jìn)、否定、前序、后繼5種關(guān)系類型；效應(yīng)知識(shí)之間替代、互補(bǔ)2種關(guān)系類型；作用結(jié)構(gòu)之間同級(jí)、實(shí)例、組成、屬性4種關(guān)系類型.定義了功能關(guān)聯(lián)度、效應(yīng)互換度、效應(yīng)通用度與作用結(jié)構(gòu)知識(shí)兼容度定量參數(shù),有效地對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)內(nèi)部之間的關(guān)系進(jìn)行定量測(cè)度．

(2)挖掘出功能、效應(yīng)與作用結(jié)構(gòu)知識(shí)在IPC中的關(guān)聯(lián)模式,將功能、效應(yīng)與作用結(jié)構(gòu)知識(shí)進(jìn)行了關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)知識(shí)以知識(shí)網(wǎng)的形式組合和展示,輔助研發(fā)人員創(chuàng)新設(shè)計(jì)．

電熱水龍頭產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐驗(yàn)證了本文提出的方法能拓展設(shè)計(jì)人員的思維空間,促進(jìn)創(chuàng)新方案的產(chǎn)生.進(jìn)一步的研究工作將從2個(gè)方面開(kāi)展,一是加強(qiáng)知識(shí)獲取的自動(dòng)化方法的研究,并增加學(xué)習(xí)功能,實(shí)現(xiàn)部分智能化；二是對(duì)專利設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià),識(shí)別有效知識(shí),以更高效地輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)．

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DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.03.003

收稿日期：2015-03-11.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075356).

作者簡(jiǎn)介：冀瑜(1980-)，男，博士生，從事專利知識(shí)挖掘和創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究. ORCID:0000-0002-1717-2840. E-mail:13588405955@126.com. 通信聯(lián)系人：邱清盈，男，副教授，博士. ORCID:0000-0001-6884-3125. E-mail: medesign@zju.edu.cn

中圖分類號(hào)：TH 122; TP 182

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-973X(2016)03-07-0412

Extraction and utilization of design knowledge in international patent classification

JI Yu1,2,QIU Qing-ying1,FENG Pei-en1,HUANG Hao1

(1.StateKeyLaboratoryofCAD&CG,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China; 2.IntellectualPropertySchool,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China)

Abstract:The idea of extracting design knowledge from international patent classification (IPC) was proposed for the lack of knowledge in product innovation design. The knowledge in IPC was divided into three layers, including function, effect and structure. To establish the relationship between the knowledge, quantitative parameters were defined as function relevant degree, effect exchange degree, effect generic degree and structure compatible degree. The process was put forward to get the design knowledge from IPC. The acquired knowledge was organized and represented in the form of knowledge network to assist innovation design. Take the electric heating tap for an example, an innovative solution was generated through getting the related function, effect and structure knowledge from IPC and using innovation strategies such as combination, replacement and mutation. As a result, the design knowledge acquisition from IPC can effectively expand the designer’s innovative thinking, thus promoting the generation of innovative solutions．

Key words:international patent classification (IPC); patent; design knowledge; knowledge network