核心專利群及規避目標的確定方法與應用

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(濟南大學 a.機械工程學院, b.水利與環境學院，山東 濟南 250022)

當前，在“一帶一路”背景下，由于沿線國家法律制度復雜多樣，知識產權發展指標偏低，因此如何在“一帶一路”沿線國家布局因地制宜的知識產權戰略方案，成為我國企業開拓海外市場亟待研究和解決的問題[1]。專利規避設計是知識產權戰略的重要組成部分。為了彌補單個專利專有權有限性的缺陷，應對“專利叢林現象”，避免侵權訴訟，確保專利設計自由，越來越多的企業將關注的焦點從單個專利轉移到專利群[2]，因此，對專利群規避設計的研究越來越急迫。規避專利群要找到專利群中的核心專利。核心專利是在某一技術領域中處于關鍵地位、對技術創新具有突出貢獻、對其他專利或技術有重大影響且有重要經濟價值的專利[3]。

目前，對專利規避設計的研究很多。Li等[4]圍繞開發一個或多個專利技術特征的問題識別過程，設計基于發明問題解決理論(theory of invention problem solving，TRIZ)的問題求解工具，解決了規避設計問題。周煒程[5]設計了核心專利的規避設計流程，通過建立專利摘要表、智能矩陣表找出待規避的專利群。功能剪裁作為TRIZ的一種創新設計方法，可提高產品理想度以實現產品創新設計[6]。Kim等[7]將TRIZ和六西格瑪設計相結合，利用TRIZ中功能裁剪的方法對現有汽車的發動機、雨刷器等進行規避設計。Hung等[8]提出從專利檢索獲取相關專利到利用功能種類確定核心技術元件，再到借助TRIZ工具進行規避的專利規避設計流程。江屏等[9]通過國際專利分類(international patent classification，IPC)聚類分析，確定待規避的專利群，然后利用元件權重分析法確定優先規避的組件。穆秀秀等[10]通過引證分析確定目標專利，然后通過構建目標專利的模塊——功能表確定規避范圍。利用引證分析、同族專利等指標來確定核心專利具有一定的局限性，專利的被引頻次在一定程度上反映了專利在某一領域研發中的基礎性和引導性作用，一般來說，申報公開越早的專利，引證頻次越高。目前國內專利引證其他專利不是必須標明的，因此部分專利存在引證不明確、不加引證等缺點，導致利用引證次數來判斷核心專利存在一定的局限性。同族專利在一定程度上反應了專利的經濟價值，因此，同族專利不一定是核心專利。

以往的研究大多通過技術稀疏或空白區進行專利群規避設計，而技術空白區往往是技術實現困難的方向。規避目標組件需要創新理論的指導，而TRIZ是建立在專利分析基礎上，通過數據驅動的方式總結出來的用以指導技術創新的方法體系[11]。本文中在技術成熟度分析的基礎上，通過IPC-技術-功效三維空間圖來縮小專利群中核心專利群的范圍，將選定專利群中的專利按傳動、動力、執行和控制4個部分分開，根據技術目標的側重點選取側重該技術點的專利作為核心專利進行分析，然后根據組件功能得分法建立核心專利的組件功能得分表，根據組件得分確定待規避的目標組件。確定待規避的目標組件后，結合TRIZ進行新方案的設計，從而達到專利群規避設計的目的。

1 專利群中規避目標的確定

在中國特色社會主義建設的新時代，創新變得越來越重要，而知識產權對創新有極大的促進作用，專利規避設計是知識產權的重要組成部分。專利規避設計分為單個專利的規避設計和專利群的規避設計，對于專利群的規避設計除了應用單個專利規避設計的方法以外，還要考慮如何確定核心專利，進而有針對性地進行專利規避設計。

IPC法適合于發明專利領域的知識體系[12]，是目前國際上唯一通用的專利分類方法。通過IPC聚類分析，可以了解一個領域內的技術發展程度及發展趨勢。專利技術功效矩陣分析是一種定性分析，該分析適用于特定的專利組合或集群，便于相關技術人員掌握該專利組合或集群的技術分布情況，用于尋找技術空白點、技術研發熱點和突破點，以規避技術“雷區”，發現潛在研發方向[13]。專利IPC聚類分析只能了解一類中的發展狀況，而無法得到具體技術應用情況。技術功效矩陣分析可以獲得技術方面的發展信息；但是得到的是不分類專利的技術情況，無法聚焦核心專利，因此，將IPC-技術-功效結合起來分析將會彌補各方法的不足，對確定核心專利起到促進作用。

通過IPC-技術-功效三維圖，可以縮小核心專利群范圍，然后選取傳動、動力、執行和控制中最重要部分的專利作為核心專利，該方法適用于在技術密集區確定核心專利。如果技術密集區無法規避，同樣也可以選取可以實現的技術稀疏區作為目標專利群。通過組件功能得分法確定待規避的目標組件。專利群中規避目標的確定流程如圖1所示。

1)確定要規避的專利技術。在進行專利規避設計的過程中，首先面對的是一個泛泛的問題，因此要通過數據調查、市場調查和行業調查等分析確定需要規避的專利技術。

圖1 專利群中規避目標的確定流程

2)確定搜索關鍵詞，檢索專利。對于專利群的檢索，要將檢索條件放寬，以保證專利數據的全面、準確。確定一個好的關鍵詞對后續的規避研究是至關重要的。

3)初步篩選專利。得到專利數據后，經過初步閱讀專利題目、摘要等信息，篩掉與技術主題不相關的專利，得到要分析的專利數據。

4)利用技術成熟度預測判斷目標技術所處的階段。通過技術成熟度曲線判斷目標技術處于嬰兒期、成長期、成熟期和退出期[14]中的哪個時期，然后做出相應的決策，指導后續專利規避設計的進行。

5)利用IPC-技術-功效圖確定核心專利群的范圍。根據專利群畫出IPC-技術-功效三維圖，如圖2所示。3個參量中兩兩坐標交互的平面分別表示其中2個參量坐標之間的關系，對專利群中目標專利的確定起到輔助作用。通過圓球體積表示3個坐標交叉點的專利數量，一般選擇技術密集區進行規避，原因是這里通常是技術主流區，目標技術容易實現，但也不排除例外，如果技術密集區無法進行規避，相應選取技術稀疏區進行方案的創新設計。

圖2 專利的國際專利分類(IPC)-技術-功效三維分析圖

6)確定核心專利。將步驟4)圈定的專利范圍進行閱讀，按傳動、動力、執行和控制分為4類，根據目標技術側重的一類進行分析，確定核心專利組。

7)確定目標組件，得到規避對象。確定分析組件時，首先結合目標技術的側重點確定專利實現目標技術的部分，從而確定需要分析的組件。利用組件功能得分法將組件進行打分，選取其中得分最高的組件作為目標組件。

組件的功能按照有用性分為有用功能與有害功能[15]，其中有用功能又可以分為充足有用功能、不足功能和過度功能。充足有用功能產生的效果優于不足功能和過度功能的，不足功能和過度功能優于有害功能。針對實質相同但在每一專利中表達不同的元件，統一用某一專利中的特定名詞表達該結構[16]，在此利用類組件表達同一性質的組件，因此組件功能得分規則如下：

①充足有用功能、不足功能、過度功能和有害功能相應分數分別為1、0、0和-1。組件得分統計表如表1所示。

②組件相同且功能相同的組件是同一類組件。

③功能相同的組件是同一類組件。

④統計組件對應的類組件個數，與其他組件功能均不相同的組件其類組件個數定為1，類組件得分等于組件得分乘以其對應的類組件個數，最終確定全部類組件得分。

根據組件功能得分法建立4個專利的組件功能得分表，然后按照類組件得分依次選擇規避對象，確定目標組件。由表1可知，得分最高的組件為組件A2、C3，其為同一類組件，因此將組件A2、C3作為規避對象。

表1 組件得分統計表

8)判斷目標組件是否符合要求，確定規避對象。結合目標技術等方面分析目標組件，如果符合要求則目標組件為最終規避對象，如果目標組件不符合要求，則重新分析目標技術，利用步驟1)進行重新確定。

以專利群為目標的規避對象設計流程分為3個部分：①根據技術主題得到初步專利數據，篩選專利數據，得到專利群數據；②通過IPC-技術-功效圖和傳動、動力、執行和控制這4類得到核心專利群；③通過組件功能得分法確定專利群的規避對象。專利群的規避設計可以反映一個技術領域的研究現狀，判斷當前該技術領域所處的時期，根據所處的時期做出相應的決策，通過專利群的分析可以看出核心技術與組件之間的關系，同時判斷當前技術的發展方向。

2 面向水平鉆機專利群規避目標的確定

根據統計數據顯示，我國的水資源總體積約為3×108m3，居于世界第6位[17]，但是我國人口數量巨大，人均水資源占有量低于世界人均占有量，再加上水資源污染、地域水資源不平衡等問題，決定了我國是一個水資源不足的國家。 面對眾多的水資源問題，地下水的開采顯得尤為重要。目前開采地下水比較有效的方式是輻射井。作為一種新型井型，輻射井解決了眾多水資源利用問題。輻射井開采中最重要的設備是輻射井水平鉆機[18]。目前關于輻射井水平鉆機的專利越來越多，此類鉆機產生的經濟價值是不可忽視的，而如何在目前輻射井水平鉆機專利群中設計一種新型鉆機成為眾多裝備公司急需解決的問題。根據專利群中規避目標的確定流程，對關于輻射井水平鉆機專利群的規避目標確定如下：

1)通過數據調查、市場調查和行業調查等分析確定需要規避的專利技術是輻射井鉆井技術。

2)結合輻射井鉆井的技術特點，在專利中嘗試搜索，最終確定要搜索的關鍵詞為“水平鉆機”，所選的專利搜尋地區為中國。在專利檢索平臺SOOPAT中檢索專利，最終檢索到78項專利。在檢索專利數據的過程中，也需要考慮國際專利在目標技術方面的研究現狀，SOOPAT比較適合搜索、分析中文專利，外文專利通過中華人民共和國國家知識產權局進行檢索，通過分析確定將國際專利搜索關鍵詞確定為“horizontal drilling rig”，在發明名稱中輸入搜索關鍵詞，檢索到6項專利，其中國際專利3項，專利號分別為DE:102011013112:A、DE:10206646:A和SU:3668882:A。

3)在檢索到的國際專利中，3項國際專利的同族專利數量均為1，同族專利數量為1的專利是在同一個國家或地區申請的，因此3項國際專利均未在我國進行申請，且3項國際專利均與輻射井水平鉆機技術不直接相關。通過查詢結果發現，國際專利對輻射井水平鉆機的研究不多，再加上專利具有地域性的特點，專利規避設計規避的是某一國家或地區的專利，因此在水平鉆機專利群規避設計的過程中不將國際專利列為規避范圍之列，只需要規避分析國內的水平鉆機專利群。針對檢索到的國內水平鉆機專利群的數據，通過初步閱讀專利名稱、摘要，對專利群數據進行初步篩選，得到關于鉆井工藝方法的專利數為4，與鉆井直接相關的專利數為25，因此共得到目標專利群的專利數為29。

4)針對目標技術進行技術成熟度預測。根據目標專利群的專利，對目標技術進行技術成熟度預測，水平鉆機的技術成熟度預測結果如圖3所示。由圖可知，目標技術目前處于成長期。處于成長期的技術需要進行進一步戰略創新，在原有技術的基礎上，開發新技術，側重申請發明專利，從而實現專利規避設計。

圖3 水平鉆機的技術成熟度預測圖

5)利用水平鉆機的IPC-技術-功效三維圖確定核心專利群的范圍。 通過分析專利群數據，可得水平鉆機的IPC-技術-功效三維圖，如圖4所示。 由圖可知，進入核心專利范圍的專利數為4，專利號為CN20 1410648500.6[19]、CN201420683919.0[20]、CN201610366873.3[21]和CN20162050737 5.1[22]。

6)確定核心專利。通過分析，這4個專利是雙申專利，即發明專利與實用新型同時申請，因此只須分析發明專利或實用新型中的一種，即共分析2個專利，這2個專利的專利號為CN201420683919.0、CN2016205 07375.1。通過分析，這2個專利都側重動力部分，而目標技術也是側重如何增大水平鉆機的動力，提高鉆頭的鉆進能力，實現更好地鉆井，因此這2件專利為核心專利。

7)確定輻射井水平鉆機專利群的目標組件，得到規避對象。分析閱讀專利CN201420683919.0(專利A)和CN2016205073 75.1(專利B)，在這2個專利中，均通過液壓裝置提供動力，但2個專利側重點并不在動力提供方面，而是側重于如何高效實現鉆井，即鉆井過程中的執行部分，目標技術對應的也是如何實現輻射井水平鉆井。將專利中關于水平鉆井執行部分的組件挑選出來，然后根據組件功能，并結合組件功能得分法對組件進行打分。 核心專利的組件得分見表2。 由表可知，得分最高的類組件為旋轉動力頭與動力頭，得分均為4分，因此目標組件為水平鉆機中具有旋轉、鉆進功能的組件。

X軸(IPC)：1—E21B7/04；2—E21B3/00；3—E21B7/02；4—E21B7/18；5—E21B15/02；6—E21B7/00；7—E21B17/00；8—E21B19/14；9—E02D5/46；10—E02D19/10；11—E21D9/10；12—E02D3/12；13—B66C23/18；14—F15B1/26；15—F16P7/00；1—15均為專利的IPC分類號；Y軸(技術)：1—轉向機構；2—沖擊機構；3—拆卸機構、鉆進機構；4—導向裝置、清除裝置；5—液壓動力、鉆進機構；6—導向架行走機構；7—液壓高壓空化射流；8—支撐機構；9—豎井裝置、水平進水管；10—滑筒結構；11—托桿機構；12—高壓噴射液漿生成水平旋噴加固體；13—減壓式雙液水平旋噴技術；14—水鉆跟進管棚施工；15—鉆孔、加固；16—自卸吊裝置；17—液壓改進裝置；18—液壓保護系統；Z軸(功效)：1—提高效率；2—提高鉆進效果；3—提高安全性能、施工質量；4—結構簡單，提高空間利用率；5—提高輻射井成功率。圖4 水平鉆機的國際專利分類(IPC)-技術-功效三維圖

表2 核心專利的組件得分

8)經過分析，目標組件是輻射井水平鉆機中的核心組件，對規避輻射井水平鉆機專利群有重要意義，因此確定規避對象為水平鉆機中具有旋轉、鉆進功能的組件。

為了標準地描述沖突，在眾多專利分析的基礎上，TRIZ給出39個通用工程參數，而為了解決沖突，TRIZ給出40條發明原理。39個通用工程參數與40條發明原理構成Altshuller矛盾矩陣[23]。根據目標組件的功能及其對整個技術系統產生的影響，分析可得目標組件的功能雖為充足有用功能，但也存在不足，目標組件在增加了旋轉功能后，優化的是力，而劣化的參數是裝置的復雜性，通過查詢Altshuller矛盾矩陣表[23]，對應發明原理26(復制)、35(參數變化)、10(預操作)和18(振動)，選取發明原理35(參數變化)解決問題，即改變物體的物理狀態。在水平鉆機鉆進的過程中，通過目標組件為鉆頭提供鉆進動力與旋轉動力，實現鉆機的鉆進功能。參數變化可以改變目標對象的物理狀態，如氣態、液態和固態。采用目標組件與鉆頭合并的思路進行規避方案的設計，即通過一種裝置來實現目標組件與鉆頭的功能。目標組件與鉆頭明顯為固態，將目標組件與鉆頭由固態變為液態，即將固態鉆進裝置變為液態鉆進裝置，通過查詢資料可知，目前存在水刀切削[24]，鉆機鉆進的動力與鉆進功能可通過水刀裝置提供，從而完成鉆機的鉆進功能，因此，采用水刀鉆進裝置進行初步規避方案的設計。

3 結語

1)本文中主要研究專利群的規避設計，在以往的研究中，規避專利群時往往選取技術空白點或者某聚類的空白點進行規避設計，本文中在以往研究的基礎上，通過建立專利群的IPC-技術-功效三維圖縮小核心專利范圍，再通過分類分析確定核心專利。該方法不僅適用于在技術空白區或稀疏區確定核心專利，同時也可以在技術密集區圈定核心專利。

2)應用組件功能得分法確定核心專利中的核心組件，根據目標組件的選定原理確定需要規避的目標組件，并結合TRIZ進行新方案的設計。

3)結合輻射井水平鉆機的專利群，應用IPC-技術-功效三維圖和組件功能得分法對本文中的研究方法進行驗證，得到了待規避的目標組件，并結合TRIZ得到了規避設計的新方案。

4)目前專利規避設計的過程中存在主觀性，如何利用大數據、人工智能和機器人深度學習等技術減少分析過程中的主觀性是后續研究的重點。