国际专利分类表中设计知识的提取和利用

冀　瑜,邱清盈 ,冯培恩,黄　浩

(1.浙江大学 CAD&CG国家重点实验室,浙江 杭州 310027; 2.中国计量学院 知识产权学院,浙江 杭州 310018)



国际专利分类表中设计知识的提取和利用

冀瑜1,2,邱清盈1,冯培恩1,黄浩1

(1.浙江大学 CAD&CG国家重点实验室,浙江 杭州 310027; 2.中国计量学院 知识产权学院,浙江 杭州 310018)

摘要:针对产品创新设计缺乏知识的问题,提出从国际专利分类表(IPC)中提取设计知识的思想,将IPC中的知识分为功能、效应和作用结构知识3个层次,并定义功能关联度、效应互换度、效应通用度与作用结构知识兼容度定量参数,建立知识之间的关联关系. 提出从IPC中获取这些设计知识的流程,采用知识网的形式组织和表示所获取的知识,以辅助创新设计.以电加热水龙头为例,通过从IPC中获取相关的功能、效应和作用结构知识,并运用组合、替换、变异等创新策略,得到创新方案,表明从IPC中获取设计知识能有效拓展设计人员的创新思维,促进创新方案的产生．

关键词：国际专利分类表(IPC);专利;设计知识;知识网

专利文献是一种具有新颖性、创造性和实用性的技术文档,蕴藏着各领域的最新研究成果.据世界知识产权组织(world intellectual property organization,WIPO)调查,世界上90%～95%的发明创造以专利形式发布,其中80%并未记载在其他文献中,有效利用专利知识资源,可缩短的60%的产品研发时间,并可节省40%的研发经费.2013年全世界有效的发明和实用新型专利约945万件,累计可查阅的专利文献已超过1亿件,成为一类内容丰富的知识库[1].

近年来,挖掘专利知识启发创新设计方面的研究取得一定进展,主要可以分为2类.一类是基于概念设计模型,分层次提取设计知识.Li等[2]基于公理设计(axiomatic design,AD)框架,应用自然语言处理方法,从专利说明书中提取功能要求知识和设计参数知识.Liang等[3]提出了一个3层的设计规则(design rational,DR)表示模型,即问题层、设计方案层和工件层,从单个专利文件中提取相应设计知识,并由此对多个专利文件构建DR网.薛驰等[4]面向概念设计,提出了一种适用于计算机自动处理的专利知识挖掘方法,建立了统一的专利作用结构知识表示模型,通过自然语言处理从专利中提取作用原理和产品结构知识.上述研究在知识获取过程中,需要对专利文献进行人工解读.根据设计需求检索到的专利文献数量大、篇幅长,分析十分耗时费力，因此如何通过计算机高效地获取和恰当地表示专利知识、启发设计师的创新灵感,仍是亟待解决的问题．另一类是基于发明问题解决(theory of inventive problem solving,TRIZ)理论,提取设计知识.任工昌等[5]通过检索获取所需专利知识,基于TRIZ理论描述专利知识,借助头脑风暴法产生创新的设计方案.钱炜苗等[6]基于质量功能展开(quality function deployment,QFD)和TRIZ理论挖掘专利知识,建立基于专利知识的辅助设计原型系统.付敏等[7]以AD的产品设计流程为主线,由用户域映射得到产品的功能域,以TRIZ指导AD的功能分解,开展解耦设计,应用AD的信息公理进行方案评价筛选.Soo等[8]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理论的协同设计系统.上述基于TRIZ理论的研究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.

国际专利分类表(international patent classification,IPC)是国际通用的专利文献分类和检索工具,最新的版本中共包含了7万多条记录,每条记录对应一定的技术主题,蕴含着特定的设计信息[9].当前研究主要是利用IPC检索专利：NTCIR-5工作组利用IPC检索专利的无效文档和段落,生成专利地图[10],还利用IPC进行专利和非专利文献的聚类,以实现对专利技术特征的理解和扩展[11].Kim等[12-13]基于IPC提出了聚类的语言模型,意在专利无效检索中改善检索效果.目前尚无直接从IPC中获取设计知识进行创新设计的研究．本研究从IPC中获取功能、效应、作用结构等设计知识，并建立设计知识之间的联系，以辅助创新设计.

1IPC的结构及知识分析

1.1IPC的结构分析

根据《国际专利分类斯特拉斯堡协定》(international patent classification agreement,IPCA),IPC建立的目的是构建一种统一的专利分类系统,由WIPO国际局负责组织管理和维护.第1版IPC分类表采用了1968年制定的欧洲专利分类表,该分类表的形成以荷兰的专利分类表为基础,融合了法国、德国、英国、意大利、瑞士、瑞典等国家的分类表．

IPC最初的技术主题以图书分类法为基础,后来被不断地补充、修改,现已形成了以产品功能和结构为主、以产品应用为辅进行聚类的技术主题.每年那些被专利审查员发现区别于现有技术的、具有创新性的技术特征将被提交到IPCA联盟大会上讨论,以决定是否对IPC进行更新.因此,IPC在一定程度上反映了当今技术发展的新趋势．

IPC分类体系采用由高至低依次排列的层次结构(见图1)将不同的技术领域概括为8个部,部以下依次为大类、小类、大组和小组,都由类号和类名组成.部和大类的类名对其包括的技术主题作概括，进行全面的说明；小类的类名精确地定义其所包括的主题范围；大组和小组的类名对小类定义的主题范围作进一步的细分.例如：CN102305310A公开的发明专利申请“一种带管道加热器的泡茶专用出水龙头”[14],其IPC分类号为“H05B 3/42··(不可弯曲的)”.该分类号是二点小组,其一点小组为“H05B 3/40·(棒状或管状加热元件)”,大组为“H05B 3/00(欧姆电阻加热的)”,所属小类为“H05B(电热)”,大类为“H05(其他类目不包含的电技术)”,部为“H(电学)”.同时与该分类号并列的小组有“H05B 3/54··(可弯曲的)”[15]．

1.2IPC中的设计知识及其相互关联关系分析

IPC中的设计知识主要蕴含在每一层的类名中,具体分析如下.

图1　国际专利分类表的层次结构Fig.1　Hierarchy of international patent cclassification (IPC)

1)功能知识.功能代表输入输出之间以完成任务为目的的总的相互关系,一般用动词-名词来描述.功能动词概括性地表达了对功能对象的作用[16]. 在IPC的一点小组及其上级类目的类名中, 并列出现的功能动词一般表示相关的功能.例如,“H01C 1/08·(冷却、加热或通风装置)”中,“冷却”、“加热” 、“通风” 是相关的功能.

2)效应知识：效应从本质上解释了“功能被结构实现”的科学依据,由物理、化学、数学、几何学等学科领域的定律、公理、原理等组成.效应可以实现一定的功能,即按照效应规定的原理将输入量转化为输出量[17].在IPC的类名中,有一些短语描述效应知识,这些短语有一定规则,其构成模式为“名词+功能动词”、“功能动词+介词+名词”、“副词+功能动词”,例如：“H05B 3/00(欧姆电阻加热的)”中的名词短语“欧姆电阻加热”蕴含“电阻加热”效应知识.

3)作用结构知识：作用结构指实现效应的几何和物料特征标志的组合,这些特征标志包括几何、运动、力、能量、物料、信号等[16].IPC中包含效应知识的类名的下级类名通常蕴含着表示作用结构的知识.例如：“H05B 3/00(欧姆电阻加热的)”的小组“H05B 3/20·(二维平面加热元件)”包含了电阻加热元件的几何形状知识．

上述IPC的功能知识与效应知识之间通过句法关系产生关联,效应知识和作用结构知识之间通过IPC的层次关系产生关联.进一步分析可以发现：功能层、效应层和作用结构层知识内部也存在关联,从而可构成丰富的知识网络．

1.2.1功能层知识的关联在同一类目中共同出现的功能语义词之间具有关联关系,主要为同一、促进、否定、前序和后继关系．

1)同一关系：即两功能相同或相近似.例如:“F25(制冷或冷却；加热和制冷的联合系统；热泵系统；冰的制造或储存；气体的液化或固化)”,“制冷”和“冷却”为相同的功能.

2)促进关系：即两功能是支持或促使的关系.例如:“F24(供热；炉灶；通风)”,“通风”常常和“供热”同时出现,促进“供热”的实现.

3)否定关系：即两功能相反.例如:“B01L 7/00 (加热或冷却设备)”,“加热”和“冷却”是否定关系．

4)前序关系：即两功能在实现顺序上有先后之分.例如:“B24(磨削；抛光)”,“磨削”是“抛光”的前序功能．

5)后继关系.例如:“A43D 95/10(鞋的干燥或加热装置)”, “干燥”是“加热”的后继功能.

为表示功能之间的关联紧密程度,定义2个功能i和j之间的关联度vij,用功能动词在IPC的类名中并列出现的频次表示.例如:功能动词“加热”和“冷却”在IPC的类名中并列出现95次,则加热和冷却功能的关联度为95.可见,vij∈N,N为自然数集合．关联度表征了功能之间复合的可行性,其值越大,功能复合的可行性越好．

1.2.2效应层知识的关联若有几个不同效应能实现同一功能,则对此功能而言,这些效应之间的关系可以分为替代、互补等.对创新设计而言,更有意义的是效应之间的替代关系.

定义2个效应i和j之间的互换度mij,表示互相之间可以替代的程度.因为小类的类名精确地定义了其所包括的主题范围,所以可以用同时包括效应i、j的小类的个数来衡量互换度mij.例如：“感应加热” 和“电阻加热” 共同出现在B23K、F26B、F27D、H05B等4个小类中,则其互换度为4.可见,mij∈N,mij越大,效应i、j之间的可替换性越好．

对于单个效应,定义通用度n,用包括该效应的小类的个数来表示.例如,“感应加热”出现在7个小类中,其通用度为7.可见n∈N,n越大,该效应的通用性越好.

1.2.3作用结构层知识的关联作用结构知识之间的关系主要为同级、实例、组成和属性关系．

1)同级关系：同一上级组的相同圆点数的下级组,相互之间是同级关系.如:“H05B3/20·(二维平面加热元件)”的二点组“H05B3/22··(可弯曲的)”和“H05B3/34··(不可弯曲的)”；又如:“H05B6/02·(感应加热)”的二点组“H05B6/04··(感应加热的电流源)”和“H05B6/06··(控制,如电源控制)”.

2)实例关系：下级组是上级组的具体实例.如:“H05B6/08···(应用补偿或平衡装置的)”是“H05B6/06··(控制,例如温度控制、电源控制)” 的实例；又如:“H05B3/68·(专门适用于烹饪烘烤板或类似加热板的加热装置)”是“H05B3/00(欧姆电阻加热)”的实例．

3)组成关系：下级组表示上级组的组成部分.如:“A47C5/06··(专门适用于附加在管状椅上的软垫子或织物)”是上级组“A47C5/04·(金属椅,如管状的)”的组成部分；又如,“F41H7/04··(装甲结构)”是上级组“F41H7/02·(陆上封闭式装甲车)”的组成部分.在组成关系中,有一种情况比较特殊,即产品(设备、系统)与零部件关系,在IPC中会明确标出,如:“H01J40/00(不包含气体电离的放电管)”的下级组“H01J40/02·(零部件)”.

4)属性关系：下级组是上级组在某一具体属性方面的明确.如:“A47C3/14·不对称形状的”与上级组“A47C3/00以结构为特征的椅子；能旋转或可垂直调节座位的椅或凳”之间即为属性关系,表示形状属性为不对称；下级组“A47C5/10··(可折叠的或可拆卸的管状椅)” 与上级组“A47C5/04·(金属椅)”之间也是属性关系,表示结构属性为可折叠或可拆卸．

由图1可见,IPC中的类名依照层次关系形成了树,类名即树上的结点.设结点之间边的数目为非负自然数d. d越小,关系越近,反之,关系越远.为定量表示作用结构层知识之间的关系,定义2个作用结构知识之间的兼容度c,用d的倒数表示:

c=1/d.

(1)

作用结构知识可以互相替代或组合以形成创新的方案.如:用“可弯曲的二维平面加热元件”替代“不可弯曲的二维平面加热元件”,将“专门适用于附加在管状椅上的软垫子或织物”与“可折叠的或可拆卸的管状椅”组合.兼容度c表征作用结构知识之间替代或组合的可行性,c越大,作用结构知识之间替代或组合的可行性越好．

根据上述分析可见：IPC中蕴含了丰富的功能、效应和作用结构知识,而且知识之间具有可复合、替换或组合的关联关系.因此通过在IPC中挖掘不同类型和层次的设计知识,并对其进行有效地组织和表示,可用于辅助创新设计.

2IPC中设计知识的获取与表示

2.1设计知识获取

参照文献[18]提出的动词提取和关联关系挖掘方法,设计知识获取流程如图2所示.为表达清楚起见,这里把待改进功能称为目标功能,相互关联的功能称为关联功能,表示目标功能的动词称为目标动词,表示关联功能的动词称为关联动词；把现有产品中实现目标功能的效应称为当前效应,相互关联的效应称为关联效应．

图2　设计知识获取流程图Fig.2 Flow chart of design knowledge acquisition

具体步骤如下.

1)提取目标动词.根据设计需求,提取目标动词,例如:“加热”．

2)提取候选动词.候选动词的特征是与目标动词在IPC的类名中并列出现,其构词规则为通过“,”、“、”、“或”、“和”几种符号与目标动词连接.如:目标动词为“加热”,则提取IPC中“加热”前后有上述几种符号且符号另一侧为动词的词作为候选动词．

3)挖掘关联动词.根据候选动词的关联度,在候选动词中挖掘关联动词.计算候选动词的关联度,其值大于一定阈值的候选动词为关联动词.

4)提取候选效应.提取目标动词、关联动词和名词、副词组成的短语,构词结构为“名词+目标/关联动词”、“副词+目标/关联动词”、“目标/关联动词+介词+名词”.如:“电阻加热”、“电磁加热地”、“加热通过感应方式”.通过词法和句法分析,提取表示效应的名词和副词,建立候选效应的项集表.

5)挖掘关联效应.根据候选效应的互换度和通用度,在候选效应的项集表中挖掘当前效应的关联效应.计算候选效应的互换度和通用度,其值大于一定阈值的候选效应为关联效应．

6)提取作用结构知识.在IPC中提取包含关联效应的类目的下级类目,提取实现该效应的作用结构知识．

2.2设计知识表示

分别用KF、KE、KPS表示功能、效应和作用结构知识元.在功能知识层,关联功能与目标功能之间组成知识链,在边上标注其间的关系类型和关联度．在效应知识层,关联效应与当前效应之间组成知识链,在边上标注其间的互换度,并在关联效应和功能的边上标注关联效应的通用度．在作用结构知识层,表示作用结构的知识元之间组成知识链,在边上标注其间的关系类型,根据知识元之间边的数目,计算其兼容度．在功能知识层和效应知识层之间通过词法和句法规则建立关联,在效应知识层和作用结构知识层之间通过IPC的层次关系建立关联,在不同层的设计知识之间形成纵向的知识链.横向和纵向的知识链形成知识网,如图3所示．

图3　国际专利分类(IPC)中的设计知识网Fig.3　Design knowledge network of international patent classification (IPC)

3应用实例

加热水龙头安装在水管上,用于快速加热自来水,因安装使用方便、成本低廉,在居民家庭中使用较多.现有产品主要采用电阻加热原理,在加热效率和安全性方面仍存在一些问题[19].下面以该产品的改进设计为例说明从IPC中获取知识并用于创新的过程．

3.1从IPC中获取设计知识

1)提取目标动词.因为待改进的产品功能为加热自来水,所以提取目标动词为“加热”．

2)提取候选动词.提取与“加热”在IPC中并列出现的动词,作为候选动词,对候选动词集进行规范化,即将同义近义词合并.例如：将“冷却”和“制冷”合并为“冷却”,“通风”和“鼓风”合并为“通风”,“焊接”和“铜焊”合并为“焊接”.统计候选动词的关联度和关系类型,得到候选动词项集表.如表1所示为关联度为前5的候选动词.

表1　关联度为前5的候选动词统计表

3)挖掘关联动词.设定关联度阈值为5,得到关联动词“干燥”、“冷却”和“通风”.加热水龙头采用自然冷却,无须增加否定功能“冷却”克服目的功能“加热”的副作用,因此确定关联动词为“干燥”和“通风”．

4)提取候选效应.在IPC中检索构词结构为“名词+加热/干燥/通风”、“副词+加热/干燥/通风”、“加热/干燥/通风+介词+名词”的短语,提取其中的名词和副词,作为候选效应,统计候选效应与当前效应的关系类型和互换度,如表2所示．

表2　候选效应统计表

5)挖掘关联效应.在实现“加热”功能的效应中,选择互换度、通用度高的效应为关联效应,即“感应加热”和“微波加热”.“干燥”作为“加热”的后继功能,选择能够同时实现“加热”的效应作为“干燥”的关联效应,即“感应加热干燥”和“微波加热干燥”(通用度均为1).“通风”作为“加热”和“干燥”的辅助功能,在没有可重用效应的情况下,将通用度相同(均为1)的3个效应“人力通风”、“强制流动通风”和“强制空气循环通风”均作为关联效应．

6)提取作用结构知识.提取关联效应所在类目的下位类目,对其进行层次等级排列和关系标注,得到利用关联效应实现功能的作用结构知识．

3.2设计知识的表示

在功能知识层,标出关联功能与目标功能之间的关系类型和关联度,建立功能知识链,如图4中的“功能知识层”所示．图4中的“后继”、“促进”表示关系类型，“15”、“20”表示关联度.在效应知识层,提取实现功能的效应,并计算关联效应的通用度及与当前效应的互换度,建立“功能-效应”和“效应-效应”知识链,如图4中的“效应知识层”所示．图4中，功能知识层与效应知识层连线上的数字表示相应效应的通用度，效应知识层之间连线上的数字表示效应之间的互换度.在作用结构知识层,提取运用关联效应的作用结构,标出作用结构之间的关系类型,建立“效应-作用结构”和“作用结构-作用结构”知识链,如图4中的“作用结构知识层”所示.计算作用结构相互之间的兼容度.例如:“适用于烘烤板或类似加热板的加热装置”与“棒状或管状的加热元件”之间的关系为同级,兼容度为1/2；又如:“具有绕成螺旋形加热管的加热板”是“棒状或管状的加热元件”同级结构的属性,兼容度为1/3．

3.3加热水龙头的创新设计

利用从IPC中提取得到的知识网,在具体创新时,可分别在功能、效应和作用结构知识层利用功能、效应和结构的组合、变异、替换等策略,得到创新的设计方案．

从如图4所示的电热水龙头知识网可以看出,在功能知识层,“干燥”是目标功能“加热”的后继功能,对于加热水龙头可以复合干燥的功能；“通风”是加热的促进功能,对于加热水龙头可以将通风作为加热或干燥的辅助功能,从而实现功能的创新,即一种加热干燥水龙头．在效应知识层,“感应加热”与当前效应“电阻加热”之间的互换度及其通用度最好,选择用感应加热替换当前效应.并且,感应加热效应同时可以实现“干燥”功能. 找到采用感应加热效应与电阻加热效应的作用结构,考虑进行变异、替换和组合．在作用结构知识层,“棒或管状加热元件”与其同级结构“适用于烘烤板或类似加热板的加热装置”的属性“具有绕成螺旋形加热管的”之间的兼容度较大,可以组合,即将这一属性变异为“螺旋形加热线”,组合到管状加热元件上.“感应加热”作用结构的组成部件有“具有多个线圈或线圈段的线圈装置”,将这一组成部件与增加螺旋线的加热管组合,并附加通风装置,得到具体结构．

通过在功能、效应和作用结构3个层次利用从IPC中提取的设计知识,形成了“一种感应加热干手水龙头”的创新方案,如图5所示.与电阻加热的水龙头相比,该技术方案热交换充分、能源利用效率高、使用安全、寿命长.目前,该创新技术方案已申请国家发明专利[20]．

图4　加热水龙头的设计知识网Fig.4　Design knowledge network of heating tap

1-水管；2-线圈；3-喷嘴；4-手柄；5-外壳；6-气罩图5　干手加热水龙头示意图Fig.5　Diagram of heating and hand-drying tap

4结论

(1)本文分析了IPC中存在的功能知识、效应知识和作用结构知识,归纳了功能知识之间同一、促进、否定、前序、后继5种关系类型；效应知识之间替代、互补2种关系类型；作用结构之间同级、实例、组成、属性4种关系类型.定义了功能关联度、效应互换度、效应通用度与作用结构知识兼容度定量参数,有效地对设计知识内部之间的关系进行定量测度．

(2)挖掘出功能、效应与作用结构知识在IPC中的关联模式,将功能、效应与作用结构知识进行了关联,实现了设计知识以知识网的形式组合和展示,辅助研发人员创新设计．

电热水龙头产品的创新设计实践验证了本文提出的方法能拓展设计人员的思维空间,促进创新方案的产生.进一步的研究工作将从2个方面开展,一是加强知识获取的自动化方法的研究,并增加学习功能,实现部分智能化；二是对专利设计知识进行评价,识别有效知识,以更高效地辅助创新设计．

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

收稿日期：2015-03-11.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075356).

作者简介：冀瑜(1980-)，男，博士生，从事专利知识挖掘和创新设计研究. ORCID:0000-0002-1717-2840. E-mail:13588405955@126.com. 通信联系人：邱清盈，男，副教授，博士. ORCID:0000-0001-6884-3125. E-mail: medesign@zju.edu.cn

中图分类号：TH 122; TP 182

文献标志码：A

文章编号：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