陳曉菁，成思源，楊雪榮，張湘?zhèn)?/p>

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

“十二五”時期增加了“研發(fā)投入強(qiáng)度”和“每萬人口發(fā)明專利擁有量”兩項量化指標(biāo)，使我國專利發(fā)展成效顯著[1]. 專利作為保護(hù)申請人合法權(quán)益的文件，包含著大量的技術(shù)信息，是技術(shù)情報、經(jīng)濟(jì)情報和商業(yè)情報的載體，記錄著設(shè)計者的創(chuàng)作思想，為文獻(xiàn)參考者提供發(fā)明思想的來源[2].

專利設(shè)計知識是專利文本中反映產(chǎn)品的技術(shù)特征的信息，闡述了產(chǎn)品所運用到的效應(yīng)原理知識(解決或改善產(chǎn)品問題的科學(xué)原理和效應(yīng))、功能知識(用于改進(jìn)產(chǎn)品技術(shù)的產(chǎn)品組件的功能集合)和結(jié)構(gòu)作用知識(實現(xiàn)目標(biāo)功能的產(chǎn)品零部件的結(jié)構(gòu)信息)[3].提取出專利設(shè)計知識能獲取專利產(chǎn)品的創(chuàng)新點，并啟發(fā)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)特征信息的靈感. 但在提取專利設(shè)計知識時，不同的設(shè)計人員對功能概念的認(rèn)知是不同的，因此所用的術(shù)語也不同，如何規(guī)范功能語義的描述，準(zhǔn)確獲得原始功能模型，理解原設(shè)計者的設(shè)計意圖，從而獲得創(chuàng)意靈感，對設(shè)計者來說十分重要.

許多學(xué)者對專利知識的提取進(jìn)行了研究，冀瑜等[4]提出了國際專利分類表中設(shè)計知識的提取和利用，將國際專利分類表(International Patent Classification，IPC)分為功能、效應(yīng)和作用結(jié)構(gòu)知識3個層次，并定義相關(guān)定量參數(shù)建立關(guān)系，獲取知識建立知識網(wǎng)；馬建紅等[5]提出面向創(chuàng)新設(shè)計的專利知識抽取方法，運用自然語言處理技術(shù)得到句法結(jié)構(gòu)樹，并利用組合特征提取知識；薛馳等[6]提出了機(jī)械產(chǎn)品專利作用結(jié)構(gòu)知識提取方法研究，建立了統(tǒng)一的專利作用結(jié)構(gòu)模型，通過自然語言處理從專利中提取的作用原理和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識；魯麒等[7]提出了一種基于TRIZ(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，原俄文的英語標(biāo)音；英語說法：Theory of Inventive Problem Solviny, TIPS, 發(fā)明問題解決理論)理論的專利文獻(xiàn)深度知識提取方法；姜春濤[8]給出了圖示法自動提取專利文本語義信息的方案.

以上學(xué)者的研究需要運用自然語言等處理方法識別領(lǐng)域詞匯，再采用最大熵法等進(jìn)行語義分析獲取詞匯間關(guān)系并進(jìn)行分類，從而提取專利文本知識并建立模型. 也有學(xué)者對可拓學(xué)的建模方法進(jìn)行了研究，但沒有針對專利的文本[9]. 本文提出了基于功能本體的專利知識功能模型建立. 利用功能本體體系結(jié)構(gòu)，捕捉產(chǎn)品功能，實現(xiàn)從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)到功能的映射，簡化知識提取和建立模型流程，從而獲得原產(chǎn)品設(shè)計者的設(shè)計意圖，分析其產(chǎn)品的創(chuàng)新點，啟發(fā)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)特征信息的靈感，有助于進(jìn)行產(chǎn)品的再創(chuàng)新設(shè)計.

1 專利知識功能模型

功能本體是一個包含功能術(shù)語及術(shù)語間規(guī)范關(guān)系說明的體系，是功能概念化和功能分類的規(guī)范說明系統(tǒng)，是對各種功能知識進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述的表述方式[10-11]. 功能本體不僅能描述功能領(lǐng)域知識，還能提供對功能領(lǐng)域知識的共同理解[12]；同時，由功能本體確定的共同認(rèn)可的功能領(lǐng)域的詞匯，以功能語義網(wǎng)絡(luò)的形式從不同層次的形式上給出詞匯與詞匯之間的相互關(guān)系，再現(xiàn)原設(shè)計者的設(shè)計意圖[13].

功能本體體系是一套完整而規(guī)范的功能語義表述體系，包括功能體、功能類型、功能實現(xiàn)方法、行為、流等[14]. 本文主要包含功能實現(xiàn)方法、功能結(jié)構(gòu)模型和功能體3個本體模型.

如圖1所示的是功能本體體系結(jié)構(gòu)圖，該功能本體體系結(jié)構(gòu)包括3個本體概念模型，即功能結(jié)構(gòu)模型、功能體和功能實現(xiàn)方法. 功能結(jié)構(gòu)模型是表達(dá)功能之間關(guān)系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；功能體是用于解釋產(chǎn)品及零部件的行為目的；功能實現(xiàn)方法是實現(xiàn)功能的物理結(jié)構(gòu)的知識和方法與設(shè)計原理的匹配.

本文基于功能本體的體系結(jié)構(gòu)，提出一種專利文本知識功能模型建立方法，該方法由3部分組成，一是提取專利文本知識，將專利文本中的結(jié)構(gòu)化信息分析總結(jié)，獲得結(jié)構(gòu)、效應(yīng)和功能知識；二是功能分析，從獲取的知識中分析產(chǎn)品的功能，并獲得功能和結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系；三是建立專利知識功能模型，其流程如圖2所示.

圖1 功能本體體系結(jié)構(gòu)關(guān)系圖Fig.1 Functional architecture diagrams

圖2 專利知識功能模型建立流程Fig.2 The establishment process of the patent knowledge function model

具體流程為：

(1) 對專利文本進(jìn)行知識提取，即對專利文本中的標(biāo)題、摘要和權(quán)利要求書進(jìn)行分析，識別文本中的動詞與動詞前后的名詞和形容詞，獲取結(jié)構(gòu)作用知識，并進(jìn)一步推理分析得到效應(yīng)原理知識和功能知識.

(2) 根據(jù)知識提取獲得的知識進(jìn)行功能分析，得到總功能、分功能和子功能，并整理結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，確立功能結(jié)構(gòu)關(guān)系，這將有利于設(shè)計人員擺脫思維慣性，獲得新創(chuàng)意.

(3) 歸納整理提取的詞匯和功能結(jié)構(gòu)關(guān)系，建立功能拓?fù)淠Ｐ?

2 知識提取與功能分析

專利知識的功能模型建立需結(jié)合專利知識體系的提取和功能分析的流程而獲得. 進(jìn)行專利知識提取可以得到專利文獻(xiàn)中的功能知識、效應(yīng)原理知識和結(jié)構(gòu)作用知識，獲取知識是建立功能模型的前提.由于不同的功能對應(yīng)著不同的效應(yīng)原理知識且通過結(jié)構(gòu)之間的相互作用實現(xiàn)，故需要進(jìn)行功能分析.

2.1 專利文本構(gòu)成

專利文本是用自然語言將結(jié)構(gòu)化原理信息向非結(jié)構(gòu)化文本信息映射. 因此，對專利文本語言知識的分析可以將專利文本結(jié)構(gòu)化，同時也是功能原理方案獲取的前提.

專利是劃定產(chǎn)品保護(hù)范圍且具有法律效力的文件，其書寫內(nèi)容具有固定格式，主要包括以下內(nèi)容[15].

(1) 標(biāo)題，表示產(chǎn)品及產(chǎn)品功能的名稱，一般在20字左右.

(2) 摘要，對該產(chǎn)品解決的問題及使用的工作原理等進(jìn)行概括的闡述，并寫明專利所屬技術(shù)領(lǐng)域. 主要內(nèi)容包括：目的和用途、方法或技術(shù)、工作原理、專利的組成結(jié)構(gòu)和該方案的優(yōu)勢. 書寫摘要時要簡明扼要，提取有關(guān)的內(nèi)容，讓讀者通過閱讀摘要便能掌握主要信息，一般在200字以內(nèi).

(3) 權(quán)利要求書，是申請人向國家專利局申請，從法律角度劃定該專利產(chǎn)品的保護(hù)范圍. 在權(quán)利要求書里要清楚地列出要求保護(hù)的創(chuàng)新技術(shù)的特點，寫明該產(chǎn)品方案實現(xiàn)的原理效應(yīng)和結(jié)構(gòu)特征，通常不含功能目的的描述，約占篇幅的15%.

(4) 說明書，對該專利方案的詳細(xì)描述，包括技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容、具體實施方式等. 技術(shù)領(lǐng)域描述了產(chǎn)品類型及其應(yīng)用領(lǐng)域，通常在國際專利分類表中與最低位置相對應(yīng)；背景技術(shù)闡述了現(xiàn)有技術(shù)的工作原理并指出該技術(shù)存在的某些功能或技術(shù)的缺陷，客觀提出這些缺陷產(chǎn)生的原因和解決該缺陷的困難；發(fā)明內(nèi)容詳細(xì)介紹該產(chǎn)品的設(shè)計的目的，具體技術(shù)方案的原理和結(jié)構(gòu)以及該產(chǎn)品的優(yōu)點. 發(fā)明內(nèi)容是專利文本中內(nèi)容最多，描述產(chǎn)品最詳細(xì)和完整的部分；具體實施方式描述了實現(xiàn)該產(chǎn)品工作效應(yīng)原理的結(jié)構(gòu)方案，描述了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系，還有涉及的工藝方法和具體實施步驟等.

2.2 專利知識提取

專利文檔的摘要、權(quán)利要求和說明書是產(chǎn)品專利的結(jié)構(gòu)作用知識的信息源，若要獲得功能效應(yīng)知識，則需進(jìn)一步分析專利文本的標(biāo)題、摘要、權(quán)利要求書. 專利知識提取過程如下：

(1) 信息提取，通過分析專利文本信息，提取出描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)部件和系統(tǒng)的短語，從而確定部件之間的相互作用關(guān)系. 這一步主要是提取結(jié)構(gòu)作用知識，結(jié)構(gòu)知識是專利文獻(xiàn)中直接描述專利產(chǎn)品的技術(shù)信息，主要包括幾何、運動、力、能量、物料、信號等方面信息，可以從專利的摘要、權(quán)利要求書和說明書中獲得，比如水果采摘器專利文本中的“U型支撐架”描述了支撐架的幾何形狀知識.

(2) 深層推理，功能、效應(yīng)和結(jié)構(gòu)作用之間存在相關(guān)性，在提取信息和理解該產(chǎn)品專利的技術(shù)方案后，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)之間所用的效應(yīng)原理，效應(yīng)原理是實現(xiàn)功能的特征載體. 科學(xué)原理和效應(yīng)知識，是原理的本質(zhì)抽象，對應(yīng)不同分功能有不同效應(yīng)，采用名詞或名詞短語來表示功能所需要的物理效應(yīng). 從專利的摘要、權(quán)利要求書和說明書中將描述結(jié)構(gòu)連接配合關(guān)系句子提取出來，從而可以分析獲得效應(yīng)原理知識. 效應(yīng)原理知識是功能的載體，可以將分析得到的效應(yīng)原理知識以“動詞+形容詞或名詞”的形式轉(zhuǎn)換為功能知識的表達(dá)，名詞表示技術(shù)系統(tǒng)中該功能的作用對象，動詞表示該功能對作用對象的作用過程，最后以“動詞”的形式表示功能. 例如，與采摘水果相關(guān)的專利文本分析得到的效應(yīng)原理知識為“分割原理”，從功能體庫中可以找到“切割”等描述功能的詞匯，加上作用對象“水果”就能將效應(yīng)原理知識轉(zhuǎn)換為功能知識“切割水果”，即功能為“切割”.

(3) 功能整理，將獲得的結(jié)構(gòu)作用、效應(yīng)、功能及其對應(yīng)關(guān)系收集起來，整理得原理方案集.

確定目標(biāo)專利后，分析專利文本知識，并提取知識，推理分析得到功能效應(yīng)知識，把從專利文本中提取到的設(shè)計原理詞匯、分析得到的功能效應(yīng)原理詞匯抽象表示，專利知識提取流程如圖3所示.

圖3 專利知識提取流程圖Fig.3 The flow chart of patent knowledge extraction

2.3 功能分析

專利知識的功能模型建立需要先進(jìn)行功能分析. 功能是物料、信息、能量等輸入/輸出流之間的關(guān)系，即系統(tǒng)將物料、信息和能量等輸入流轉(zhuǎn)化、傳遞和變化后輸出[16]. 功能分析就是先從產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)明確功能原理和結(jié)構(gòu)組成，抽象出總功能；再分析產(chǎn)品的各個組成部分，自頂而下分解總功能獲得主功能；接著再將主功能分解為分功能；最后，根據(jù)功能分解情況建立功能模型.

從專利知識提取獲得的創(chuàng)新原理方案集中分析產(chǎn)品的功能知識和結(jié)構(gòu)組成，從而得到該產(chǎn)品的總功能，由功能體和功能實現(xiàn)方法兩個本體將總功能分解成各個分功能和子功能，并將實現(xiàn)各個功能的結(jié)構(gòu)與之對應(yīng)，建立產(chǎn)品的功能模型.

3 實例

專利CN201420036696.9[17]公開了一種水果采摘器，見圖4所示. 所述切割裝置通過呈U型的支撐架可轉(zhuǎn)動安裝在收集筐的開口處；該切割裝置包括電機(jī)和圓盤鋸，其中，所述電機(jī)安裝在U型支撐架上，圓盤鋸與電機(jī)的輸出軸相連；所述支撐桿的一端與收集筐的底部相連，另一端與控制把手相連；所述控制把手具有電源倉，在控制把手上設(shè)有一個按鈕開關(guān)，所述按鈕開關(guān)與電機(jī)串聯(lián)，接通電源后，通過該按鈕開關(guān)能夠控制電機(jī)的啟停.

如圖4所示，本實用新型能夠有效解決現(xiàn)有水果采摘速度慢、效率低，易損傷水果，并且采摘安全性較差的問題，使采摘水果更加方便、快速，從而降低因采摘不及時導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失.

圖4 水果采摘器Fig.4 Fruit picker

根據(jù)技術(shù)系統(tǒng)與外界的輸入輸出關(guān)系，可以確定該實用新型專利的總功能是采摘高處水果，并收集和保護(hù)水果.

對目標(biāo)專利文本分析，首先進(jìn)行信息提取，從專利文本語言知識中提取出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)作用知識，提取到的知識有：圓盤鋸、限位片、防護(hù)罩、電機(jī)、U型支撐架、限位凸臺、扭力彈簧、銷軸、收集筐、支撐桿A、限位鎖止裝置A、限位鎖止裝置B、連接軸、堵頭螺釘、限位孔、支撐桿B、控制把手、端蓋、拉線、套管、按壓柄、按鈕開關(guān)、回位彈簧；然后進(jìn)一步深層推理專利文本中產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成，分析得到產(chǎn)品的功能效應(yīng)原理詞匯有切割、轉(zhuǎn)動、支撐、限位、收集、安裝和啟停；最后，整理功能結(jié)構(gòu)詞匯，為建立專利知識的功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供條件. 如圖5所示.

上述分析可知本專利的總功能是切割和收集，根據(jù)功能本體體系中的功能體知識庫匹配專利文本提取出的功能詞匯之間的關(guān)系，可知切割的分功能是切割、啟停、轉(zhuǎn)動和限位，收集的分功能是支撐、收集以及限位；根據(jù)功能實現(xiàn)方法本體可以獲得功能的知識和方法與物理結(jié)構(gòu)的匹配，由此可以得到切割功能對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是圓盤鋸，啟停功能對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是開關(guān)按鈕，轉(zhuǎn)動功能對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是電機(jī)，限位功能對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是限位凸臺和限位止鎖裝置，支撐功能對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是支撐桿和支撐架，收集功能對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是收集筐. 最后根據(jù)圖1所示的功能本體間的關(guān)系，可以構(gòu)建該專利產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)模型如圖6所示.

圖5 目標(biāo)專利文本分析過程Fig.5 Target patent text analysis process

通過水果采摘器的功能結(jié)構(gòu)樹模型，建立了專利各分功能與結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系，有助于設(shè)計者從功能領(lǐng)域理解原專利的設(shè)計意圖，為后續(xù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計提供了依據(jù). 比如對“切割”功能進(jìn)行功能變更，根據(jù)功能體可知，“切割”和“脫離”同屬“分離”這一主類，用“脫離”功能替換“切割”功能，再根據(jù)功能結(jié)構(gòu)樹模型設(shè)計實現(xiàn)“脫離”功能的相關(guān)結(jié)構(gòu).

4 總結(jié)

圖6 水果采摘器功能結(jié)構(gòu)樹Fig.6 Fruit picker functional structure tree

本文提出了基于功能本體的專利知識功能模型建立. 在建立專利知識功能模型時需要先對專利文本進(jìn)行提取，分析專利文本的標(biāo)題、摘要和權(quán)利要求書從而得到專利產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)作用知識，再進(jìn)一步推理得出功能效應(yīng)原理知識. 將提取到的知識詞匯整理并進(jìn)行功能分析，弄清結(jié)構(gòu)功能之間、功能與功能之間的關(guān)系，建立功能拓?fù)淠Ｐ? 引入功能本體的概念有助于提取專利文本知識的功能領(lǐng)域知識，并確定功能知識之間的關(guān)系，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)到功能的映射，建立專利知識功能模型.

運用功能本體建立的功能結(jié)構(gòu)模型能提供對功能領(lǐng)域知識的共同理解，再現(xiàn)原設(shè)計者的設(shè)計意圖，有助于設(shè)計者進(jìn)行后續(xù)的再創(chuàng)新設(shè)計.