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(济南大学 a.机械工程学院, b.水利与环境学院，山东 济南 250022)

当前，在“一带一路”背景下，由于沿线国家法律制度复杂多样，知识产权发展指标偏低，因此如何在“一带一路”沿线国家布局因地制宜的知识产权战略方案，成为我国企业开拓海外市场亟待研究和解决的问题[1]。专利规避设计是知识产权战略的重要组成部分。为了弥补单个专利专有权有限性的缺陷，应对“专利丛林现象”，避免侵权诉讼，确保专利设计自由，越来越多的企业将关注的焦点从单个专利转移到专利群[2]，因此，对专利群规避设计的研究越来越急迫。规避专利群要找到专利群中的核心专利。核心专利是在某一技术领域中处于关键地位、对技术创新具有突出贡献、对其他专利或技术有重大影响且有重要经济价值的专利[3]。

目前，对专利规避设计的研究很多。Li等[4]围绕开发一个或多个专利技术特征的问题识别过程，设计基于发明问题解决理论(theory of invention problem solving，TRIZ)的问题求解工具，解决了规避设计问题。周炜程[5]设计了核心专利的规避设计流程，通过建立专利摘要表、智能矩阵表找出待规避的专利群。功能剪裁作为TRIZ的一种创新设计方法，可提高产品理想度以实现产品创新设计[6]。Kim等[7]将TRIZ和六西格玛设计相结合，利用TRIZ中功能裁剪的方法对现有汽车的发动机、雨刷器等进行规避设计。Hung等[8]提出从专利检索获取相关专利到利用功能种类确定核心技术元件，再到借助TRIZ工具进行规避的专利规避设计流程。江屏等[9]通过国际专利分类(international patent classification，IPC)聚类分析，确定待规避的专利群，然后利用元件权重分析法确定优先规避的组件。穆秀秀等[10]通过引证分析确定目标专利，然后通过构建目标专利的模块——功能表确定规避范围。利用引证分析、同族专利等指标来确定核心专利具有一定的局限性，专利的被引频次在一定程度上反映了专利在某一领域研发中的基础性和引导性作用，一般来说，申报公开越早的专利，引证频次越高。目前国内专利引证其他专利不是必须标明的，因此部分专利存在引证不明确、不加引证等缺点，导致利用引证次数来判断核心专利存在一定的局限性。同族专利在一定程度上反应了专利的经济价值，因此，同族专利不一定是核心专利。

以往的研究大多通过技术稀疏或空白区进行专利群规避设计，而技术空白区往往是技术实现困难的方向。规避目标组件需要创新理论的指导，而TRIZ是建立在专利分析基础上，通过数据驱动的方式总结出来的用以指导技术创新的方法体系[11]。本文中在技术成熟度分析的基础上，通过IPC-技术-功效三维空间图来缩小专利群中核心专利群的范围，将选定专利群中的专利按传动、动力、执行和控制4个部分分开，根据技术目标的侧重点选取侧重该技术点的专利作为核心专利进行分析，然后根据组件功能得分法建立核心专利的组件功能得分表，根据组件得分确定待规避的目标组件。确定待规避的目标组件后，结合TRIZ进行新方案的设计，从而达到专利群规避设计的目的。

1 专利群中规避目标的确定

在中国特色社会主义建设的新时代，创新变得越来越重要，而知识产权对创新有极大的促进作用，专利规避设计是知识产权的重要组成部分。专利规避设计分为单个专利的规避设计和专利群的规避设计，对于专利群的规避设计除了应用单个专利规避设计的方法以外，还要考虑如何确定核心专利，进而有针对性地进行专利规避设计。

IPC法适合于发明专利领域的知识体系[12]，是目前国际上唯一通用的专利分类方法。通过IPC聚类分析，可以了解一个领域内的技术发展程度及发展趋势。专利技术功效矩阵分析是一种定性分析，该分析适用于特定的专利组合或集群，便于相关技术人员掌握该专利组合或集群的技术分布情况，用于寻找技术空白点、技术研发热点和突破点，以规避技术“雷区”，发现潜在研发方向[13]。专利IPC聚类分析只能了解一类中的发展状况，而无法得到具体技术应用情况。技术功效矩阵分析可以获得技术方面的发展信息；但是得到的是不分类专利的技术情况，无法聚焦核心专利，因此，将IPC-技术-功效结合起来分析将会弥补各方法的不足，对确定核心专利起到促进作用。

通过IPC-技术-功效三维图，可以缩小核心专利群范围，然后选取传动、动力、执行和控制中最重要部分的专利作为核心专利，该方法适用于在技术密集区确定核心专利。如果技术密集区无法规避，同样也可以选取可以实现的技术稀疏区作为目标专利群。通过组件功能得分法确定待规避的目标组件。专利群中规避目标的确定流程如图1所示。

1)确定要规避的专利技术。在进行专利规避设计的过程中，首先面对的是一个泛泛的问题，因此要通过数据调查、市场调查和行业调查等分析确定需要规避的专利技术。

图1 专利群中规避目标的确定流程

2)确定搜索关键词，检索专利。对于专利群的检索，要将检索条件放宽，以保证专利数据的全面、准确。确定一个好的关键词对后续的规避研究是至关重要的。

3)初步筛选专利。得到专利数据后，经过初步阅读专利题目、摘要等信息，筛掉与技术主题不相关的专利，得到要分析的专利数据。

4)利用技术成熟度预测判断目标技术所处的阶段。通过技术成熟度曲线判断目标技术处于婴儿期、成长期、成熟期和退出期[14]中的哪个时期，然后做出相应的决策，指导后续专利规避设计的进行。

5)利用IPC-技术-功效图确定核心专利群的范围。根据专利群画出IPC-技术-功效三维图，如图2所示。3个参量中两两坐标交互的平面分别表示其中2个参量坐标之间的关系，对专利群中目标专利的确定起到辅助作用。通过圆球体积表示3个坐标交叉点的专利数量，一般选择技术密集区进行规避，原因是这里通常是技术主流区，目标技术容易实现，但也不排除例外，如果技术密集区无法进行规避，相应选取技术稀疏区进行方案的创新设计。

图2 专利的国际专利分类(IPC)-技术-功效三维分析图

6)确定核心专利。将步骤4)圈定的专利范围进行阅读，按传动、动力、执行和控制分为4类，根据目标技术侧重的一类进行分析，确定核心专利组。

7)确定目标组件，得到规避对象。确定分析组件时，首先结合目标技术的侧重点确定专利实现目标技术的部分，从而确定需要分析的组件。利用组件功能得分法将组件进行打分，选取其中得分最高的组件作为目标组件。

组件的功能按照有用性分为有用功能与有害功能[15]，其中有用功能又可以分为充足有用功能、不足功能和过度功能。充足有用功能产生的效果优于不足功能和过度功能的，不足功能和过度功能优于有害功能。针对实质相同但在每一专利中表达不同的元件，统一用某一专利中的特定名词表达该结构[16]，在此利用类组件表达同一性质的组件，因此组件功能得分规则如下：

①充足有用功能、不足功能、过度功能和有害功能相应分数分别为1、0、0和-1。组件得分统计表如表1所示。

②组件相同且功能相同的组件是同一类组件。

③功能相同的组件是同一类组件。

④统计组件对应的类组件个数，与其他组件功能均不相同的组件其类组件个数定为1，类组件得分等于组件得分乘以其对应的类组件个数，最终确定全部类组件得分。

根据组件功能得分法建立4个专利的组件功能得分表，然后按照类组件得分依次选择规避对象，确定目标组件。由表1可知，得分最高的组件为组件A2、C3，其为同一类组件，因此将组件A2、C3作为规避对象。

表1 组件得分统计表

8)判断目标组件是否符合要求，确定规避对象。结合目标技术等方面分析目标组件，如果符合要求则目标组件为最终规避对象，如果目标组件不符合要求，则重新分析目标技术，利用步骤1)进行重新确定。

以专利群为目标的规避对象设计流程分为3个部分：①根据技术主题得到初步专利数据，筛选专利数据，得到专利群数据；②通过IPC-技术-功效图和传动、动力、执行和控制这4类得到核心专利群；③通过组件功能得分法确定专利群的规避对象。专利群的规避设计可以反映一个技术领域的研究现状，判断当前该技术领域所处的时期，根据所处的时期做出相应的决策，通过专利群的分析可以看出核心技术与组件之间的关系，同时判断当前技术的发展方向。

2 面向水平钻机专利群规避目标的确定

根据统计数据显示，我国的水资源总体积约为3×108m3，居于世界第6位[17]，但是我国人口数量巨大，人均水资源占有量低于世界人均占有量，再加上水资源污染、地域水资源不平衡等问题，决定了我国是一个水资源不足的国家。 面对众多的水资源问题，地下水的开采显得尤为重要。目前开采地下水比较有效的方式是辐射井。作为一种新型井型，辐射井解决了众多水资源利用问题。辐射井开采中最重要的设备是辐射井水平钻机[18]。目前关于辐射井水平钻机的专利越来越多，此类钻机产生的经济价值是不可忽视的，而如何在目前辐射井水平钻机专利群中设计一种新型钻机成为众多装备公司急需解决的问题。根据专利群中规避目标的确定流程，对关于辐射井水平钻机专利群的规避目标确定如下：

1)通过数据调查、市场调查和行业调查等分析确定需要规避的专利技术是辐射井钻井技术。

2)结合辐射井钻井的技术特点，在专利中尝试搜索，最终确定要搜索的关键词为“水平钻机”，所选的专利搜寻地区为中国。在专利检索平台SOOPAT中检索专利，最终检索到78项专利。在检索专利数据的过程中，也需要考虑国际专利在目标技术方面的研究现状，SOOPAT比较适合搜索、分析中文专利，外文专利通过中华人民共和国国家知识产权局进行检索，通过分析确定将国际专利搜索关键词确定为“horizontal drilling rig”，在发明名称中输入搜索关键词，检索到6项专利，其中国际专利3项，专利号分别为DE:102011013112:A、DE:10206646:A和SU:3668882:A。

3)在检索到的国际专利中，3项国际专利的同族专利数量均为1，同族专利数量为1的专利是在同一个国家或地区申请的，因此3项国际专利均未在我国进行申请，且3项国际专利均与辐射井水平钻机技术不直接相关。通过查询结果发现，国际专利对辐射井水平钻机的研究不多，再加上专利具有地域性的特点，专利规避设计规避的是某一国家或地区的专利，因此在水平钻机专利群规避设计的过程中不将国际专利列为规避范围之列，只需要规避分析国内的水平钻机专利群。针对检索到的国内水平钻机专利群的数据，通过初步阅读专利名称、摘要，对专利群数据进行初步筛选，得到关于钻井工艺方法的专利数为4，与钻井直接相关的专利数为25，因此共得到目标专利群的专利数为29。

4)针对目标技术进行技术成熟度预测。根据目标专利群的专利，对目标技术进行技术成熟度预测，水平钻机的技术成熟度预测结果如图3所示。由图可知，目标技术目前处于成长期。处于成长期的技术需要进行进一步战略创新，在原有技术的基础上，开发新技术，侧重申请发明专利，从而实现专利规避设计。

图3 水平钻机的技术成熟度预测图

5)利用水平钻机的IPC-技术-功效三维图确定核心专利群的范围。 通过分析专利群数据，可得水平钻机的IPC-技术-功效三维图，如图4所示。 由图可知，进入核心专利范围的专利数为4，专利号为CN20 1410648500.6[19]、CN201420683919.0[20]、CN201610366873.3[21]和CN20162050737 5.1[22]。

6)确定核心专利。通过分析，这4个专利是双申专利，即发明专利与实用新型同时申请，因此只须分析发明专利或实用新型中的一种，即共分析2个专利，这2个专利的专利号为CN201420683919.0、CN2016205 07375.1。通过分析，这2个专利都侧重动力部分，而目标技术也是侧重如何增大水平钻机的动力，提高钻头的钻进能力，实现更好地钻井，因此这2件专利为核心专利。

7)确定辐射井水平钻机专利群的目标组件，得到规避对象。分析阅读专利CN201420683919.0(专利A)和CN2016205073 75.1(专利B)，在这2个专利中，均通过液压装置提供动力，但2个专利侧重点并不在动力提供方面，而是侧重于如何高效实现钻井，即钻井过程中的执行部分，目标技术对应的也是如何实现辐射井水平钻井。将专利中关于水平钻井执行部分的组件挑选出来，然后根据组件功能，并结合组件功能得分法对组件进行打分。 核心专利的组件得分见表2。 由表可知，得分最高的类组件为旋转动力头与动力头，得分均为4分，因此目标组件为水平钻机中具有旋转、钻进功能的组件。

X轴(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均为专利的IPC分类号；Y轴(技术)：1—转向机构；2—冲击机构；3—拆卸机构、钻进机构；4—导向装置、清除装置；5—液压动力、钻进机构；6—导向架行走机构；7—液压高压空化射流；8—支撑机构；9—竖井装置、水平进水管；10—滑筒结构；11—托杆机构；12—高压喷射液浆生成水平旋喷加固体；13—减压式双液水平旋喷技术；14—水钻跟进管棚施工；15—钻孔、加固；16—自卸吊装置；17—液压改进装置；18—液压保护系统；Z轴(功效)：1—提高效率；2—提高钻进效果；3—提高安全性能、施工质量；4—结构简单，提高空间利用率；5—提高辐射井成功率。图4 水平钻机的国际专利分类(IPC)-技术-功效三维图

表2 核心专利的组件得分

8)经过分析，目标组件是辐射井水平钻机中的核心组件，对规避辐射井水平钻机专利群有重要意义，因此确定规避对象为水平钻机中具有旋转、钻进功能的组件。

为了标准地描述冲突，在众多专利分析的基础上，TRIZ给出39个通用工程参数，而为了解决冲突，TRIZ给出40条发明原理。39个通用工程参数与40条发明原理构成Altshuller矛盾矩阵[23]。根据目标组件的功能及其对整个技术系统产生的影响，分析可得目标组件的功能虽为充足有用功能，但也存在不足，目标组件在增加了旋转功能后，优化的是力，而劣化的参数是装置的复杂性，通过查询Altshuller矛盾矩阵表[23]，对应发明原理26(复制)、35(参数变化)、10(预操作)和18(振动)，选取发明原理35(参数变化)解决问题，即改变物体的物理状态。在水平钻机钻进的过程中，通过目标组件为钻头提供钻进动力与旋转动力，实现钻机的钻进功能。参数变化可以改变目标对象的物理状态，如气态、液态和固态。采用目标组件与钻头合并的思路进行规避方案的设计，即通过一种装置来实现目标组件与钻头的功能。目标组件与钻头明显为固态，将目标组件与钻头由固态变为液态，即将固态钻进装置变为液态钻进装置，通过查询资料可知，目前存在水刀切削[24]，钻机钻进的动力与钻进功能可通过水刀装置提供，从而完成钻机的钻进功能，因此，采用水刀钻进装置进行初步规避方案的设计。

3 结语

1)本文中主要研究专利群的规避设计，在以往的研究中，规避专利群时往往选取技术空白点或者某聚类的空白点进行规避设计，本文中在以往研究的基础上，通过建立专利群的IPC-技术-功效三维图缩小核心专利范围，再通过分类分析确定核心专利。该方法不仅适用于在技术空白区或稀疏区确定核心专利，同时也可以在技术密集区圈定核心专利。

2)应用组件功能得分法确定核心专利中的核心组件，根据目标组件的选定原理确定需要规避的目标组件，并结合TRIZ进行新方案的设计。

3)结合辐射井水平钻机的专利群，应用IPC-技术-功效三维图和组件功能得分法对本文中的研究方法进行验证，得到了待规避的目标组件，并结合TRIZ得到了规避设计的新方案。

4)目前专利规避设计的过程中存在主观性，如何利用大数据、人工智能和机器人深度学习等技术减少分析过程中的主观性是后续研究的重点。