Главная    Конференция     Структурно-патентный анализ технических систем
"ТРИЗ-Конференция - 2007" Список участников и тематика выступлений


Бушуев Александр Борисович, к.т.н., доцент кафедры систем управления и информатики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, преподаватель ТРИЗ в высшей школе свыше 20 лет, научные интересы - математическое моделирование в ТРИЗ, 32 изобретения, E-mail:bushuev@inbox.ru

Чепинский Сергей Алексеевич, к.т.н., ассистент той же кафедры, научные интересы – теория автоматического управления, математическое моделирование, патентная экспертиза, Е-mail: Alaska_kid@mail.ru.

СТРУКТУРНО-ПАТЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

А.Б.Бушуев, С.А.Чепинский, Россия

Предлагаются количественные оценки структуры и конструкции технической системы по патентным формулам изобретений-устройств

Граф-схема формулы изобретения, сила формулы, группа изобретений, S-кривая развития, плотность ядра последовательности изобретений

Структурные схемы в изобретательской практике.

Структурная схема обычно составляется на основании технического задания, т.е. словесного описания, и структурных схем систем-аналогов или прототипа. Она одновременно представляет модель технической системы и модель мышления изобретателя, объясняющего себе и другим работу системы.

Разные типы структурных схем, как и любые другие модели, отличаются уровнем абстракции. По мере повышения абстракции структурные схемы можно расположить в следующей последовательности: конструктивно-функциональные, потоково-информационные [1], структурно-энергетические [2] и веполи [3]. Любая из этих схем представляет собой направленный граф, вершинами которого являются элементы структуры, а ребрами - отношения между элементами.

Структурная схема системы определенным образом связана с функцией, выполняемой системой. Об этом говорят законы развития технических систем. Например, повысить информационно-энергетическую проводимость можно путем включения дополнительных связей; развертывание системы по линии "моно-би-поли" также изменяет структуру системы и т.п. Следовательно, оценивая структуру, можно оценить и качество функции, выполняемой системой, и уровень ее развития. Трудность структурной оценки заключается в необходимости получения тех или иных численных показателей, по величине которых можно сравнивать технические системы.

В тризовской литературе известна работа [4], в которой предлагается структурная оценка системы. В этой работе "устойчивость системы (Р) на качественном уровне пропорциональна соотношению числа внутрисистемных связей () к числу её элементов () и обратно пропорциональна потерям энергии потока () в каждом звене системы". Хотя определение не совсем корректно, так как во многих системах для ослабления колебаний на пути потока энергии ставятся демпфирующие устройства, и чем больше энергии теряется в демпфере, тем выше запас устойчивости системы. Однако ценным является зависимость показателя качества системы от отношения числа связей к числу элементов структуры. Справедливости ради следует отметить, что в следующем абзаце работы [4] указано, что "система тем жизнеспособнее, чем меньше потери проводимого ею потока энергии", т.е. устойчивость заменена на жизнеспособность.

Отношение числа элементов к числу связей структуры подсчитать легко, например, для вепольных структур имеем: для невеполя P=0/1=0, для неполного веполя P=1/2, для полного веполя P=2/3 или P=3/3=1. Однако оценивать потери энергии не просто, необходимо выяснять физический принцип действия каждого элемента. Зато различие потерь энергии задает и различие элементов, т.е. структурный граф получается взвешенным.

Чтобы исключить рассмотрение физического принципа действия, т.е. остаться в рамках структуры (только элементов и связей), можно пойти по стопам Г.С.Альтшуллера и обратиться к первоисточникам, т.е. к описаниям изобретений. Но рассмотреть их с несколько другой, формальной стороны, со стороны патентного права. За более, чем 120 лет, прошедших со времени заключения Парижской конвенции по охране промышленной собственности, международное патентное право выработало эффективный механизм защиты изобретений. Для целей экспертизы, т.е. выявления критериев патентоспособности, описание технической системы формализуется по определенным правилам. Юридическим выражением этого формализма является формула изобретения. Формула изобретения-устройства и полезной модели содержит структурные и конструктивные признаки [5]:

  • наличие конструктивных элементов;
  • наличие связи между элементами;
  • взаимное расположение элементов;
  • форма выполнения элементов или устройства в целом, в частности, геометрическая форма;
  • форма выполнения связи между элементами;
  • параметры и другие характеристики элементов и их взаимосвязь;
  • материал, из которого выполнен элемент или устройство в целом; среда, выполняющая функцию элемента.

Если для описания изобретения используются только признаки первых двух видов (структурные - наличие элементов и связей между ними), тогда в формуле защищается только структура, и можно непосредственно использовать те или иные структурные оценки. В общем виде в формуле замешиваются как структурные, так и конструктивные признаки. В этом случае для структурной оценки необходимо составить структурную схему формулы изобретения.

Структурная оценка силы формулы изобретения-устройства.

Множество признаков, образующих формулу изобретения, обозначим через П. Пусть Пi- один признак устройства, а Пj- другой признак. Для перехода к структурной схеме введем следующее бинарное отношение R между признаками устройства: R ~ "не существует без". Запись Пj R Пi означает, что признак Пj не существует без признака Пi. Следовательно, можно сказать, что признак Пj находится в некотором подчинении у признака Пi. На структурной схеме будем обозначать признаки изобретения вершинами графа, а отношения R между признаками - ребрами графа. Введем ориентацию в графе, обозначив отношения подчиненности стрелками на ребрах. Устанавливая наличие или отсутствие бинарных отношений между всеми признаками устройства, можно построить его структурную схему в виде некоторого иерархического графа.

Рассмотрим пример составления структурной схемы по формуле изобретения "Датчик давления" [6], конструкция которого представлена на рис.1а.

Рис. 1. а) конструкция датчика давления;  б) структурная схема формулы изобретения
Рис. 1. а) конструкция датчика давления; б) структурная схема формулы изобретения

Датчик работает следующим образом. При подаче давления Р в корпус 1 мембрана 2 прогибается и на выходе преобразователя 4 перемещений возникает электрический сигнал, который через усилитель 5 подается на нагревательный элемент 3, установленный на мембране 2. Мембрана 2 изготовлена из металла с памятью формы, поэтому в ней при нагреве возникают упругие силы, возвращающие ее к первоначальному положению и уравновешивающие приложенное давление. О величине давления судят по величине тока нагревательного элемента 3.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий корпус, в котором закреплена мембрана, связанная с преобразователем перемещений, к выходу которого подключен усилитель, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений, он снабжен нагревательным элементом, установленным на мембране и подключенным к выходу усилителя, а мембрана выполнена из металла с деформационной памятью.

Введем обозначения для признаков, характеризующих наличие конструктивного элемента: П1- наличие корпуса, П2- наличие мембраны, П3 - наличие преобразователя перемещений, П4- наличие усилителя, П5- наличие нагревательного элемента. Обозначим признаки, характеризующие связи между элементами: П6 - связь мембраны с преобразователем перемещения, П7- связь выхода преобразователя перемещений с усилителем, П8- связь нагревательного элемента с выходом усилителя. Обозначим признаки, характеризующие взаимное расположение элементов: П9- мембрана закреплена в корпусе, П10- нагревательный элемент установлен на мембране. Наконец, через П11 обозначим признак, характеризующий материал элемента, а именно, выполнение мембраны из металла с памятью формы.

Анализ бинарных отношений между признаками позволяет построить структурную схему формулы изобретений (рис.1б). Особенностью этой схемы является учет бинарных отношений между признаками на соседних уровнях иерархии. Например, мембрана не существует без корпуса, а материал мембраны не существует без мембраны. Следовательно, можно утверждать, что материал мембраны не существует без корпуса. Однако корпус и материал мембраны разделены уровнем наличия мембраны, поэтому учитывать бинарные отношения между корпусом и материалом мембраны было бы избытком.

Граф-схема формулы изобретения может быть использована для оценки силы формулы изобретения. Под силой формулы понимается объем прав, защищаемых формулой. Чем сильнее формула, тем больший объем она защищает. Грубая оценка F1 силы формулы представляется выражением

где n - число признаков формулы изобретения.

Чем больше признаков в формуле изобретения, тем подробнее она описывает изобретение, и тем меньше объем прав, защищаемых формулой. Если бы можно было запатентовать устройство с формулой только из одного признака, он же - название устройства (например, "датчик давления"), то эта формула бы имела максимально возможную силу F1 = 1 и препятствовала защите новых технических решений. Все другие датчики давления не являлись бы новыми, так как прототип - датчик давления как таковой уже есть. Поэтому получить патент на такое изобретение нельзя.

Важно отметить, что корректное сравнение силы формул получается для изобретений, относящихся к одной группе международной классификации изобретений (МКИ), т.е. имеющих одинаковый или близкий индекс МКИ.

При грубой оценке силы F1 формулы изобретения предполагается, что все признаки вносят одинаковый вклад в образование структуры. Однако из рис.16 видно, что вершина графа П2 имеет 4 ребра, вершины П1 и П11 - одно ребро, а остальные вершины - по два ребра. При выпадении из структуры признака П2 структура формулы разрушается сильнее, чем, например, при выпадении признака П11. Поэтому признак П2 является более структурообразующим, чем остальные признаки, а поэтому и более сильным.

Для учета силы признака введем определение силы fi i-го признака как число ребер, принадлежащих вершине Пi графа. Тогда уточненная оценка F2 силы формулы может быть записана в виде

По выражениям (1) и (2) для датчика давления получаем следующие значения силы формулы изобретения

По мнению известного изобретателя Р.К. Энглина хорошо составленная формула изобретения (или ее независимый пункт) должна иметь не более 30 слов. Отсюда и вытекает оценка по количеству признаков в патентной формуле, причем эта оценка характеризует не только техническую систему, защищенную соответствующим патентом, но и уровень мышления изобретателя.

Статистическая оценка развития структуры по формулам изобретений.

Статистическая оценка развития структуры предполагает построение S-кривой развития по патентным формулам группы изобретений, относящихся к одному индексу МКИ. Оценка основывается на определении силы признака в формуле изобретения по частоте его повторяемости в группе. Введем понятие групповой плотности i-го признака в группе из n-штук изобретений,

где ki - суммарное число появлений i-го признака в группе. Тогда плотность группы изобретений будет равна произведению групповых плотностей всех признаков,

Если провести аналогию между развитием группы изобретений и закономерностью развития коллективов [7], то по величине плотности группы можно количественно оценивать уровень развития технической системы. Действительно, если признаки имеют малую групповую плотность, тогда некоторая "средняя" формула изобретения группы (средняя структура и конструкция) еще не "устоялась", группа изобретений еще плохо выполняет главную функцию технической системы, определяемую индексом МКИ. Высокая подвижность признаков говорит о поиске, который ведут изобретатели, что характерно для первого этапа развития по S-кривой. В пределе, когда P=1, можно считать, что техническая система вышла на участок насыщения S-кривой: признаки "закрепились" в средней формуле изобретения группы, структура и конструкция сложились, эффект максимальный.

Так как изобретения имеют дату приоритета, то можно выявить хронологическую зависимость уровня развития технической системы, выбирая для оценки сдвинутые во времени группы изобретений. Удобство такой оценки заключается в том, что она имеет известный количественный предел, равный 1. В этом ее сходство с такими параметрами технической системы, как КПД и коэффициент мощности ("косинус фи"). Оценка же уровня развития по относительным параметрам всегда проще, чем по абсолютным (мощность, скорость, грузоподъемность и т.п.).

Динамическая оценка развития структуры по плотности ядра изобретений.

Рассмотренная выше оценка может быть улучшена, если учесть более тонкую структуру формулы изобретения и отношения между признаками в формуле. По принятой в России при Екатерине II германской патентной системе, формула изобретения состоит из двух частей: ограничительной и отличительной. В ограничительную часть формулы устройства входят признаки, совпадающие у прототипа и нового решения. В отличительной части формулы находятся признаки, отличающие новое решение от прототипа. Закономерен вопрос, как же влияют признаки двух разных видов на процесс развития? Оказывается, по-разному.

Если рассмотреть хронологическую последовательность формул изобретений, в которой каждое предыдущее изобретение является прототипом для последующего, то вероятность "прижиться", закрепиться в последовательности, у ограничительных признаков выше, чем у отличительных. Легко показать [8], что в этом случае для отличительных признаков вероятность прижиться в последовательности не превышает 0.5, в то время, как для ограничительных признаков эта вероятность может доходить до 1. Почему авторы изобретений включают в свои патентные формулы ограничительные признаки? Ведь изобретение без прототипа или пионерное - самое сильное! Потому, что ограничительные признаки образуют ту основу, скелет", который обеспечивает выполнение главной функции, их выбрасывание приводит к неработоспособности устройства. Даже пионерное изобретение имеет, пусть не ограничительный признак, но ограничительную часть, это - название устройства, например, "Датчик давления, отличающийся тем, что....". Название в данном случае задает только функцию, выполняемую устройством.

При переходе ко второму изобретению последовательности, для которого пионерное является прототипом, перед любым отличительным признаком имеется только два выхода: либо перейти в ограничительные признаки второго изобретения, либо выпасть из последовательности. В первом случае частота появления этого признака будет равна 2/2=1, а во втором случае - 1/2=0.5. Единственное, что не может этот признак, это - остаться отличительным.

Совокупность разных ограничительных признаков, входящих в последовательность изобретений начиная с первого до n-го изобретения включительно, назовем ядром последовательности длиной n, где n - порядковый номер изобретения в последовательности, в которой (n-1)-е изобретение является прототипом n-го изобретения. Групповую плотность i-го признака будем определять по формуле (3), где i - количество разных ограничительных признаков в последовательности длиной n, т.е.

Тогда плотность ядра последовательности изобретений длиной n будет определять текущий уровень развития технической системы

Принципиальное отличие оценки (6) от оценки (4) заключается в том, что оценка (6) дает кривую развития последовательности изобретений (предположительно, близкую к S-кривой), а оценка (4) дает только одну точку кривой развития, определяемую датой приоритета хронологически последнего изобретения группы.

Рассмотрим простой пример расчета плотности ядра последовательности длиной n. Пусть в последовательности имеется всего 4 разных ограничительных признака, т.е. i=1,2,3,4. Первый признак (i=1) входит в первое изобретение последовательности и закрепляется в ней. Второй признак (i=2) входит во второе изобретение последовательности и закрепляется в ней. Тогда для последовательности длиной n=1 имеем плотность ядра

Для последовательности длиной n=2 имеем плотность ядра

Аналогично


Для остальных значений n=5,6,7,... получаем итерационные формулы: для групповой плотности признаков

и для плотности ядра последовательности длиною n,

Теоретически при плотность ядра стремится к 1.

Рис. 2.  Аппроксимация расчетной кривой развития структуры технической системы
Рис. 2. Аппроксимация расчетной кривой развития структуры технической системы

Изменение плотности ядра последовательности, построенное по (7), представлено на рис.2 точечным графиком. Здесь же сплошной линией построена аппроксимация точечного графика S-кривой развития. Из рис.2 следует, что первый этап развития структуры технической системы примерно продолжался от 1 до 4 изобретения, от 5 до 12 изобретения структура развивалась на 2 этапе, от 13 изобретения и далее структура находится на 3 этапе развития.

Для моделирования распада ядра после 20 изобретения используется формула (8),

Формула предполагает, что третий и четвертый признаки выпадают из ядра под напором нового, пятого признака, который совместно с осколками старого ядра (первым и вторым признаками) начинает новое ядро новой последовательности изобретений.

Заключение.

1. При оценке структуры и конструкции технической системы по формулам изобретений не рассматривается содержательный смысл технического решения из-за сложности, трудоемкости и отсутствия численных показателей этого смысла. Однако это не означает, что содержательный смысл не присутствует в структурно-патентной оценке. Если техническое решение защищено патентом, то оно обладает новизной, имеет изобретательский уровень (не очевидно для среднего специалиста в данной области техники), и промышленно применимо (т.е. неоднократно воспроизводимо и работоспособно). Таким образом, содержательная оценка проводится государственной патентной экспертизой по единым правилам для всех технических систем.

2. Структурно-патентный анализ также позволяет численно оценить уровень изобретения в последовательности по силе признака, частично или полностью разрушающего старое ядро путем своей малой групповой плотности. Хорошо известно, что S-кривая задает только тренд развития, реальная же кривая содержит скачки относительно тренда. Если плотность ядра на n-ом изобретении резко падает, а затем, при n+1, n+2,... изобретениях, снова поднимается, тогда n-1 изобретение имеет высокий уровень, который тем выше, чем больше падение. Это получается потому, что в n-1 изобретении сильный признак появился в отличительной части формулы, а затем закрепился в ядре последовательности n+1, n+2,... изобретений. Собственно, поэтому он и считается сильным, так как сумел "пробиться" в ядро и там остался.

3. Так как патенты, защищающие техническую систему, появляются обычно раньше ее реализации, то оценка по патентным формулам обладает прогнозирующими свойствами.

4. Патентно-структурный анализ позволяет построить математическую модель эволюции структуры группы изобретений в виде последовательности взвешенных графов, построенных по патентным формулам. Весами признаков в графах могут быть групповые плотности признаков. Математическая модель открывает перспективу структурного синтеза изобретений.

5. Как показывают прикидочные результаты использования структурно-патентной оценки, главным недостатком является малое число патентов или их отсутствие для некоторых технических систем. Многие технические системы защищаются патентами на их подсистемы. Поэтому достоверную статистику не всегда удается установить. Предварительно выход из этой ситуации видится в составлении развивающейся модели технической системы в виде формул изобретений, пусть даже и не запатентованных, но составленных по единым правилам с защищенными техническими решениями, и отражающих ее реально существующую конструкцию на нужный хронологический период.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 06-08-01289-а.

Литература. [к началу]

1. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. М.:Машиностроение, 1988.

2. Голдовский Б.И., Вайнерман М.И. Рациональное творчество. М.:Речной транспорт, 1990.

3. Альтшуллер Г.С. Найти идею. Новосибирск.: Наука, 1986.

4. Королев В.А. О концепции ТРИЗ (чем, собственно говоря, мы занимаемся?) Энциклопедия ТРИЗ, 1998-2000. ( http://triz.port5.com/data/w11.html 2007).

5. Правила составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретение.. М.: ВИНИТИ, 1994. (Сер. Нормативно-методические документы.)

6. Блайвас А.С., Филиппова Н.В., Штыков А.П. Датчик давления. Авт. св-во СССР № 1472773, кл. G01L7/08, 15.04.89. Бюл. № 14.

7. Альтшуллер Г.С., Злотин Б.Л., Зусман А.В., Филатов В.И. Поиск новых идей: от озарения к технологии. Кишинев,: Картя Молдовеняскэ, 1989.

8. Бушуев А.Б., Михайлов С.В., Рюхин В.Ю., Мансурова О.К. Оценка уровня развития технических систем по формулам изобретений // Изв. вузов. Приборостроение.1998. Т.41. № 7. С. 65-68.

Copyright © 2007 А.Б.Бушуев, С.А.Чепинский


Главная    Конференция     Структурно-патентный анализ технических систем