基于多层功能认知与情景分析的专利规避设计

刘云鹤,武春龙+,栾 鑫

(1.河北工业大学 国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心,天津 300401;2.河北工业大学 机械工程学院,天津 300401)

0 引言

随着科技与信息技术网络5G的迅速发展,企业产品的更新换代速度加快,企业之间的竞争形式更加严峻,小型企业想要发展壮大需要突破大型企业的技术包围,以往我国大多数企业主要依靠反求工程进行产品改进设计,但随着国家开始加强知识产权法保护的实施落地,新的专利法修正案增加了严厉的惩罚措施[1-2],因此企业需要转变以往的经营策略,加强对核心产品技术侵权行为的预防和规避。专利规避设计是一种既能突破技术壁垒又能节省资源的有效方法。专利规避设计最初是在法律层面,随着专利制度的完善,学者开始在技术角度进行规避设计研究,ZHANG等[3]提出基于功能分析的专利规避设计方法,通过挖掘目标专利缺陷,应用删除替代法与TRIZ工具相结合,进行专利规避设计。李辉等[4]通过对专利制度约束与专利权利范围分析,提出了规避目标确定、规避路径选择、规避设计、侵权判定的专利规避设计功能裁剪流程。AKERDAD等[5]提出反求工程与专利规避设计方法相结合的再设计过程,通过专利产品识别、问题分析、重新设计解决方案以及测试与实验验证4个过程,实现产品的专利规避再设计过程。LI等[6]提出一种基于TRIZ的专利规避设计裁剪方法,包括目标设计定义、问题识别定义、问题解决设计和方案评估设计4个步骤,通过裁剪一个或多个专利技术特征,结合TRIZ工具对新问题进行求解,实现专利规避设计。江屏等[7]提出一种基于功能裁剪的专利规避设计流程,通过专利检索、专利分析、裁剪设计与侵权判定流程,形成基于功能裁剪与侵权判定为一体的专利规避设计方法。韩爽等[8]提出基于公理设计的专利规避创新设计方法,根据公理设计的映射变换方法,通过需求域、功能域、结构域的映射变换发现专利技术系统创新点,并在创新点基础上进行规避设计。李辉等[9]提出基于制度约束与技术约束的专利规避设计流程,通过专利制度约束条件明确、功能裁剪路径确立、发明问题解决理论应用、制度约束评价4个步骤,实现专利规避设计。

通过对专利规避设计方法研究可知,功能是专利规避设计的核心,存在于专利分析与规避设计的全过程,但是由于设计人员对于功能认知的局限,导致对现有专利技术系统功能理解不全面,限制专利规避设计功能分析路径与专利规避设计求解方法,阻碍了专利规避设计的研究与发展。本文针对上述专利规避设计问题,提出了基于多层功能认知扩展的专利规避设计方法,通过引入行为层级、效果层级、目的层级功能认知概念,扩展专利规避设计过程中的功能认知,使专利规避设计过程的功能分析不再受限于设计人员的知识储备;并构建了基于多层功能认知的专利规避设计求解方法,根据多层功能认知涵盖的设计对象不同,使专利规避设计求解过程不再局限于产品技术系统功能设计,而是将规避求解过程扩展到产品使用者与产品使用环境,扩展了专利规避设计求解范围。

1 多层功能认知概念与情景分析理论

1.1 多层功能认知概念

专利规避设计的本质是对技术系统功能的重现,功能是专利规避设计过程的核心。对功能概念的深入理解有利于专利规避设计的实现。功能是设计工程学中的关键概念,但是功能并不是一个统一的术语,工程学方面研究人员对“功能”赋予了不同的含义,如表1所示。这不是全部的功能概念,而是学者在设计过程中提出的有代表性的理论,这些功能概念在抽象程度、系统层级和着眼视角上均存在差异。

表1 关于功能概念的研究

多样性的功能概念不仅增加了设计人员思维负荷,还会由于概念定义侧重不同,造成设计师之间的理解错误,产生设计问题。于是有人建议对功能概念进行总结,一部分设计者认为功能是系统元件间的作用,如图1a所示,元件A称为功能载体,元件B称为功能对象,表现形式为：功能载体作用于功能对象,改变或保持功能对象的参数或属性,属于依赖于具体结构的功能抽象;另一部分设计者认为功能是物质、能量和信息的输入/输出变换结果,功能表述所期望的状态转换动作,如图1b所示,属于与结构无关的功能抽象。

图1 功能概念总结表述

功能概念的认知得到了进一步发展,但是由于不同领域的设计者对功能的抽象总结侧重点不同,仍然会对设计人员造成理解分歧,影响设计结果,需要对功能本质概念进行深入的探究。

VERMAAS等[18]深入工程哲学层面研究了功能概念的本质内涵,归纳出3种典型的功能知识：行为意义功能、效果意义功能和目的意义功能,分别将功能看作系统的意图行为、意图效果和设计目的。CHEN等[19]致力于消除功能概念的模糊性,基于科学本体论和意图性理论,将功能概念明确为“设计者头脑中对客观环境一种想象的抽象动作,期望将客观环境从有问题的状态改变为所需要的状态或防止环境改变为不希望的状态”。FAHL等[20]认为功能在产品早期设计阶段尤为重要,产品的设计和差异化特别需要注意功能,需要对功能概念进行统一,通过分析和深化产品开发早期阶段对于功能的理解,功能主要是从既定的发展角度描述的,但是很少从环境或者以人为中心的观点描述,在制定功能概念时应该考虑抽象的水平,需要进一步研究在不同环境中系统、子系统之间的定义。PATEL等[21]通过机械领域视角进行功能概念统一分析,提出了3种不同功能主题：第1种主题侧重功能的预期行为,使用诸如任务、操作、执行等术语;第2个主题侧重功能的期望效果,使用诸如输入、过程、输出等术语;第3个主题侧重功能的设备用途,使用诸如用途、系统、组件等术语。这3种功能概念并不相互排斥、而是共享某些术语概念的重叠集群。VAN等[22]通过调查失效分析、创新设计、再设计、常规设计的设计过程,提出3种不同意义的功能在设计过程中的不同方面起到不同作用,均不可缺少,应该接受不同功能概念的并存。UDDIN[23]为达成多学科系统全面表述和抽象共识,按照系统表述归属问题的不同抽象层级,将以环境为中心的功能和以装置为中心的功能按照细节递增的顺序逐步抽象,逐渐建立了系统的全面技术表述。CRILLY[24]通过展示功能如何将系统与其子系统和超系统联系起来,指出以环境为中心的功能和以装置为中心的功能两种功能认知存在相对性,设计者建模的装置可能是另一设计者所关注装置的组件或环境,特定功能对于某个设计者是系统内部功能,但对于其他设计者可能是系统外部功能,因此应从嵌套系统层级的角度来认识功能。本课题组[25]进一步总结功能概念,提出上述不同功能认知来源于功能抽象的不同层级,如图2所示。其中：行为层级功能描述系统本身的意图状态变化;效果层级功能描述的是系统本身与作用对象组成的更高层级系统的意图状态变化;目的层级功能描述的是系统本身、作用对象和使用者组成的更高层级系统的意图状态变化。

图2 多层功能认知抽象视角与系统层级表述

将功能概念主体划分为不同范围的三层系统,通过设计过程中功能概念主体涵盖范围的变化,体现上述不同功能认知的各自作用。通过对功能认知内涵概念的探究,能够知道功能认知存在不同的理解,各种理解之间存在差异化,这种差异化认知可以在功能视角下进行统一,即产品的功能可以通过目的层级、效果层级和行为层级的意图行为功能的统一。通过对功能概念内涵进行统一,使设计人员规范专利系统功能分析过程,扩展专利规避设计功能思考范围。以钢笔为例对多层功能认知概念进行解释。行为层级功能强调的是产品意图的特定行为,系统范围指产品系统本身,钢笔的行为层级功能为“使墨水从储墨袋流到笔尖”。效果层级功能强调的是意图行为达到的效果,系统方位包含产品系统本身与环境中的作用对象,钢笔的效果层级功能为“能够在纸上留下痕迹”。目的层级功能强调的是产品设计达到的目的,系统范围包含产品系统本身、人、环境中已有自然物和相关产品,钢笔的目的层级功能为“能写字传递信息”。多层功能概念详述如表2所示。

表2 多层功能认知概念详述

1.2 情景分析

专利规避设计概念的提出是为了促进产品的技术发展,但现有专利规避设计方法没有贯彻这一思想,而是仅以实现产品相同功能为目的。这种创新思想无法促进市场良性竞争,反而会降低竞争力,导致市场发展缓慢。在现有开发模式之外,基于情景的概念创建和概念开发作为应对新技术发展的一种理论方法,已经被应用到产品创新设计领域。根据情景分析方法特点,将情景分析方法引入到专利规避设计过程,改变现有专利规避设计问题思考视角,扩展专利规避设计方法多样性。

情景(Scenario)最早于上世纪六十年代由KAHN等[26]提出,他认为未来是变化且多样的,多种潜在的结果在未来都是有可能实现的,另外,对于通向这些潜在未来结果的途径也是不一样的,因此,对可能出现的潜在未来结果以及实现这种潜在未来结果的途径的描述便构成了一个情景。有关“情景”的定义有很多,对研究学者给出的典型定义进行归纳,如表3所示。

表3 学者提出的情景分析定义

通过分析情景概念的定义可知,情景概念旨在勾勒出未来的产品和产品组合,根据不同的发展概念视角,对未来的变化作出预测,以设想的视角预测产品未来可能会面对的情景。研究人员不仅可以根据与产品紧密关联的未来预期情景进行机会识别,也可通过探索产品情景的前置过程和后续发展,拓展产品情景范围,寻找合适的新需求作为创新机会,基于情景分析与创新机会识别可以分为4个步骤,如图3所示。

图3 情景变换分析与创新机会关系

(1)情景要素的获取 每个情景都包含大量的影响要素,为避免不必要的集中,情景被系统组织分成不同的领域,每个领域都由具体的影响要素描述,一般只选取对整个情景发展具有较大影响的要素,这些所谓的“关键要素”可以通过系统分析来提取。

(2)情景预测 这是情景分析核心,在这里对未来进行了展望,未来的时间应该由情景描述,在此之后,所有关键要素的可能发展,确定了所谓的“未来预测”。本文的目标是寻找可提到的、可信的情景,使这些情景能完全描述未来发展。

(3)情景制定 未来情景的数量并不是固定的,设计人员对未来的思考方式越不同,出现的情景就越多,每个情景都代表一种情况,情景制定应该以最合适的情景为目标。为了能够确定最合适的情景,需要评估所有可能情景,明确每个情景的变换方向,分析每个情景的变换因素,找到一组合适的未来情景。

(4)情景分析与创新机会识别 除了情景制定,每个情景还可以进行详细的分析,情景驱动的因素是什么?可能的子情景是什么?现有技术系统出现什么问题?如何解决问题?新技术方案的可行性?

2 基于多层功能认知与情景分析的专利规避设计过程

2.1 基于多层功能的专利技术系统情景构建

根据多层功能认知概念,多层功能认知具备基本功能属性的同时也具备范围属性、递进属性和时间属性。不同层级之间作用的范围不同,行为层级功能、效果层级功能、目的层级功能在时间上具有先后关系。产品功能实现过程首先以行为层级功能开始,通过装置内部子功能间相互作用实现行为层级功能。然后通过行为层级功能作用于环境对象,对作用对象产生作用效果实现效果层级功能。最后通过效果层级功能与人和环境中已有自然物和相关产品共同作用实现目的层级功能。以多层功能作为关键情景阶段,构建产品情景过程,使情景构建过程具有规范化流程步骤,便于设计人员进行情景构建,基于多层功能的情景构建过程分为3个步骤：

(1)专利产品情景信息获取 根据专利制度约束条件,专利文本是获取情景信息的主要来源,基于多层功能认知概念分析专利产品,不仅包含技术系统本身,还应包含产品使用者与产品使用环境,即人、产品、环境3部分组成的情景,如图4所示。

图4 功能情景信息交互过程

(2)专利产品多层功能明确 通过构建功能模型与功能结构确定技术系统多层功能。专利技术系统功能模型构建能够直接展示技术系统功能关系,功能结构图能够展示技术系统内部功能流的转换过程,根据功能模型图与功能结构图,分析技术系统功能作用过程,以及系统功能转换过程,再根据多层功能概念确定产品技术系统功能多层功能。

(3)专利产品情景过程构建 根据多层功能认知概念构建产品情景过程,以每个功能层级作为一个情景阶段,将产品技术系统划分为3个阶段,每个阶段又作为一个独立情景整体,分析其中功能过程确定关键功能,将每个关键功能过程作为一个情景环节构建技术系统情景过程,如图5所示。

图5 以多层功能为关键阶段的情景过程

根据情景构建过程,确定每个情景行为对应的功能情景形式,以及相应的功能主体,行为层级情景过程功能主体是产品本身,强调的是技术系统功能。分析技术系统内部功能过程,将每个功能过程作为一个情景环节,判断相应功能类型(标准/不足/有害),构建行为层级功能情景过程。效果层级情景过程功能主体是产品技术系统与作用对象,强调的是对作用对象产生的作用效果。将效果产生过程进行细化,将每个效果过程作为一个情景环节,判断每个环节的功能类型,构建效果层级功能情景过程。目的层级情景过程功能主体为人、技术系统和环境作用对象,强调的是功能价值,将价值实现的每个步骤作为一个情景环节,判断每个环节的功能类型,构建目的层级功能情景过程。最后对全部情景环节进行检查,防止情景过程遗漏,完成产品多层功能情景过程构建,如表4所示。

表4 基于多层功能的情景过程

根据情景行为表构建情景行为链如图6所示,对产品的功能过程以多层功能情景链的形式直接表示,便于后续产品的功能分析与求解。

图6 基于多层功能的情景行为过程

2.2 基于多层功能认知情景变换与专利功能分析

(1)情景变换类型确定 根据情景变换的过程不同,情景变换可分为探索性情景和实践性情景两种。探索性情景过程是完全发散的思维过程,探索性的情景与现有情景的相似性很低,根据新情景的规避设计难度大,规避设计结果创新度高。实践性情景是有迹可循的思维过程,以现有情景中关键情景要素为基础,以演化规律为指导探求可能的新情景,指导进行规避设计,如图7所示。产品的系统发展遵循一定的规律,阿奇舒勒将产品系统生命周期划分为婴儿期、成长期、成熟期和退出期4个阶段。根据产品的技术生命周期,婴儿期和成长期的技术系统处于发展阶段,技术系统还未达到成熟期,不需要外界过多设计需求就能产生具备竞争力产品。成熟期与退出期的技术系统达到瓶颈,技术系统已经不具备创新设计潜力,需要创新性设计结果才能使产品具备竞争力。基于实践性的情景设计过程与婴儿期和成长期的产品发展规律相符,基于探索性的情景设计过程与成熟期和退出期的产品发展规律相符,情景变换的类型的应用可以根据产品所处生命周期确定。

a 探索性情景 b 实践性情景图7 情景变换的两种形式

(2)关键情景变换元素确定 专利规避设计情景变换元素明确,人、产品、环境情景组成三元素都具备引导情景变换的可能,本文针对机械产品的规避设计,所以明确以环境元素作为变换元素,探求未来产品的可能潜在情景,如图8所示。

图8 潜在情景变换

(3)情景变换后专利系统功能分析 根据多层功能情景变换的结果,分析新情景的所需功能,以所需功能为目的进行专利规避设计,基于情景变换分析现有技术系统功能,功能问题可能出现在目的层级、效果层级以及行为层级任意层级,如图9所示。

图9 基于情景变换的功能分析

2.3 基于多层功能认知的规避设计新技术方案求解

基于多层功能概念的功能分解不止局限于产品技术系统层面,而是将功能作用范围覆盖到全部功能系统层级,不仅局限于物理产品本身的功能承载,还包含了与物理产品密切联系的人、环境中已存自然物和相关产品的功能作用。根据情景变换确定了现有技术系统功能问题,以多层功能概念为指导对新情景下所需功能进行分解。当现有技术系统功能问题出现在目的层级系统时,需要以目的—效果—行为层级系统顺序对所需功能进行重新分解。首先从目的层级系统开始考虑,根据功能黑箱的形式对功能进行分解。目的层级系统包括人、产品技术系统、环境中已有自然物和相关产品,基于需求功能的全部作用主体由以上3部分承担,目的层级系统的功能分解过程需要首先考虑已有自然物和相关产品,对已有自然物和相关产品能够承载的功能进行分配,剩余未知功能为待设计所需功能。效果层级系统功能是目的层级系统待求功能,效果层级系统包括产品技术系统和作用对象。效果层级系统将行为层级系统输出流作为输入流,效果层级系统作用对象的输入输出流可以通过作用对象的特性分析,确定为已知部分,剩余输入输出流的承载对象为未知部分。效果层级系统的未知输入流是行为层级系统的输出流,行为层级系统功能的承载主体为产品本身,技术系统功能的实现通过元件间相互作用完成。通过对行为层级功能进行详细划分,将行为层级功能作用黑箱分解为不同的子功能黑箱,直到子功能黑箱能够通过设计人员直接求解实现相应功能,行为层级系统功能分解完成。通过多层功能分析明确了现有系统功能问题层级,以功能问题层级为起点进行逆序功能分析,分解新情景所需功能,根据各层级系统承载主体与承载对象明确承载功能,根据新情景的所需功能分解过程如图10所示。

图10 基于多层功能认知的所需功能分解

基于多层功能认知的所需功能求解方法,以类比设计原理为基础,利用已有成熟技术进行创新设计。根据行为层级—效果层级—目的层级系统顺序进行正序求解。行为层级系统功能求解过程,以现有专利技术系统为求解基础,分析行为层级系统黑箱作用过程,分析现有专利技术系统所用原理与知识源技术系统所用原理,若所用原理相同,则可直接根据知识源功能结构过程搭建技术系统;若所用原理不同,则以知识源技术原理解为指导,对现有技术系统进行改进,实现对行为层级功能的求解。效果层级系统功能输入流是行为层级系统功能的输出流,根据行为层级系统功能求解已经确定了效果层级功能黑箱的输入流,通过对未知功能黑箱进行层层的分解与求解,求解过程考虑效果层级功能的作用对象,根据分解结果以现有技术系统功能结构为基础,以可用资源功能结构为启发,完成效果层级系统功能求解。目的层级系统功能求解过程需要考虑人与环境中已有自然物和相关产品,以知识源为指导进行未知功能求解。根据行为层级—效果层级—目的层级系统的功能求解过程如图11所示。

图11 基于多层功能认知的所需功能求解过程

2.4 侵权判定

专利规避设计完成后,需要对规避设计新方案进行侵权判定。本文规避设计方法是以机械产品为目标进行规避设计的,侵权判定主要根据全面覆盖原则和等同原则进行判定。全面覆盖原则指侵权物与原专利的权利要求完全相同或者文字描述不同但是技术特征完全相同;等同原则指被控侵权物有一个或一个以上的技术特征与专利权利要求中的权利要求相同;根据侵权判定原则对专利规避设计新方案进行侵权判定,确定规避设计方法的可行性。

3 实例研究

3.1 平衡车技术系统情景过程构建

本文以平衡车专利CN109398582A为规避设计目标专利,验证本文所提专利规避设计方法。平衡车情景信息获取,通过应用AHP-TOPSIS模型计算方法,确定了CN109398582A专利为目标专利。对目标专利权利要求书和说明书进行分析,获取平衡车技术特征信息、元件信息、功能情景信息,如图12所示。

图12 平衡车功能情景信息

平衡车技术系统多层功能确定,通过对目标专利信息获取,平衡车主体结构由车轮、车身、以及动力组成部件3部分组成。根据获取的平衡车信息,确定系统元件、制品、超系统元件,分析元件间相互作用关系,确定作用关系类型,通过箭头形式将相互作用元件连接起来,形成完整的功能模型图,如图13所示。

根据获取信息可知平衡车是一种便捷出行工具,具有短途代步功能,将功能分解为物质流、信息流、能量流等容易实现分功能,构建平衡侧系统功能结构图,如图14所示。

图14 平衡车功能结构图

平衡车为个人运载工具,总功能为载人交通移动工具。根据构建的平衡车功能模型图,可知平衡车设计是为了提供一种新的轻便快捷出行方式。功能实现过程输入端的信息、物质、能量包含人、人力、开/关、电能、车轮,最终的输出结果是人移动到目的地。平衡车功能实现过程主要由执行模块、驱动模块、制动模块3部分组成,功能实现过程是通过元件间的相互作用实现。确定平衡车的行为层级功能是平衡车内部的物质、能量与信息的转换过程。通过开/关系统获得电能,电能通过伺服电机输出转矩带动驱动轮旋转处于待机状态。效果层级功能是通过行为层级功能作用于作用对象达到相应效果,平衡车的作用对象为行驶地面与相应的“受益者”,而“受益者”不是驱动对象,对于效果层级功能系统分析过程,不具备主动性无需考虑。通过行为层级功能作用于行驶地面,实现平衡车能够在路面上的平稳运动功能效果。目的层级功能是通过人控制平衡车,通过加速、制动等操作行为到达指定目的地。

平衡车技术系统情景过程构建,根据平衡车功能分析过程,得到平衡车行为层级、效果层级、目的层级功能信息。以行为层级、效果层级和目的层级功能作为平衡车关键情景阶段,进行平衡车情景构建。以每个功能层级系统作为独立情景阶段,考虑情景行为过程的关键驱动因素,构建每个层级的关键情景节点,进一步划分每个阶段情景行为,对不同阶段的功能层级情景行为过程进行全面表述,完成平衡车使用情景行为构建,如表5所示。

表5 平衡车功能情景过程表

根据情景行为信息表构建平衡车的多层功能情景行为链如图15所示。

图15 基于多层功能的平衡车情景过程链

3.2 平衡车情景变换与技术系统功能分析

确定平衡车技术成熟度,通过智慧芽专利检索平台,检索近十年申请的平衡车专利,构建平衡车专利申请趋势与专利类型图,如图16所示。通过平衡车专利申请趋势图能够看出,平衡车技术发展处于成长期。

图16 平衡车专利发展趋势

由第3章分析可知,处于成长期的产品,技术系统发展没有到达瓶颈,与基于实践性情景发展模式相符。从环境角度探究平衡车的关键情景要素,环境元素包含许多信息。分析平衡车的使用环境,平衡车对使用路面的要求很高,需要平整的路面条件才能满足其使用条件。并且平衡车使用事故多是因为路面状况不好导致的,现以不平路面即“复杂路面”作为平衡车情景变换的关键情景要素,探究专利设计过程,如图17所示。

图17 平衡车关键情景要素变换

根据新情景变换情况分析现有专利系统功能不足,新情景是基于关键情景要素改变下的情景,即路面由平整状态变为不平整的路面,根据多层功能情景行为表,平衡车应用过程中,路面情况作为情景行为过程的主体出现在效果层级,问题点出现在情景行为EL24,即通过功能传递后转动的车轮无法在复杂路面上行驶,导致后续的目的层级功能也同时无法实现,如表6所示。

表6 基于新情景平衡车情景过程问题表

根据情景分析结果,应用情景行为链形式,直观展现情景变换后现有技术系统功能问题,如图18所示,方便后续功能分解与规避设计。

图18 平衡车情景行为问题链

3.4 平衡车新技术方案求解

根据情景变换专利分析过程,确定现有技术系统问题功能出现在效果层级系统。进一步分析问题功能,效果层级系统的功能是实现车载人移动,当使用情景变为复杂路面时效果层级“EL24”功能无法实现。效果层级系统功能出现问题将导致目的层级系统“PL31、PL32、PL33”功能都无法实现,以效果层级系统为功能分解起点,对需求功能进行逆序分解,如图19所示。

图19 需求功能分解顺序

以效果层级系统为需求功能分解起点,效果层级系统包含待设计产品系统与系统作用对象。明确效果层级功能为在“复杂路面移动”,以功能黑盒形式表示如图20所示。效果层级系统初始状态包括人、复杂路面环境、平衡车,实际情景行为是“人通过平衡车在复杂路面移动”,期望状态包括人、平衡车、复杂路面环境,期望的情景行为是“平衡车载人在复杂路面自由行进”,效果层级功能是平衡车输出动力、载人在复杂路面移动,平衡车为待求未知部分。根据平衡车的使用过程分析,复杂路面只是对系统的功能实现过程起到限定作用,即要求系统的输出流能够在这种复杂路面达到相应效果,对于平衡车的功能分解过程,不作为相应的功能承载者,因此效果层级的功能过程全部由产品技术系统承载,即通过产品技术系统输出流为“位移的人”,而承载输入流为行为层级的输出流,效果层级功能分解完成后对行为层级功能进行分解。

图20 效果层级功能分解

行为层级系统的输入流为已知端,由人、可利用能源、相关可用元件组成,通过物质、能量、信息流形式对输入端信息划分,3种形式的流扮演不同作用。能量即为系统的动力源,是实现平衡车必备要素,通过能量获取、能量控制、能量转换、能量输出过程完成平衡车的能量传输。信息主要是对系统起到调控作用,信息参与系统启动、系统运转、系统停止等全过程,对于平衡车人既属于能量类又属于物质类,作为能量类通过输入能量实现接通能源、启动能源、控制能源等一系列工作过程,作为物质类人是平衡车的作用对象,通过对行为层级系统输入端分析,对相关已知信息按照能量、物质、信息流的形式进行分解,完成对需求功能的划分,如图21所示。

图21 行为层级功能分解

知识源检索与技术方案分析,根据平衡车的行驶需求,在相关网站上检索知识源,确定一种履带式全地形电动椅CN114010413A为知识源。构建履带式全地形电动椅功能结构图如图22所示。虚线框内的功能结构链为技术系统求解方案技术流程,是指导专利规避设计的技术信息。

图22 知识源技术方案

行为层级能量流求解,根据知识源求解技术方案可知,履带式电动椅系统的能量流是以电能形式存在,通过电能的转换实现系统的动能输出。现有技术方案的能量流也是以电能形式存在,通过电能转换实现系统动能输出。因此,新技术系统方案也确定以电能作为系统能量来源,对于平衡车系统能量流的转换包含能量获取、能量控制、能量转换3个必经过程,通过知识源技术方案原理与现有技术方案,设计行为层级能量流包含一条路径,路径包含3个必经阶段,实现行为层级能量流求解。

行为层级信息流求解,根据知识源技术方案可知,知识源技术方案的信息流存在两种形式,一种信息流存在于履带式电动椅的启停过程,另一种信息流存在于履带式电动椅的运转过程。目标专利技术方案只存在一种形式信息流,只存在平衡车的开始/关闭控制阶段。在行为层级系统功能承载中,信息流作为承载功能实现的一部分,主要对系统起到调控作用。因此,设计平衡车新技术方案行为层级信息流存在两种形式：①指标信息流,展示平衡车运行过程的关键指标信息,通过数据检测、数据记录、数据显示3个必经过程实现;②控制信息流,通过信息流实现平衡车系统控制,包含系统启动、系统运转、系统停止3个必经过程。通过知识源技术方案原理与现有技术方案,设计行为层级信息流包含两条路径,每条路径包含3个必经阶段,完成行为层级信息流求解。

人在行为层级只表现为能量属性,分析知识源技术方案可知,知识源技术方案人以能量流存在两种形式：①以能量传递形式存在;②以能量转换形式存在。目标专利技术系统只存在一种能量转换形式。因此,设计平衡车新技术方案行为层级中人提供的能量流存在两种形式：①以人力能量流形式存在,实现系统的能量传递,包含接通能源、启动能源、控制能源3个必经过程;②以能量转换流形式存在,实现系统能量转换,包含操作系统、能量传递、能量转换3个必经过程。通过知识源技术方案原理与现有技术方案,设计行为层级人提供能量流包含两条路径,每条路径包含3个必经阶段,完成行为层级人能量流形式求解。

根据可用知识源与现有技术方案分析,完成了行为层级系统承载过程的能量流、信息流与物质流求解,根据设计结果构建行为层级总流程结构图,如图23所示。

图23 行为层级系统求解

效果层级承载功能求解,根据功能分解可知,效果层级功能强调的是作用效果,对于待求解系统即为“平衡车在复杂路面运动”效果。根据功能黑盒形式,效果层级功能输入流即为行为层级功能的输出流,即动能(能量流)、信息(信息流)、人力(能量流)、其他能量(能量流)。效果层级能量流求解,分析知识源技术方案可知,履带式全地形电动椅通过引入履带式传动机构,改变传动过程与接地形式实现电动椅的运动。现有技术系统通过齿轮传动机构,实现平衡车的运动。针对复杂路面的行驶条件,因为现有技术系统传递转换环节多,以及车轮本身设计的局限,无法达到使用需求,所以设计平衡车新技术方案效果层级承载功能,可以通过改变平衡车传动过程与接地形式实现。根据新方案求解思想,效果层级能量流转换过程设计过程可以直接通过控制器、能量转换、车轮转动过程实现平衡车运动,以消除现有方案传递过程的齿轮传动能量转换环节,提高平衡车操作灵敏性和传动效率。通过知识源技术方案原理与现有技术方案设计效果层级能量流。

效果层级信息流求解,分析知识源技术方案可知,履带式全地形电动椅通过摇柄控制器传递指令信息,实现前进和后退运动。同时摇柄控制器还能发出加速与减速指令信息,控制电机的供电量。现有技术方案只存在开/关指令控制信息。针对复杂路面使用环境需求,可以通过主动控制方式实现效果层级系统承载功能。根据新技术方案求解思想,信息流在效果系统层面主要辅助系统完成既定功能效果。针对复杂路面的行驶效果,电能是系统主要能源,电能信息对于掌握平衡车状态信息至关重要。平衡车运行状态信息主要包含车速、加速度、车身姿态信息,也是掌握平衡车运动的主要信息。平衡车行驶路况信息,也是平衡车运动的主要信息,行驶路况信息主要指障碍物信息,是与平衡车行驶过程密切相关信息。因此,设计平衡车新技术系统效果层级信息流存在两种形式：①数据检测信息流;②控制信息流。检测信息流包含路面障碍物信息,模块主要针对行驶过程的路面障碍物信息检测,通过传感器、数据存储、数据分析过程实现障碍物信息获取。检测信息流还包含距离信息,通过同样的流程检测障碍物与平衡车距离信息,将距离信息传递回系统,同时能够发出危险警报信息。检测信号流还包括系统电量信息,通过电量检测、数据存储、数据分析过程掌握平衡车电量信息,同时也能发出预警信息。控制信息流以流信息传递实现系统控制,通过传感器获取速度、加速度、角速度等运行信息,再通过数据分析、能量控制等必须过程完成信息流的转换,实现平衡车系统控制。

通过知识源技术方案原理与现有技术方案,设计效果层级信息流包含两种形式,包含电能信息、运行状态信息、运行路况信息。求解效果层级信息流,构建相应信息流结构,如图24所示。

图24 效果层级信息流求解

效果层级输入端的人不参与效果层级承载功能求解,直接顺延到目的层级系统。根据功能分解过程可知,待求系统与现有系统目的层级功能相同,因此新方案中人力与机械能工作形式相同,不作重复分析。通过多层功能求解过程,完成各层级承载功能的求解,根据设计结果构建新技术系统总功能结构,如图25所示,完成平衡车新技术方案功能求解。

根据新技术方案功能过程,将平衡车新技术系统划分为驱动模块、执行模块、制动模块、监测模块与反馈模块5部分。根据功能结构关系搭建相应平衡车实物,并对功能过程进行调试,完成平衡车新技术方案设计,如图26所示。

图26 专利规避设计平衡车实物图

3.5 侵权判定

应用多层功能认知扩展的专利规避设计方法,完成对平衡车的专利规避设计,对平衡车新技术方案进行侵权检验。平衡车属于机械产品,因此根据全面覆盖原则和等同原则进行侵权验证。分析CN109398582A平衡车各项权利要求可知,CN109398582A平衡车权利要求主要包含驱动机构和制动机构两部分。构建专利侵权判定对比表如表7所示。

表7 专利侵权判定

对比现有技术方案与规避设计方案的技术特征可知,新技术方案与现有技术方案的权利要求范围不同。新技术方案在实现平衡车驱动性能同时提高了平衡车灵敏性。在制动过程中,通过增加识别模块与反馈模块,辅助平衡成实现制动,同时增加了预警机制,提高了行驶过程的安全。能够确定规避设计方案不存在侵权行为,且规避设计产生的新方案提高了现有技术的性能。

4 结束语

专利规避设计方法的核心是对功能的再设计,但是由于对功能认知的局限,导致专利规避设计功能分析路径受阻,使得专利规避设计求解方法受限。本文针对上述专利规避设计问题,提出了基于多层功能认知扩展的专利规避设计方法,通过引入行为层级、效果层级、目的层级功能认知概念,并与情景变换分析方法相结合,通过目标专利检索,目标专利分析,规避设计、侵权判定流程实现专利规避设计,论文的主要创新点如下：

(1)提出了基于多层功能认知与情景变换的专利分析方法。通过引入行为层级、效果层级、目的层级功能认知概念,构建了多层功能认知体系,扩展了专利规避设计过程的功能分析路径。

(2)提出了基于多层功能认知的专利规避设计方法。根据多层功能认知涵盖的设计对象不同,使专利规避设计求解过程不再局限于产品技术系统,而是包含产品使用者与产品使用环境,扩展了专利规避设计求解思考范围。

未来将以效果层级变换为研究重点,细化每种效果层级变换特点并归类,探究不同类型效果层级变换的专利规避设计方法。