[数据驱动的产品设计]基于复杂网络的专利数据驱动的产品创新设计

为了解决已有专利辅助产品设计研究方面存在的问题,提出了基于复杂网络的专利数据驱动产品创新设计方法。通过构建专利分类号共现网络,结合网络度中心性算法对分类号节点重要性进行评价,找出关键分类号。对分类号相关专利进行分析,并抽取原理知识,利用形态学矩阵构建功能原理映射关系,结合频繁子图中的apriori关联规则算法计算原理组合的支持度,以获取最佳组合方案,同时利用组合方案相关专利提取结构关键词,建立专利结构网络,结合结构洞挖掘关键元件,并开展产品创新设计。以卫浴花洒作为研究实例,找出混合其他物质功能作为设计需求,通过挖掘相关专利的原理,发明了一款带有可调节功能的新型混合花洒,验证该方法的有效性。     

基于创新性评估的机电产品专利知识挖掘系统

为有效挖掘专利中丰富的设计知识辅助机电产品创新设计,设计了基于创新性评估的机电产品专利知识挖掘系统框架,探讨了机电产品专利设计知识的表达方法、创新性评估、及专利知识提取等关键技术的实现策略。通过分析专利设计知识的特点,以专利文献中的动名词短语进行创新层次特征抽取,并利用余弦相似度原理,设计了基于向量空间的专利设计知识创新性评估算法,结合机电产品专利功能知识提取方法,针对性地获取创新性强的专利设计知识。研发了机电产品专利知识挖掘原型系统,并通过油辣椒搅拌器创新设计验证了方案的实用性。     

基于TRIZ与专利分析的产品绿色创新设计方法

为了提高绿色产品的创新设计效率,提出了一种基于TRIZ与专利分析的产品绿色创新设计方法。通过对设计需求提取关键特征,检索相关专利,对专利进行功能、原理知识和结构知识分析,综合评价专利的相关度和创新性以提高专利利用效率。在保证不侵犯现有专利的基础上,利用现有专利进行高效设计,若无相关专利则转化绿色性能参数为TRIZ工程参数,融合TRIZ的创新原理启发设计者得到方案。最后引入TRIZ工具对已有的备选方案进行优化改进并得到最优方案。文章以冰箱的降噪设计为实例,验证了该方法的可行性。     

基于语义关联的专利有害性能知识挖掘研究

为向产品设计过程提供更加丰富的知识来源,进一步获取专利深层信息,提出了基于语义关联的专利有害性能知识挖掘方法。首先,对产品有害性能进行定义和分类,据此对产品专利分布以及语义特点进行分析;其次,结合行业专利全文信息,引入word2vec算法构建文本向量空间,并利用余弦算法计算不同单词的语义距离,进而实现同义词合并;再次,利用词性组合以及依存关系获取行业专利技术背景中有害性能关键词,结合四种分类规则获取结构对象与有害性能的关联关系,并构建有害性能数据库;最后,针对设计方案元件关键词,检索关联有害性能知识,结合频次公式计算元件不同有害性能发生的概率。选择国内花洒产品专利为应用实例,与其他三种算法进行比较,验证了所提方法的可行性及有效性。     

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

专利中蕴含了丰富的设计知识,不同专利设计知识对创新设计的价值不同,对专利设计知识进行合理量化评估能快速有效地帮助设计人员进行创新设计。根据专利方案设计知识的特点,采用动词和名词分别代表专利中的原理设计知识和结构设计知识。通过引入信息熵的概念,提出专利设计知识的新颖度和相容度的量化计算方法。结合形态学分析方法,建立面向复合功能的专利组合方案设计知识创新性优化评估模型。以具有自锁功能的直线驱动机构创新设计为例说明基于形态学矩阵的创新设计过程。对比分析专利数量和设计知识词汇集数量对组合方案创新性评估结果的影响,验证了提出的新颖度和相容度的量化计算方法以及组合方案创新性评估模型的可行性和实用性。     

基于复杂网络的知识驱动产品创新设计

为了在概念设计阶段有效组织并利用设计知识驱动产品创新设计过程,提高设计者产生创新方案的效率,提出一种基于复杂网络的设计知识网络构建及分析方法。根据设计知识在创新求解过程中的应用特点以及功能、行为、结构三层知识的多对多映射关系,建立了设计知识复杂网络模型,在此基础上计算和分析网络关键特征参数、挖掘网络拓扑结构特点、评价知识节点的重要度,最后根据知识间的关联关系划分知识组元,为设计者提供一个扩大且有序的方案论域范围,由此驱动对产品方案空间的多样性、适应性、原创性设计操作,以实现对产品概念设计过程的激励。以发动机的改进设计为例,阐述了发动机设计知识复杂网络对概念设计的驱动过程,验证了该方法的有效性。     

面向创新设计的专利知识库系统研究

专利作为知识的重要组成,是创新设计的重要资源.为了能够给创新设计提供有效的知识支持,从功能、结构和作用原理三个方面研究了专利信息的获取方法和规范描述,进而构建了专利知识库,同时,利用本体的语意检索功能为专利知识库构建了一个有效的检索模块,由此产生了完整的专利知识库系统.该系统对支持设计者进行产品创新具有较大的实用意义.     

专利数据辅助的新产品概念设计方案生成方法

在生成新产品概念设计方案的过程中,企业常缺乏辅助新产品功能描述、分解及创新的设计知识,且存在功能实现技术检索结果可用性不高、难以有效转化为概念设计方案技术特征的问题。为此,提出一种专利数据辅助的新产品概念设计方案生成方法。首先,使用文本相似度算法,检索国际专利分类表中与设计任务相关的分类号文本,辅助描述新产品的主功能。其次,引入C-K理论将下级分类号释义视为K空间中的元素,新产品子功能视为C空间中的元素,通过元素间转化辅助完成主功能分解。再次,结合专利技术成熟度分析和功能创新策略,确定新产品的功能创新方向,并依据共现分类号释义预测新产品的集成功能,辅助实现新产品的功能创新。接着,应用专利文献跨域特征分析模型,引入技术领域融合度的概念,量化专利技术的知识广度和流动性,辅助优选功能实现技术,并利用语义解析技术自动提取专利独立权利要求中的技术特征,辅助生成新产品概念设计方案。最后,将该方法应用于重型汽车底盘预装设备领域的新产品开发,证明了方法的有效性。     

面向功能创新的功能进化、组合与失效研究

功能创新是对功能结构进行优化、更新和重组的过程,是实现产品前端创新的一种有效途径。针对功能创新研究尚属于初步探索阶段的现状,研究功能创新关键使能技术(功能进化与预测技术、功能组合与配置技术、功能失效判定与消除技术),通过功能进化动力分析确定功能进化决定因素,利用专利知识挖掘抽取功能进化定律,基于功能进化定律进行产品功能进化预测,按照功能与功能关系分类进行功能组合,依据功能匹配设计进行功能结构优化,通过功能失效分析与消除过程保证功能结构的可靠性。将功能创新关键使能技术与功能设计过程融合建立功能创新过程模型,并通过CdTe薄膜太阳能电池沉积源创新设计案例验证所建立模型与方法的可行性。     

Research on Function Evolution, Combination and Failure Mode for Product Function Innovation

功能创新是对功能结构进行优化、更新和重组的过程,是实现产品前端创新的一种有效途径.针对功能创新研究尚属于初步探索阶段的现状,研究功能创新关键使能技术(功能进化与预测技术、功能组合与配置技术、功能失效判定与消除技术),通过功能进化动力分析确定功能进化决定因素,利用专利知识挖掘抽取功能进化定律,基于功能进化定律进行产品功能进化预测,按照功能与功能关系分类进行功能组合,依据功能匹配设计进行功能结构优化,通过功能失效分析与消除过程保证功能结构的可靠性.将功能创新关键使能技术与功能设计过程融合建立功能创新过程模型,并通过CdTe薄膜太阳能电池沉积源创新设计案例验证所建立模型与方法的可行性.     

基于TRIZ及功能类比的产品概念设计创新*

介绍了类比源设计与功能类比作用原理,从两者作用原理及发明问题求解理论(Theory of inventive problem solving,TRIZ)的相关性描述得到启发,提出基于TRIZ的类比源设计求解过程模型。首先,借助于所建立的产品功能结构模型,找出用户需求与产品各功能之间的关联性。其次,将用户需求权重值赋予相关的产品各分功能,从而得到产品功能相似度矩阵,再利用Matlab工具对该矩阵进行标准化,这有利于类比源设计与待设计问题之间相关性的定量化表示。最后,构建出一种基于TRIZ及功能类比的概念设计过程模型。以紫外光油烟净化机为例,对其功能类比源设计的功能相似度进行分析,并利用有效价值分析法对所获得的功能原理解方案进行评价,验证了所构建模型的正确性。     

基于预期失效分析的伞型专利组合规避设计

寻求专利保护是企业发展的基本专利战略。一类由互补性专利组成的伞型专利组合是通过挖掘同一产品系统存在或潜在的更多技术问题而形成的具有互补技术特征的系列专利方案,通过更大的专利权利保护范围实现对同一产品系统的全方位保护。预期失效分析(Antucupatory failure determination,AFD)作为在发明问题解决算法(Algorithm for inventive-problem solving,ARIZ)中理想解和冲突的基础上发展起来的失效预测分析工具,成为发现失效问题的一种相对成熟的方法,能挖掘现有的产品系统各方面的问题以及预测尚未发现的问题。提出通过伞型专利组合分析、失效分析、TRIZ工具解决问题、专利性评价四个步骤组成的基于AFD的伞型专利组合规避设计,首先通过对规避对象产品系统进行专利组合分析,标定对象产品系统的专利权利范围,为创新设计设定了界限并提供了研究线索;其次,运用AFD进行失效分析和失效预测,确定系统已存及可能的失效点;再次,通过应用TRIZ方法产生出创造性的解决方案;最后,利用专利实质授权条件评价筛选方案并进行专利申请。应用该流程对一种擦窗机器人进行创新案例分析,形成具有自主知识产权的创新设计方案。     

基于专利知识的机械产品辅助创新系统

为利用专利中丰富的知识辅助设计师进行创新设计,提出基于专利知识的机械产品辅助创新设计的流程,探讨了流程中专利检索、专利预处理、专利知识提取、专利知识辅助创新等关键技术的实现策略.通过基于关联规则法的专利检索技术以及基于分类算法和创新性评估方法的专利预处理技术,可以针对性地获取有利于辅助创新设计的专利.通过提取专利知识结合启发规则构建专利创新设计的启发环境,可以有效激发设计师的创新思维产生创新方案.研发了基于专利知识的机械产品辅助创新设计系统,以具有磁力自锁的液压油缸创新设计实例,验证了系统的实用性.     

基于公理设计的专利规避创新知识挖掘

为了挖掘深层专利知识,对专利文献权利要求书中的技术特征进行分析,以明确专利产品技术系统的各个元件;分析说明书的技术内容和实施方案,确定技术元件之间的相互作用关系,建立专利技术方案的功能模型,在功能模型的基础上构建专利产品的技术(结构)等级树,并根据公理设计"之字形"映射变换映射出专利产品的功能等级树,结合客户需求验证变换过程的准确性。用功能模型指导构建设计矩阵,以保证映射过程的合理性。通过需求域、功能域、结构域间的映射过程还原发明人的技术创新过程,挖掘专利的深层知识,为消化吸收该技术方案并在该方案技术的基础上进行规避设计提供了技术支持。以牛粪烘干机的相关专利分析为例进行专利概念设计知识的挖掘,验证了该方法的有效性。     

构建支持产品创新设计的专利知识库

专利作为一种包含信息最为丰富的知识载体,是支持创新设计的重要资源。通过分析并提取机电类发明专利中采用的科学效应及发明原理作为专利的创新属性,借助功能基和TR IZ原理对其进行规范表达,利用本体技术组织专利知识之间关系,提出了一种支持产品创新设计的专利知识库构建方法,并建立相应的原型系统。设计人员运用语义检索方式可在系统中获得所需专利信息,辅助产生各类多个新颖的设计方案。最后通过水上清洁车设计实例说明。     

面向产品创新设计的专利文本分类研究

为提高专利知识在产品创新设计中的应用价值,以打破思维定势、激发创新灵感,提出了一种面向创新设计的专利文本分类的思路及方法.基于发明问题解决理论(TRIZ),应用文本挖掘和自然语言理解等先进的技术手段,以TRIZ发明原理为分类标准对专利文本进行了自动分类的研究.以美国专利为数据源,将发明原理的知识表示与文本挖掘策略相融合,抽取专利特征信息,建立统一的专利特征表示模型,并使用VC++开发出了相应的软件系统.最后分析了该软件挖掘出的相关专利,对造纸机进行了创新设计,辅助得到了新的原理方案,验证了该方法的有效性.     

基于类比设计的专利知识挖掘算法

为解决发明专利因缺少完善的理论体系和相关技术文献而难以实现技术突破和创新的难题,提出一种基于类比设计的专利挖掘算法。以具有相同特征和相似功能的成熟技术专利为数据源进行文本挖掘,首先,从数据源中提取实现功能和问题解决方案(PSC),建立基于PSC的词频—逆向文件频率(TF-IDF)值的向量空间模型;然后,根据专利文献间的相似度制成基于PSC的专利地图;最后,分别对PSC进行可行性分析,根据分析结果选择合理的方法,用类比的思想进行技术创新。给出了专利知识挖掘应用系统的架构设计,并采用统一建模语言描述了专利挖掘系统的动态执行过程,获得了专利挖掘系统的时序图。应用系统采用关系型数据库MySQL存储数据,运用Java编程语言开发了应用系统,以无线充电技术专利和无线传感技术专利为源数据测试系统。实验结果表明,所提算法比基于专利的类比方法具有更好的时间性能,并能获得更具创新性的创新方案。     

融合设计过程与设计知识的产品概念设计方法

为了开拓设计思路、产生创新产品方案,将设计知识有效融入产品的概念设计过程中,提出一种融合设计过程与设计知识的产品概念设计方法。定义了基于产品—功能—结构的过程模型和知识模型,利用逐层映射行为、回溯映射行为、检索行为和存储行为支持设计过程和设计知识的融合。在产品域,通过基于组合权重的双层灰色关联分析法得到待改进产品的相似产品集;在功能域,使用功能相似度算法和功能操作方法得到新产品功能架构;在结构域,利用形态学矩阵生成多种概念方案,提出基于粗数的逼近理想解排序法,并定义了综合约束指数,对方案进行定性和定量评价、得到最优方案。利用所提方法获得了一种新型美容补水仪的概念方案,从而验证了该方法的可行性。     

基于数据挖掘的产品概念设计建模研究

在产品概念设计过程中，引入数据挖掘技术和方法，提出了基于数据挖掘的全息虚拟产品概念设计模型，开发了数据挖掘工具，建立了面向产品概念设计方案生成的数据仓库；研究建立决策树算法的数据挖掘模型，以支持度为目标，实现从所建立的机械产品库、设计规则库、领域知识库中挖掘相关数据、信息和知识，从而极大地支持机械产品方案创新设计过程。以机床传动机构设计为例，说明了采用决策树方法的数据挖掘模型来实现机械产品概念设计的功能结构映射过程。     

TRIZ理论和功能分析在小家电设计中的应用研究

运用功能分析法与TRIZ理论,研究小家电产品创新设计的流程及方法。利用矛盾矩阵和创新原理,建立小家电产品基于功能分析的物质-场技术模型,分析其标准解和具体解的实现方法,找出小家电产品创新设计的最佳方案,为解决家电产品功能创新设计难题提供解决思路。