基于专利知识的机械产品辅助创新系统

邱清盈，薛 驰，冀 瑜，冯培恩

（浙江大学CAD＆CG国家重点实验室，浙江 杭州 310027）

0 引言

专利具有新颖性、创造性和实用性的特点，通常蕴藏了丰富的知识。然而大篇幅的专利文本并不能快速有效地辅助设计师进行创新设计，因此需要通过计算机自动地从专利文本中提炼合理的知识并进行分析处理，以辅助设计师进行创新设计。

现有基于专利的辅助创新研究主要分为两方面：

（1）基于发明问题解决理论（Theory of Invention Problem Solving，TRIZ）的辅助创新。例如文献［1］提出了用质量功能配置（Quality Function Deployment，QFD）和TRIZ理论挖掘已有专利知识，建立专利辅助设计原型系统；文献［2－3］建立了支持产品创新设计的专利知识管理系统，基于TRIZ理论描述专利知识，通过检索获取所需专利知识来辅助产生创新的设计方案；文献［4］采用预先建立的规则库，从专利中提取专业术语和结构原理，构建了基于TRIZ理论的应用于创新设计的协同设计系统。上述研究利用TRIZ创新理论及其专利知识，一般仅能得到设计问题的通用解，领域解仍然较多依赖于设计者自身的知识和经验，尚不能有针对性地激发设计者的灵感进行创新设计。

（2）应用统计学方法辅助创新。例如文献［5］从数据统计的角度分析挖掘专利中的信息内容来辅助创新设计；文献［6］通过拓展领域检索词来提高检索性能，采用数据统计方法对专利进行引文分析，并实现专利信息辅助设计的原型系统。此外，在商用的辅助创新系统研发应用方面也有一些相关软件，例如Thomson公司的Thomson Data Analyzer［7］用于分析行业内的专利数量信息，并为设计师提供相应的产品创新策略，Ideation International的Innovation Workbench［8］采用流程化的方式辅助解决技术创新的问题。上述研究通过基于数据统计方法对专利信息进行分析来发现创新的机会或方向，但尚不能有效获取和利用专利中的设计知识辅助设计者创新。因此，如何通过计算机高效地利用专利知识有针对性地启发设计师进行创新设计，仍是亟待解决的问题。

本文通过针对性检索获取专利知识，构建专利知识辅助创新设计的启发环境，以启发设计师的创新思维，从而实现基于专利知识的机械产品辅助创新系统来辅助设计师进行创新设计。

1 系统功能规划

基于专利知识的机械产品辅助创新系统，主要利用与设计需求密切相关且具有较高创新性的专利知识来启发设计师实现创新，因此系统的主要设计思路如下：

（1）在创新设计中，通过构建描述设计需求所要求功能的关键词语义网络，获取拓展词、变异词［9］以检索获取专利。

（2）采用分类算法对获取的专利进行自动分类，以初步筛选与设计需求功能相关的专利，通过创新性评估选择创新性较高的专利。

（3）根据专利特点，对创新性较高的专利进行知识提取，建立具有较高创新性的专利知识库。

（4）最终构建运用专利知识，结合合理的启发方式辅助机械产品创新设计的环境。

据此确定系统的模块主要由专利检索、专利预处理、专利知识提取、专利知识辅助创新和词典库、专利知识库等组成。提出的基于专利知识的机械产品辅助创新过程如图1所示，主要分为以下几个步骤：

（1）专利检索 根据创新设计需求确定功能要求，将功能分解为分功能。基于 WordNet词典［10］，对描述各分功能的关键词进行拓展和变异，获得功能拓展词和变异词。以描述功能的关键词、拓展词和变异词作为关键词检索专利库，获取实现分功能的相关专利。

（2）专利预处理 按照与需求分功能相关与否，训练分类算法的分类器。对检索获得的专利进行分类，从而去除与功能需求不相关的专利。通过对筛选得到的功能需求相关专利进行创新性评估并进行排序，选择创新性较高的专利组成专利集。

（3）专利知识提取 采用基于自然语言处理的方法对专利集合中的专利进行知识提取，并存入专利知识库。

（4）专利知识辅助创新 根据设计需求，从启发方式库中选择合理的启发方式，结合对应的专利知识，以一定的方式呈现给设计师，启发设计师进行机械产品创新设计。

2 关键技术

2.1 专利检索

在检索专利时，直接采用描述功能的动词（称为功能动词）检索专利库获得的专利数量较多但种类较少，而同种类专利中往往包含的是相同结构或原理的产品，例如采用“冲击”作为关键词检索得到的专利涉及的是电动工具产品和工程机械设备。由于产品专利的种类较少，检索得到的专利往往可能是设计师熟悉的领域，不利于产生创新思维。而在设计师所熟悉的领域之外，专利的知识通常更有可能辅助设计师产生更具创新性的设计。专利的摘要是对产品专利功能实现方案的概括性描述，包含实现功能的动词，称为功能动词。因此通过关联拓展法［11］从专利的摘要中挖掘与功能动词相互关联的词汇，可以获得功能动词的拓展词。基于WordNet通过查找拓展词的同义词和近义词的方法获得变异词。最后以功能动词、拓展词和变异词作为关键词检索专利库获得专利，下载设定数量的最新专利存入本地专利数据库。

2.2 专利预处理

2.2.1 专利分类

专利预处理是对专利进行筛选的过程。通过关联拓展法获取的专利含有大量不同类别的专利，而一部分专利往往与功能需求并不相关，如功能需求是冲击功能，以“冲击”作为关键词得到拓展词“振动”，采用“振动”检索到专利有“磁共振动态成像方法”，显然不满足功能需求。专利分类可以重新组织专利检索结果，按照与功能需求的相关与否对专利进行归类，以便去除与功能需求不相关的专利。由于专利文本中特征与类别之间的关系对分类特征的选择有较大的影响，在专利文本特征选择阶段，通过引入类内文档频率来计算在各类别内具有某特征的文档频率，从而提高特征在类别中的权重，以改进传统的信息增益算法。在专利分类阶段，传统k－NN分类算法所取的k个临近训练文本可能与类别内其他文档的相似度较小，不足以代表整个类别，从而产生影响分类精度的问题。通过引入k个临近训练文本与类别中心的相似度，结合待分类专利与k个临近训练文本的相似度，得到改进k－NN算法来改善分类精度。专利分类的具体过程［12］如下：

（1）从待分类专利中选取专利标题、摘要和技术领域，作为专利信息的特征载体。

（2）对专利特征文本进行分词、去停用词、词根还原、词频统计和文档频率统计。

（3）根据分类特征算法，将专利文本的特征词汇在特征向量空间中进行表示。

（4）采用训练过程生成的分类器，对特征向量空间中的特征向量进行分类，从而实现专利分类。2.2.2 专利创新性评估

通过专利分类可以筛选出一批与功能需求相关的专利，然而通常这部分专利仍然是大批量的，设计师并不能快速地从中选择富有创新并有利于辅助创新的专利知识，因此需要对满足功能需求的专利进行创新性评估，以选择合理的专利知识源。文献［13］根据专利方案知识的特点，以动词和名词分别代表原理设计知识和结构设计知识，并引入信息熵的概念，建立了专利设计知识新颖度和相容度的量化计算公式。结合形态学分析方法，建立专利组合设计知识的创新性评估数学模型。通过对实现功能需求的组合专利进行创新性评估排序，可以得到创新性较高的专利集，从而减少后续处理的运算量和耗时。

2.3 专利知识提取

专利中描述产品结构、外形和实现功能的方法与步骤等知识，称为专利的作用原理知识［14］，它能够帮助设计师快速了解实现产品功能的组成关系和动态关系。此外，专利中描述结构细节的特征知识也能为设计师创新设计带来一定的启发，细节特征知识包括专利零部件的形状、位置、材料、数量、颜色、状态、几何和动作方向。因此可以将作用原理知识和细节特征知识合称为专利知识。

对于专利知识可采用基于自然语言处理的方法进行提取，以英文专利知识为例，其主要过程包括：

（1）基于最大熵模型的词性标记和词法分析。作用原理知识中，组成关系知识包含于专利的权利要求部分，动态关系知识包含于专利的实施方案部分，通过逐句分析专利文本，将提取的技术对象和技术关系整合为组成关系知识和动态关系知识。

（2）基于正则表达式和非确定有限自动机（Non－deterministic Finite Automaton，NFA）的句法分析。细节特征知识通常存在于数词、副词、带修饰词的名词短语或介词短语。由于专利文本书写具有一定的规范性，名词短语、数词和副词中表示专利知识的词汇并不丰富，通过采用正则表达式来提取这类知识。而部分位置知识可能存在于介词短语中。对于描述复杂结构的专利文本，通常采用大量从句来书写，因此采用基于NFA生成句法规则，通过句法分析提取包含于介词短语中的位置知识。

（3）基于描述可扩展标记语言（eXtensible Markup Language，XML）文档的XSD（XML schema definition）结构，对专利知识进行存储，并通过可视化的开放软件HyperModel［15］转化为结构知识图和原理知识图。

2.4 专利知识辅助创新

通过上述方法提取的专利知识若简单地呈现给设计师，往往不能为创新设计带来有效的辅助效果。因此，需要在创新过程中进行能使设计师产生跳跃性思维的非线性启发［16］，以辅助产生创新设计方案。启发是能使设计师产生创新思维的一个引导，不一定能得到最好的解决方案，但是通常在设计过程中通过该“捷径”能得到具有潜力的解决方案［17］。从专利知识产生启发的必要条件来看，不仅需要描述如何产生启发的启发规则，还需要根据启发规则中所需要的信息来提供相应的专利知识。以文献［17］提出的21条能有效启发设计师创新设计的启发规则为基础，通过分析运用启发规则所需的相应专利知识，建立启发规则与专利知识的对应关系，如表1所示。设计师通过分析创新设计的功能需求确定可能的启发规则，该启发规则对应于专利集内相应的专利知识。相应的专利知识以选定的启发规则对设计师进行启发，有针对性地为设计师提供创新思维。

表1 启发规则及其与专利知识的对应关系

3 系统应用实例

基于上述系统关键技术的研究，以Visual Studio 2010作为开发环境，采用开发语言VB.net和数据库SQL Server 2008，研发了基于专利知识的机械产品辅助创新系统——DesignInfoManagement，该系统包含专利检索分析、专利预处理、专利知识提取和辅助创新等模块，如图2所示。为了验证Design－InfoManagement的实用性，下面以具有自锁功能的液压油缸创新设计为例对创新过程进行阐述。

3.1 专利检索分析

首先，具有自锁功能的液压油缸设计中的功能需求是自锁。针对英文专利，采用self－locking作为功能关键词在检索分析界面（如图3）中获取拓展词：locking，lockup和latching，变异词：unlocking，transmission和deblocking。采用功能关键词selflocking及其拓展词和变异词作为关键词，搜索美国专利库USPTO，从每个关键词的搜索结果中各选取前50个最新的专利，共350个专利存入本地数据库中。同时，为了快速了解液压缸的通用结构，以hydraulic cylinder为关键词检索USPTO专利库，获取较常规的液压缸专利US7987766［18］作为典型产品专利。

3.2 专利预处理

从本地数据库中选取以关键词self－locking检索的50个专利为训练集进行预先标记，其中12个为描述具有自锁功能的专利，38个为其他类型专利。在系统训练界面中采用训练集训练得到特征向量和分类器。在分类界面中设定专利语种和k－NN算法中的K值，采用分类模块对本地数据库中待分类的300个专利进行分类，获得描述自锁功能的专利72个，去除228个其他类型专利。采用创新性评估模块评估本地数据库中描述自锁功能或产品的专利，得到专利创新性评估排序如图4所示。

3.3 专利知识提取

针对前20个创新性评估值较高的专利进行知识提取。通过对专利进行词义、语义、句式和上下文分析，提取该专利的组成关系和动态关系，并将关系写入XSD结构文档储存。采用HyperModel转化XSD文档，并生成可视化的结构知识图和原理知识图，同时，对专利细节特征知识进行提取。例如专利集中US7449807［19］的技术对象提取操作界面如图5所示。界面上半部分显示专利文本，下半部分显示提取的各组成类关系，界面列表中的总体件是每一个描述组成关系的句子中的部件，主核心词是去掉修饰词之后的部件名称，主体特征是总体件所包含的特征修饰词，主统一词是对文本各句子关系描述的零部件名称进行统一表示的结果，通过点击“统一核心词”按钮，对提取的技术对象进行处理得到主统一词。同理，组成件、子核心词、子统一词和组成件特征描述的对象是每一个组成关系句子中的零件或子部件。对提取的技术组件和技术关系进行转换，得到结构知识图如图6所示。如图5中上半部分文本“Magnetic transmission comprising：”和d）plurality of transfer drums”可以提取得到下半部分知识表中第四行所示知识，并可以进行可视化，表示为结构知识图虚线框，如图6所示。

3.4 启发环境构建及辅助创新

辅助创新模块为设计师构建创新设计的启发环境。预处理后，专利经过知识提取得到知识，包括基本信息、作用原理知识和细节特征知识，通过选取合适的启发规则可以显示对应的专利知识。在专利知识和启发规则共同营造的启发环境下，设计师产生跳跃式的思维，进行创新设计。通过查看液压油缸专利知识和附图，能快速了解液压油缸的结构及原理。传统的液压油缸本身具有一定的自锁功能，但是应用于工程机械领域的液压缸需要更大的闭锁力来支持整机工作，而简单的增加油缸直径会使活塞杆移动缓慢。因此，产生创新设计方案可以在原液压缸的结构上添加自锁功能或结构，来实现液压油缸的自锁功能需求。

在创新性评估界面（如图4）点击创新性评估值最高的专利US7449807，可以构建创新设计启发环境，如图7所示。在该启发环境中查看两个专利的知识和附图，发现两个结构不能简单地进行合并。但是US7449807采用的磁场原理较少运用于液压油缸领域，并且两个专利产品的领域相差较远，因此可以采用启发方式“添加、合并、嵌套技术对象（或原理）”（表1中的启发方式3）中的“添加实现不同功能的技术对象或原理”方式进行创新设计。该方式相对应的是以原理知识图表示的动态关系（如图7中原理知识图），因此可以点击查看原理知识图和专利实施方案（如图7中实施方案）。根据原理知识图表示，该磁力传动装置通过均匀布置在主动轴上的磁铁与布置于传动轴上的磁铁相吸原理，实现主动轴与传动轴的锁定，来保证较大的转动输出。而液压油缸同样需要使油缸和活塞杆锁定，来保证较大的直线传动输出。在该启发环境中进行分析后，设计师得到设计灵感——在专利US7987766中增加采用US7449807中的磁力相吸锁定的功能实现原理实现自锁功能。根据该启发得到图8所示的创新设计结果——具有磁力自锁及磁力辅助驱动结构的液压油缸。磁力控制可以精简传动机构，减少机构复杂度、磨损、振动及噪声，实现无接触、无摩擦的传动。通过选择合适的磁芯材料，可极大地提高磁性能，产生大磁力，满足创新设计需求。该设计已经申请国家发明专利。

4 结束语

本文研发的基于专利知识的机械产品辅助创新系统主要具有如下特点：

（1）集成了关联拓展法和 WordNet，不仅可以直接用当前产品的功能动词检索获得本领域专利，还可通过拓展词和关联词扩大专利检索范围，帮助设计师获得其他不同领域的相关专利，从而可能给设计师更大的创新启发。

（2）内嵌专利分类算法帮助设计师过滤无关的专利，通过对专利进行创新性评价，更有针对性地为设计师提供具有创新性的专利知识，实现专利的高效利用。

（3）初步构建了创新设计的启发环境，以合理的启发方式和专利知识，有效地启发设计师创新思维，实现产品创新。

在接下来的工作中，将继续深入研究启发规则的规律性并扩充启发规则库，同时进一步研究提高专利知识提取精度和效率的方法。

［1］ QIAN Weimiao，LI Guiping，ZHANG Guogeng，et al.Research on product innovation design based on QFD，TRIZ and patent knowledge mining［J］.Light Industry Machinery，2011，29（4）：32－35（in Chinese）.［钱炜苗，李贵平，张国耕，等.基于QFD、TRIZ与专利知识挖掘的产品创新设计［J］.轻工机械，2011，29（4）：32－35.］

［2］ LIU Xiang，LI Yan，LI Wenqiang，et al.Research on constructing technology of patent knowledge base for product innovative design［J］.Machine Design and Research，2010，26（6）：7－11，26（in Chinese）.［刘 翔，李 彦，李文强，等.构建支持产品创新设计的专利知识库［J］.机械设计与研究，2010，26（6）：7－11，26.］

［3］ TAN Runhua，ZHANG Ruihong，LIU Fang，et al.Two stages analogy－based conceptual design based on TRIZ［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2006，12（3）：328－333 （in Chinese）.［檀润华，张瑞红，刘 芳，等.基于TRIZ的二级类比概念设计研究［J］.计算机集成制造系统，2006，12（3）：328－333.］

［4］ SOO 段 ，LIN L N，YANG Y N，et al.A cooperative multiagent platform for invention based on patent document analysis and ontology［J］.Expert Systems with Application，2006，31（4）：766－775.

［5］ ZHAO Yunhua，ZHANG Jing.Design and implementation of patent data preprocessing system based on data mining theory［J］.Information Science，2011，29（12）：1851－1855（in Chinese）.［赵蕴华，张 静.基于数据挖掘的专利数据预处理系统的设计与实现［J］.情报科学，2011，29（12）：1851－1855.］

［6］ ZHAI Dongsheng，LIU Chen.The design and implementation of patent information acquiring and analysis system［J］.Information Analysis，2009，178（5）：55－60（in Chinese）.［翟东升，刘 晨.专利信息获取分析系统设计与实现［J］.情报分析与研究，2009，178（5）：55－60.］

［7］ Thomson Reuters.Thomson data analyzer［EB／OL］.［2012－04－01］.http：／／ip.thomsonreuters.com／training／thomson－data－analyzer.

［8］ Ideation International Inc.Innovation work bench3.2 ［CP／OL］.［2012－04－01］.http：／／www.ideationtriz.com.

［9］ Princeton University Cognitive Science Lab.Word Net 2.0［EB／OL］.［2012－04－01］.http：／／www.cogsci.princeton.edu／～wn.

［10］ ZHANG Hui，QIU Qingying，FENG Pei'en，et al.Method to trigger design inspiration from heterogeneous product patents［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2010，16（3）：484－490（in Chinese）.［张 惠，邱清盈，冯培恩，等.异类专利激发设计灵感的方法［J］.计算机集成制造系统，2010，16（3）：484－490.］

［11］ FENG Pei'en，ZHANG Hui，QIU Qingying，et al.PCAR：an efficient approach for mining association rules［C］／／Proceedings of the 5th International Conference on Fussy Systems and Knowledge Discovery.Washington，D.C.，USA：IEEE，2008，2：605－609.

［12］ XUE Chi，QIU Qingying，FENG Pei'en，et al.An automatic classification method for patents［C］／／Proceedings of the 7th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery （FSKD＇10）.Washington，D.C.，USA：IEEE，2010，4：1497－1501.

［13］ QIU Qingying，XUE Chi，FENG Pei'en，et al.Novelty evaluation method of patent design knowledge and its application in creative design［J］.Journal of Mechanical Engineering，2012，48（11）：DOI：10.3901／JME.2012.11.039 （in Chinese）.［邱清盈，薛 驰，冯培恩，等.专利设计知识的创新性评估方法及其在创新设计中的应用［J］.机械工程学报，2012，48（11）：DOI：10.3901／JME.2012.11.039.］

［14］ PAHL G，BEITZ W，WALLACE K，et al.Engineering design：a systematic approach）［M］.3rd ed.Berlin，Germany：Springer－Verlag，2007：38－42.

［15］ CARLSON D.hyperModel［CP／OL］.［2012－01－05］.http：／／www.xmlmodeling.com／hypermodel／overview／.

［16］ YILMAZ S，DALY 段 ，SEIFERT M，et al.A comparison of cognitive heuristics use between engineers and industrial designers［C］／／Design Computing and Cognition.Berlin，Germany：Springer－Verlag，2011：3－22，DOI：10.1007／978－94－007－0510－4＿1.

［17］ YILMAZ S，SEIFERT 段 ，GONZALEZ R.Cognitive heuristics in design：instructional strategies to increase creativity in idea generation［J］.Artificial Intelligence for Engineering Design，Analysis and Manufacturing，2010，24 （3）：335－355.

［18］ STERLING R. Hydraulic cylinder apparatus： USA，7987766B2［P］.2011－08－02.

［19］ JOHNSON 段 .Magnetic transmission：USA，7449807B2［P］.2008－11－11.