发明创造名称：一种基于非概率集合理论的有界不确定性大型复杂结构静力响应上下界的评估方法
外观设计名称：
决定号：184210
决定日：2019-07-15
委内编号：1F242514
优先权日：
申请（专利）号：201610035972.3
申请日：2016-01-20
复审请求人：北京航空航天大学
无效请求人：
授权公告日：
审定公告日：
专利权人：
主审员：张千
合议组组长：刘宇儒
参审员：马丽莉
国际分类号：G06F17/50
外观设计分类号：
法律依据：专利法第22条第3款
决定要点
：如果一项权利要求的技术方案相对于作为最接近的现有技术的对比文件存在多个区别技术特征，其中部分区别技术特征被其他对比文件公开且作用相同，其余部分区别技术特征属于本领域的常用技术手段，从而该权利要求的技术方案相对于上述对比文件及常用技术手段的结合不具有突出的实质性特点，不具备创造性。
全文：
本复审请求涉及申请号为201610035972.3，名称为“一种基于非概率集合理论的有界不确定性大型复杂结构静力响应上下界的评估方法”的发明专利申请（下称本申请）。本申请的申请人为北京航空航天大学，申请日为2016年01月20日，公开日为2016年06月29日。
经实质审查，国家知识产权局实质审查部门于2017年10月13日发出驳回决定，以权利要求1不具备创造性为由驳回了本申请。
驳回决定所依据的文本为：2017年09月01日提交的权利要求第1项，2017年02月13日提交的说明书第1-11页、说明书摘要，申请日2016年01月20日提交的摘要附图、说明书附图第1-3页。驳回决定的理由是：权利要求1和对比文件1的区别特征在于：（1）基于克莱姆法则，建立有界不确定性大型复杂结构静力响应求解模型；（2）采用主元素高斯消去法将子模型的顶点刚度矩阵进行按行交叉划分，编号为i(i＝0,1,…,p-1)的处理器含有顶点刚度阵的第i,i p,…,i (d-1)p行和顶点载荷向量的第i,i p,…,i (d-1)p个元素，顶点刚度矩阵按行交叉划分表示为：
式中，p为处理器数，n为顶点刚度矩阵的阶数，d＝[n/p]，[x]为取大于或者等于x的最小整数。(3)步骤一和二中具体参数表示和求解模型，以及将步骤四求得的全部子模型的解进行比较的具体情况。但上述区别特征（1）被对比文件2公开，区别特征（2）属于本领域的常用手段，区别特征（3）属于本领域技术人员对计算规则的人为设定，因此，权利要求1不具备专利法第22条第3款规定的创造性。
驳回决定中引用了两篇对比文件：
对比文件1：“不确定结构区间特征值上下界的并行解法”，张旭等，《北京航空航天大学学报》，第33卷第9期，第1128-1130页，公开日为：2007年09月30日；
对比文件2：“非确定结构系统区间分析的泛灰求解方法”，吴晓等，《计算力学学报》，第20卷第3期，公开日为：2003年06月30日。
驳回决定所针对的权利要求书的内容如下：
“1. 一种基于非概率集合理论的有界不确定性大型复杂结构静力响应上下界的评估方法，其特征在于实现步骤如下：
步骤一、将结构中的有界不确定性参数表示为不确定性参数区间顶点的线性组合，有界不确定性参数是以区间形式表示的不确定性参数；
步骤二、将不确定性参数的变化区间作为参数的约束条件，基于克莱姆法则，建立有界不确定性大型复杂结构静力响应求解模型；
步骤三、将步骤二建立的有界不确定性大型复杂结构静力响应求解模型分解为一系列子模型，得到一系列无约束条件的结构静力响应表达式；
步骤四、采用并行算法求解全部子模型，得到全部子模型的结构静力响应；
步骤四中可采用两种并行算法，第一种并行算法为主从模式的纵向并行算法，主处理器用于将一系列子模型分配给不同的从处理器，并接收从处理器的结果数据，从处理器接收发来的数据后独立求解子模型，并将结果数据发送给主处理器；
第二种并行算法为横向并行算法，采用主元素高斯消去法将子模型的顶点刚度矩阵进行按行交叉划分，编号为i(i＝0,1,…,p-1)的处理器含有顶点刚度阵的第i,i p,…,i (d-1)p行和顶点载荷向量的第i,i p,…,i (d-1)p个元素，顶点刚度矩阵按行交叉划分表示为：
式中，p为处理器数，n为顶点刚度矩阵的阶数，d＝[n/p]，[x]为取大于或者等于x的最小整数；
步骤五、将步骤四求得的全部子模型的解进行比较，得到结构静力响应的上界和下界，同时给出取得上界和下界对应的结构参数；
其中，步骤一中有界不确定性参数表示为：
式中，j1,j2,…,jn＝1,2,…,n为结构刚度矩阵中的有界不确定性参数，fi,i＝1,2,…,n为结构载荷向量中的有界不确定性参数，和fiv,v＝1,2,…,m分别为有界不确定性参数和fi的区间顶点，n为顶点刚度矩阵的阶数，m为有界不确定性参数的顶点数，和为组合项的系数，并且有：
式中，
其中，步骤二中所建立的有界不确定性大型复杂结构静力响应求解模型是以不确定性参数的变化区间为约束条件i,ji＝1,2,…,n，以克莱姆法则表示的结构静力响应为求解列式i,ji＝1,2,…,n，有界不确定性大型复杂结构静力响应求解模型为：
静力响应边界由不等式表示为：
和
式中，i,ji＝1,2,…,n为结构刚度矩阵中的有界不确定性参数，和分别为有界不确定性参数的上界和下界，fi,i＝1,2,…,n为结构载荷向量中的有界不确定性参数，和fi分别为有界不确定性参数fi的上界和下界，为所有顶点解中的最大值，和fip,1≤p≤m为取得最大值时有界不确定性参数的一个顶点，为所有顶点解中的最小值，和fiq,1≤q≤m为取得最小值时有界不确定性参数的一个顶点；
其中，步骤三中对有界不确定性大型复杂结构静力响应求解模型分解时，采用顶点刚度矩阵和顶点载荷向量的组合形式得到子模型，表示为：
式中，u为顶点位移向量，为顶点刚度矩阵，为顶点载荷向量，具体表示为：
式中，或者i,ji＝1,2,…,n，和分别为有界不确定性参数的上界和下界，或者fi,i＝1,2,…,n，和fi分别为有界不确定性参数fi的上界和下界。
其中，将步骤四求得的全部子模型的解进行比较，分为三种情况：
(i)如果子模型的解小于当前静力响应的下界u<>
(ii)如果子模型的解大于当前静力响应的上界则更新静力响应上界和对应的顶点刚度矩阵及顶点载荷向量
(iii)如果子模型的解介于当前静力响应的上下界之间则继续比较下一个子模型的解，直到结束，由顶点刚度矩阵和顶点载荷向量可以获得对应的结构参数，此时，全部解中最大的解i＝1,2,…,n作为结构静力响应的上界取全部解中最小的解i＝1,2,…,n作为结构静力响应的下界ui，同时给出取得上界和下界对应的结构参数。”
申请人（下称复审请求人）对上述驳回决定不服，于2018年01月10日向国家知识产权局提出了复审请求，但未修改申请文件，仅陈述了本申请具备创造性的理由。复审请求人认为：本申请重点解决不确定结构静力响应预测和评估技术，而对比文件1解决不确定结构固有振动特性预测和评估，属于结构动力学问题，两者解决的技术问题不同；本申请首次提出采用不确定性参数区间顶点的线性组合表示结构中的不确定参数，可以给出严格的数学证明以获得有界不确定性结构静力响应的精确边界，在此基础上，提出子模型的建立方法，因此，本申请和对比文件1使用的技术手段不同；本申请解决的是大型复杂结构的静力问题，而对比文件1是针对大型复杂结构系统动力问题，本申请和对比文件1达到的技术效果不同；本申请有很好的工程应用价值，便于集成现有的确定性有限元软件，因此，本申请具备创造性。
经形式审查合格，国家知识产权局于2018年02月12日依法受理了该复审请求，并将其转送至实质审查部门进行前置审查。
实质审查部门在前置审查意见书中坚持驳回决定。
随后，国家知识产权局成立合议组对本案进行审理。
合议组于2019年02月18日向复审请求人发出复审通知书，指出：权利要求1不具备专利法第22条第3款规定的创造性。针对复审请求人在提出复审请求时所陈述的意见，合议组认为：对比文件1公开了对不确定性结构区间特征值上下界的并行解法，其公开了不确定性振动问题中区间特征值的求解方法，也公开了在大多数计算结构位移、应力等结构响应值的数值方法中，将结构响应值表达成对应设计参数的函数来求解，并没有将该解法仅仅限定于解决结构动力学问题上，因此，将该方法模型应用于结构静力中，确定有界不确定性大型复杂结构静力响应上下界，有界不确定性参数使用不确定参数区间顶点的线性组合来表示也属于本领域容易想到的。本申请与对比文件1都采用了并行处理来求解区间特征值上下界，采用了相同的手段，且对比文件1公开了：确定各阶结构固有频率所在的区域有重要的工程意义和理论意义，通过区间扩张理论，得出广义区间特征值上下界定力，用此方法求出的特征值的变化范围要更精确，因此，两者达到了相同的效果。
复审请求人于2019年04月03日提交了意见陈述书，同时提交了权利要求书的全文替换页（包括权利要求第1项）；复审请求人修改了权利要求1。修改后的权利要求书的内容如下：
“1. 一种基于非概率集合理论的有界不确定性大型复杂结构静力响应上下界的评估方法，其特征在于：具体实现步骤是：
(1)将结构中的有界不确定性参数表示为不确定性参数区间顶点的线性组合，根据凸集理论中的克莱因-米尔曼定理，有界不确定性参数表示为：
式中，j1,j2,…,jn＝1,2,…,n为结构刚度矩阵中的有界不确定性参数，fi,i＝1,2,…,n为结构载荷向量中的有界不确定性参数，和fiv,v＝1,2,…,m分别为有界不确定性参数和fi的区间顶点，n为顶点刚度矩阵的阶数，m为有界不确定性参数的顶点数，和λiv为组合项的系数，并且有
式中，
(2)建立有界不确定性结构静力响应求解模型，其基本形式为：
式中，以不确定性参数的变化区间为约束条件i,ji＝1,2,…,n，以克莱姆法则表示的结构静力响应为求解列式，和分别为有界不确定性参数的上界和下界，和fi分别为有界不确定性参数fi的上界和下界，和 的具体表达式为：
和
取可以得到不等式：
即
式中，为有界不确定性结构在参数顶点处的静力响应， 为所有顶点解中的最大值；
对式(7)两边同时乘以可进一步得到：
对式(8)两边同时乘以和λiv，并对v累积求和，可进一步得到：
将步骤一中有界不确定性参数的顶点表达式(1)代入式(9)，可进一步得到：
对式(10)两边同时除以有界不确定性结构静力响应上界由不等式表示为：
即
式中，为所有顶点解中的最大值，为满足约束条件i,ji＝1,2,…,n的结构静力响应；
取按照式(6)到式(12)的实施过程，同样可以得到有界不确定性结构静力响应下界，由不等式表示为：
即
式中，为所有顶点解中的最小值，为满足约束条件i,ji＝1,2,…,n的结构静力响应；
由不等式(12)和不等式(14)可知，有界不确定性结构静力响应的上界和下界必定在不确定性参数的区间顶点上达到，换言之，有界不确定性结构静力响应的上界和下界可以通过顶点处解的最大值和最小值确定；
(3)将步骤二建立的有界不确定性大型复杂结构静力响应求解模型分解为一系列子模型，子模型的基本形式为：
式中，u为顶点位移向量，为有界不确定性结构的顶点刚度矩阵，为有界不确定性结构的顶点载荷向量；
建立子模型时，通过遍历不确定性参数区间顶点的任意组合得到全部顶点刚度矩阵和顶点载荷向量具体表示为：
式中，或者i,ji＝1,2,…,n，和分别为有界不确定性参数的上界和下界，或者fi,i＝1,2,…,n，和fi分别为有界不确定性参数fi的上界和下界，由此可见，一个给定的有界不确定性结构系统，刚度矩阵含有s个有界不确定性参数，载荷向量含有t个有界不确定性参数，其结构静力响应求解模型可分解为2s t个子模型；
(4)采用并行算法求解全部子模型，得到全部子模型的结构静力响应，第一种并行算法为主从模式的纵向并行算法，主处理器用于将一系列子模型分配给不同的从处理器，并接收从处理器的结果数据，从处理器接收发来的数据后独立求解子模型，并将结果数据发送给主处理器；
当结构的刚度矩阵是一个大型稀疏矩阵时，每个子模型的计算量相对较大，从而影响纵向并行算法的性能，此时，选择第二种并行算法实现单个子模型的并行求解；第二种并行算法为横向并行算法，采用主元素高斯消去法将子模型的顶点刚度矩阵进行按行交叉划分，具体为利用顶点刚度矩阵的主行i对其余各行j(j＞i)作初等变换，使得各行之间没有数据相关性。考虑到并行计算中处理器之间的负载均衡，编号为i(i＝0,1,…,p-1)的处理器含有顶点刚度阵的第i,i p,…,i (d-1)p行和顶点载荷向量的第i,i p,…,i (d-1)p个元素，当p个处理器并行求解完一个子模型后执行下一个子模型的求解，直到所有的子模型求解完成，顶点刚度矩阵按行交叉划分表示为：
式中，p为处理器数，n为顶点刚度矩阵的阶数，d＝[n/p]，[x]为取大于或者等于x的最小整数；
(5)将步骤(4)求得的全部子模型的解进行比较，分为三种情况：
(i)如果子模型的解小于当前静力响应的下界u<>
(ii)如果子模型的解大于当前静力响应的上界则更新静力响应上界和对应的顶点刚度矩阵及顶点载荷向量
(iii)如果子模型的解介于当前静力响应的上下界之间则继续比较下一个子模型的解，直到结束，由顶点刚度矩阵和顶点载荷向量可以获得对应的结构参数，此时，全部解中最大的解i＝1,2,…,n作为结构静力响应的上界取全部解中最小的解i＝1,2,…,n作为结构静力响应的下界ui，同时给出取得上界和下界对应的结构参数。”
复审请求人认为：1）本申请解决不确定结构静力响应预测和评估技术，属于结构静力学问题，对比文件1中关于不确定结构区间特征值上下界的求解，解决不确定结构固有振动特性预测和评估技术，属于结构动力学问题，因此，本申请与对比文件1解决的技术问题不同，二者在求解方法上具有本质区别；2）对比文件1未公开结构静力响应上下界的评估方法，而本申请根据凸集理论中的克莱因-米尔曼定理，首次提出采用不确定性参数区间顶点的线性组合表示结构中的不确定性参数，这是不同于对比文件1的新的技术手段，采用该手段能够给出严格的数学证明以获得有界不确定性结构静力响应的精确边界，还首次提出了子模型的概念，为使用确定性有限元软件分析结构的不确定性传播问题奠定理论基础，因此，本申请与对比文件1采用的技术手段不同；3）对比文件1仅适用简单结构的低频振动问题，有限单元法的本质限制了研究对象为低频结构，但是对于静力问题，有限单元法的适用对象不受限，因此，本申请可以解决大型复杂结构系统的静力问题，因此，本申请和对比文件1达到的技术效果不同。
在上述程序的基础上，合议组认为本案事实已经清楚，可以依法作出审查决定。
决定的理由
1、审查文本的认定
复审请求人于2019年04月03日答复复审通知书时提交了权利要求书全文修改替换页（包括权利要求第1项）。经审查，上述修改符合专利法实施细则第61条第1款和专利法第33条的规定。本复审请求审查决定所依据的文本为：复审请求人于2019年04月03日提交的权利要求第1项；申请日2016年01月20日提交的摘要附图、说明书附图第1-3页；2017年02月13日提交的说明书第1-11页、说明书摘要。
2、关于专利法第22条第3款
专利法第22条第3款规定：创造性，是指与现有技术相比，该发明具有突出的实质性特点和显著的进步，该实用新型具有实质性特点和进步。
如果一项权利要求的技术方案相对于作为最接近的现有技术的对比文件存在多个区别技术特征，其中部分区别技术特征被其他对比文件公开且作用相同，其余部分区别技术特征属于本领域的常用技术手段，从而该权利要求的技术方案相对于上述对比文件及常用技术手段的结合不具有突出的实质性特点，不具备创造性。
本复审请求审查决定引用的对比文件与复审通知书及驳回决定中引用的对比文件相同，即：
对比文件1：“不确定结构区间特征值上下界的并行解法”，张旭等，《北京航空航天大学学报》，第33卷第9期，第1128-1130页，公开日为：2007年09月30日；
对比文件2：“非确定结构系统区间分析的泛灰求解方法”，吴晓等，《计算力学学报》，第20卷第3期，公开日为：2003年06月30日。
权利要求1请求保护一种基于非概率集合理论的有界不确定性结构静力响应上下界的评估方法，对比文件1公开了一种不确定结构区间特征值上下界的并行解法，具体公开了以下技术特征（参见第1128-1130页）：当工程结构参数包含不确定因素时，需要讨论不确定性振动问题中广义区间特征值的求解方法，在Deif标准区间特征值求解定力的基础上，通过区间分析，将特征值的上下界分解成2个广义特征值问题进行求解，基于此求解方法的并行分析，给出并行求解算法（相当于基于非概率集合理论的有界不确定性结构特征值上下界的评估方法）；具体为，在大多数计算结构位移、应力、振动频率等结构响应值的数值方法中,将这些响应值表达成其对应设计参数的函数来求解，以区间数学为基础，提出了一种求解区间结构特征值的有效方法：广义区间特征值上下界定理。为提高效率,根据定理求解过程的并行性分析,考虑工程结构固有振动的特征值问题:Ku=λMu（相当于步骤1中，将结构中的有界不确定性参数表示为不确定性参数区间）。根据区间扩张原理得到有界不确定结构振动区间特征值问题的通用区间方差，区间特征值问题的基本在于如何确定以下集合的上界和下界所组成的区间，是刚度矩阵和质量矩阵对
由此可见，权利要求1与对比文件1的区别在于：（1）应用于静力响应；有界不确定性参数表示为不确定性参数区间顶点的线性组合；（2）基于克莱姆法则，建立有界不确定性大型复杂结构静力响应求解模型；（3）步骤4中，如何对并行算法进行选择，以及采用横向并行算法时的具体计算方式；（4）步骤1和2中具体参数表示和求解模型，步骤3中求解模型分解的具体方式以及步骤5中将步骤4求得的全部子模型的解进行比较的具体情况。基于上述区别特征，权利要求1实际所要解决的问题是：应用到何种场景、如何解线性方程组、如何实现横向并行算法以及如何实现模型的建立和参数的计算和求解。
针对区别（1），对比文件1公开了对不确定性结构区间特征值上下界的并行解法，其公开了不确定性振动问题中区间特征值的求解方法，也公开了在大多数计算结构位移、应力等结构响应值的数值方法中，将结构响应值表达成对应设计参数的函数来求解，因此，将该方法模型应用于结构静力中，根据常用的凸集理论中的克莱因-米尔曼定理，确定有界不确定性大型复杂结构静力响应上下界的求解，有界不确定性参数使用不确定参数区间顶点的线性组合来表示也属于本领域容易想到的。
针对区别（2），对比文件2公开了非确定结构系统区间分析的泛灰求解方法，具体公开（参见对比文件2第329-332页）：采用泛灰区间分析法来处理结构静力分析和设计中的不确定性问题，将结构系统中的不确定性参数用区间数来表示，用有限元法建立系统的控制方程，该控制方程就是线性区间方程组，行列式可用于解线性方程组,其中起主要作用的是克莱姆法则。且上述技术特征在对比文件2中的作用也是为了求解结构静力响应。
针对区别（3），针对大型稀疏矩阵，每个子模型的计算量相对较大，影响到纵向并行算法性能时，则选择横向并行算法进行处理，也属于本领域容易想到的；对比文件1公开了使用横向并行算法求解，而具体将哪些计算分配给对应的处理器来进行计算仅是本领域技术人员根据需要的分配方式，属于规则设定，并且该交叉分配方式是本领域技术人员消除相关性的常用技术手段。
针对区别（4）中涉及常规模型方程的建立和参数的计算以及求解的过程，以及求解模型分解方式和具体比较方式属于本领域技术人员对计算规则的常见设定。
因此，在对比文件1的基础上结合对比文件2及本领域常用手段得到权利要求1的技术方案对于本领域技术人员来说显而易见，因此权利要求1不具有创造性，不符合专利法第22条第3款的规定。
3、对复审请求人相关意见的评述
关于复审请求人答复复审通知书时的意见陈述，合议组认为：对比文件1公开了对不确定性结构区间特征值上下界的并行解法，其公开了不确定性振动问题中区间特征值的求解方法，也公开了在大多数计算结构位移、应力等结构响应值的数值方法中，将结构响应值表达成对应设计参数的函数来求解，并没有将该解法仅仅限定于解决结构动力学问题上，因此，将该方法模型应用于结构静力中，确定有界不确定性大型复杂结构静力响应上下界，有界不确定性参数使用不确定参数区间顶点的线性组合来表示也属于本领域容易想到的。本申请与对比文件1都采用了并行处理来求解区间特征值上下界，采用了相同的手段，且对比文件1公开了：确定各阶结构固有频率所在的区域有重要的工程意义和理论意义，通过区间扩张理论，得出广义区间特征值上下界定力，用此方法求出的特征值的变化范围要更精确，因此，两者达到了相同的效果。
因此，复审请求人的意见陈述不具有说服力，合议组不予支持。
基于上述事实和理由，合议组依法作出如下复审请求审查决定。
三、决定
维持国家知识产权局于2017年10月13日对本申请作出的驳回决定。
如对本复审请求审查决定不服，根据专利法第41条第2款的规定，复审请求人可以自收到本复审请求审查决定之日起三个月内向北京知识产权法院起诉。
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