基于主成分分析的中國科技創(chuàng)新景氣指數(shù)研究

楊 武，解時宇，宋 盼

(北京科技大學，北京 100083)

1 科技創(chuàng)新景氣指數(shù)構建理論

在科技創(chuàng)新活動中，由于技術周期、產(chǎn)品周期、經(jīng)濟周期的共同影響，科技創(chuàng)新活動存在著循環(huán)機理，因而也具有綜合狀態(tài)。本文認為:科技創(chuàng)新“景氣”狀態(tài)是指科技創(chuàng)新活動繁榮、上升、興旺、發(fā)達的狀態(tài)。而“不景氣”則指科技創(chuàng)新活動蕭條、下降、衰退、停滯的狀態(tài)。科技創(chuàng)新景氣指數(shù)是通過定量的方法，對科技創(chuàng)新活動的狀態(tài)或發(fā)展趨勢進行綜合評價的指標，指數(shù)的高低代表著區(qū)域科技創(chuàng)新的活躍程度。

科技創(chuàng)新景氣指數(shù)構造的理論基礎是創(chuàng)新周期理論。熊彼特認為創(chuàng)新不是連續(xù)均勻地分布在時間序列上，而是時斷時續(xù)、時高時低，有時群聚，有時稀疏，這樣就產(chǎn)生了創(chuàng)新周期。由于歷史上的創(chuàng)新千差萬別，因而周期也有長有短，從而導致了不同時間跨度的創(chuàng)新周期波動。他還根據(jù)創(chuàng)新浪潮的起伏，把各個時期的主要技術發(fā)明作為各個“長波”的標志，劃分了3 個長波，后來的學者相繼證實了這個結論。近期也有學者們研究認為，人類已經(jīng)經(jīng)歷過了5 次創(chuàng)新波，現(xiàn)在正進入第6 次創(chuàng)新波。圖1 反映的是6 次連續(xù)的科技創(chuàng)新長波圖［1］。

圖1 六次創(chuàng)新長波圖

2 中國科技創(chuàng)新景氣指數(shù)構建

2.1 PS 模型指標篩選與數(shù)據(jù)處理

通過查閱中國科技統(tǒng)計年鑒，本文選取了中國從1991—2012年的共40 個年度科技統(tǒng)計指標數(shù)據(jù)，首先通過PS 模型對指標進行初步的篩選。

(1)區(qū)域科技創(chuàng)新的過程維度(P)。根據(jù)創(chuàng)新的過程，可將創(chuàng)新分成投入階段與產(chǎn)出階段。創(chuàng)新投入主要反映區(qū)域內創(chuàng)新主體的投入情況。而創(chuàng)新產(chǎn)出一般分為科技產(chǎn)出和經(jīng)濟產(chǎn)出，分別代表同行認可和市場認可。因此，本文以區(qū)域科技創(chuàng)新系統(tǒng)的過程維度作為指標篩選的一個維度，從創(chuàng)新的投入、科技產(chǎn)出、經(jīng)濟產(chǎn)出以及效率等方面進行指標篩選。

(2)區(qū)域科技創(chuàng)新的結構維度(S)。根據(jù)區(qū)域科技創(chuàng)新系統(tǒng)的定義和結構模型，科研機構、高校和企業(yè)是創(chuàng)新活動的三大主體，但是從單個主體進行創(chuàng)新統(tǒng)計缺乏對區(qū)域系統(tǒng)的整體認識。因此本文區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)的結構維度將從總量、科研機構、高校、企業(yè)等幾個方面進行劃分，從而有效地對指標進行篩選。配合PS 模型，然后根據(jù)數(shù)據(jù)的缺失情況，以及指標的重要性、及時性和波動性，最終選擇了20 個能反映我國科技狀況的指標。對于數(shù)據(jù)中存在的異常值(本文把正常值界定在和缺失值，本文采用均值法或線性趨勢法對其進行修正。

對數(shù)據(jù)進行初步處理之后，由于原序列均是正向指標，不存在正向化處理的問題。但是由于每個指標的量綱不同，會給指標的分析過程造成不必要的麻煩，所以有必要對處理之后的數(shù)據(jù)進行無量綱化，把性質、量綱各異的指標轉化為可以進行綜合的一個相對數(shù)。無量綱化公式如下:

2.2 綜合景氣指數(shù)指標的確定

(1)基準循環(huán)與基準指標的確定。目前國際上通用的有三種景氣循環(huán)，即古典循環(huán)、增長循環(huán)、增長率循環(huán)。但是由于現(xiàn)在我國大多數(shù)科技指標在絕對量上都是增長的，只是增長速度的變化幅度較大，因此本文采用增長率循環(huán)法來構造景氣指數(shù)。景氣指數(shù)體系是基于有關科技創(chuàng)新變量相互之間的時差關系來指示景氣動向的。為了判別指標間的時序性，必須選取一個能反映科技創(chuàng)新狀況的重要指標作為基準，本文選取了專利申請總數(shù)作為基準指標，主要是由于專利較接近創(chuàng)新的商業(yè)應用并且專利數(shù)據(jù)能較全面地反映區(qū)域發(fā)明和創(chuàng)新信息［2］。

(2)科技創(chuàng)新景氣指標分組。對指標進行初步處理之后，要按這些指標與基準指標之間的時差關系劃分為先行、一致和滯后指標組。分組的方法很多，目前采用較多的主要有時差相關分析法、K-L信息量法、聚類分析和谷峰對應法。本文選用K-L信息量法對景氣指標進行分組，K-L 信息量越小，說明真實概率分布與模型概率分布越接近。設基準指標為y={y1，y2，…，yn}。由于任意滿足pi＞0，∑pi=1 的序列p 均視為某隨機變量的概率分布列，因此，對基準指標做標準化處理，使得指標的和為單位1，處理后的序列記為p:

設被選擇的指標x={x1，x2，…，xn}，也做標準化處理，處理后的序列標記為q:

則K-L 信息量可由下式計算:

式(4)中l(wèi) 表示超前、滯后期，取負數(shù)時表示超前，取正數(shù)時表示滯后，l 被稱為時差或延遲數(shù)。L 為最大延遲數(shù)，nl是數(shù)據(jù)取齊后的數(shù)據(jù)個數(shù)。當計算出2L +1 個K-L 信息量后，從這kl值中選出一個最小值k'l作為被選指標關于基準指標的K-L 信息量，即其相對應的延遲數(shù)l' 表示超前或滯后期。考慮到科技創(chuàng)新的具體情況，超前或滯后期不會太長，最多超前或滯后三年，本文取最大延遲數(shù)為3。

按上述方法對所選指標進行分組，得到的結果見表1。

2.3 科技創(chuàng)新景氣指數(shù)構造

實證研究發(fā)現(xiàn)，通過主成分構建的經(jīng)濟景氣指數(shù)與傳統(tǒng)方法得到的變化趨勢完全相同，只是在波動幅度上略有差異。因此本文采用主成分方法來構建景氣指數(shù)。

(1)按照主成分方法確定主成分個數(shù)。在已確定的全部p 個主成分中合理選擇m 個來實現(xiàn)最終的評價分析。一般用方差貢獻率80% 來確定最終的主成分個數(shù)。

(2)計算主成分權重。本文中主成分的權重為每個主成分的方差貢獻率，即:

(3)計算主成分系數(shù)得分。根據(jù)各個主成分的系數(shù)得分，求出每個主成分的線性加權值:

(4)計算初始景氣指數(shù)。對m 個主成分進行線性加權，即得到初始的科技創(chuàng)新景氣值:

表1 國家科技創(chuàng)新景氣指數(shù)的指標構成及權重

(5)調整數(shù)據(jù)，計算最終的科技創(chuàng)新景氣值:

按照上述指數(shù)的構造方法，依據(jù)累計貢獻率大于80%的原則，得到先行指標組的三個主成分，三個主成分的累計貢獻率為81.19%，能較好地反映6 個先行指標的總體變動情況，因此通過這三個主成分來構造中國科技創(chuàng)新的先行指數(shù)。

按照同樣方法計算得到一致指標組的4 個主成分，其累計貢獻率為80.64%，從而能達標8 個指標的大部分信息。將累計貢獻率作為權重，對先行和一致指標組的主成分分別進行線性加權，并以1991年為基準年份，設為100，計算各年份的科技創(chuàng)新景氣指數(shù)。由于篇幅所限，本文只計算先行和一致指數(shù)，結果見表2。

表2 中國科技創(chuàng)新景氣指數(shù)表

用圖形表示如圖2 所示。根據(jù)圖2，依次確定先行、一致指標波峰和波谷所處的時期，結果見表3。

圖2 中國科技創(chuàng)新景氣圖

由表3 可以看出，先行合成指數(shù)的波峰所處時期分別領先于一致合成指數(shù)的波峰1～2 的時間，先行合成指數(shù)的波峰所處時期平均領先一致合成指數(shù)的波峰1.3年;先行合成指數(shù)的波谷所處時期分別領先于一致合成指數(shù)的波谷2～5 的時間，先行合成指數(shù)的波谷所處時期平均領先一致合成指數(shù)的波谷3.2年。同時可看出，波峰和波谷間隔在1～3年之內，意味著科技創(chuàng)新進入相對繁榮期后，1～3年內將進入衰退期。2010年先行指數(shù)處于波谷，2011—2012年先行指數(shù)持續(xù)上升，預示著我國科技創(chuàng)新將觸底反彈，在1～3年內進入繁榮期。

表3 先行、一致合成指數(shù)的峰、谷時期

3 中國科技創(chuàng)新景氣指數(shù)分析及政策建議

3.1 科技創(chuàng)新景氣指數(shù)分析

創(chuàng)新景氣圖形表明先行指數(shù)效果明顯。由1991年開始，先行指數(shù)與一致指數(shù)之間開始發(fā)生先行效果，平均超前為1～2年。從一致指數(shù)的走勢看，中國科技創(chuàng)新景氣劃分為2 個階段:階段1(1991—1995年):大幅震蕩階段。此階段受我國經(jīng)濟影響，由于通貨膨脹居高不下，國家采取宏觀調控政策，科技創(chuàng)新狀態(tài)很不穩(wěn)定。1992年科技創(chuàng)新景氣度達到最高點101.42，隨后出現(xiàn)快速下滑，1994年達到階段最低點97.99，隨后觸底反彈，并于1995年達到100.70。階段2 (1995—2012年):平穩(wěn)波動階段。從1995年之后，我國科技創(chuàng)新進入了一個較平穩(wěn)的波動時期，時間長達15年，始終在100 點上下波動，分別于2004年、2006年、2009年跌破100 點，但隨后又觸底反彈，更證明了2012年科技創(chuàng)新指數(shù)跌破100 后，將于1～2年內快速回升。

從近3年的景氣走勢分析看:①先行指數(shù)處于上行趨勢。2010年先行指數(shù)處于波谷，2011—2012年先行指數(shù)持續(xù)上升，預示著我國科技創(chuàng)新將觸底反彈，在1～3年內進入相對繁榮期。按照先行指標連續(xù)上漲1～3年內將進入下行趨勢的以往慣例，先行指標預計在1～2年內下降。②一致指數(shù)處于下行路徑，科技創(chuàng)新逐漸進入不太景氣的低迷狀態(tài)。在經(jīng)歷了2010年和2011年的景氣狀態(tài)后，景氣指數(shù)于2012年下降到99.95。近幾年國家科技創(chuàng)新景氣指數(shù)呈現(xiàn)下行企穩(wěn)的態(tài)勢。

3.2 一致指標組重點指標變動分析及政策意義

(1)高等教育研發(fā)人員總數(shù)的增速呈現(xiàn)上行趨勢。高等教育研發(fā)人員總數(shù)2012年增速達4.8%，較2011年上升1.5 個百分點。該指標增速自1991—2004年間大幅震蕩，2005年起圍繞5%小幅波動，說明高等教育研發(fā)人員總數(shù)已進入穩(wěn)定階段。該指標的權重超過0.16，在一致指標中占有重要意義，在政策制定時需多加留意。

(2)大中型企業(yè)技術改造經(jīng)費負增長。大中型企業(yè)技術改造經(jīng)費2012年增速下降3.1%，較2011年大幅下降21 個百分點。從歷史經(jīng)驗看，該指標的走勢和一致指標的走勢基本相同，該指標的大幅下滑預示一致指標將下降。而工業(yè)增加值持續(xù)放緩，企業(yè)生產(chǎn)積極性不旺，大中型企業(yè)技術改造經(jīng)費急需制定政策來阻止這項指標繼續(xù)下行。

(3)國外主要檢索工具收錄我國科技論文增速放緩。國外主要檢索工具收錄我國科技論文2012年增速為8.3%，較2011年下降7 個百分點，但該指標自1991年起一直處于頻繁劇烈波動的狀態(tài)，所以該指標的大幅下降不必引起政策制定者的過于關注。

(4)全國技術市場成交合同金額增速大幅上升。全國技術市場成交合同金額2012年增速為35%，較2011年大幅上漲13 個百分點。自1994年起，該指標增速保持震蕩上升趨勢，近幾年增速已達到30%左右，說明技術市場比較繁榮景氣。在制定政策時可以保持監(jiān)管，盡量發(fā)揮市場的能動性和多樣性。

(5)專利申請總數(shù)增速回落。專利申請總數(shù)2012年增速為26%，較2011年下降8 個百分點。自1991 起，該指標大幅震蕩但保持總體向上趨勢，指標的節(jié)點走勢與一致指標非常吻合，二者于2007年、2009年、2011年均是轉折點，所以政策制定者可通過改變該指標走向來達到扭轉一致指標走向的目的。總體來看，該指標需要政策制定者多加關注。

4 結語

本文依據(jù)創(chuàng)新周期理論，將景氣分析與國家科技創(chuàng)新評價體系相結合，建立了反映科技創(chuàng)新活動狀況的時序模型。

(1)由于采用了連續(xù)的22 個年度指標數(shù)據(jù)構建科技創(chuàng)新景氣測度指數(shù)，使得國家科技創(chuàng)新景氣指數(shù)能夠實時反應國家科技創(chuàng)新活動狀態(tài)。采用主成分方法，反映出國家科技創(chuàng)新活動轉折和波動，有助于對我國科技創(chuàng)新景氣狀態(tài)進行測度和監(jiān)測。

(2)先行指數(shù)領先于一致指數(shù)波峰、波谷1～2年和2～5年說明指數(shù)中的各類指標存在時序性，反映了不同創(chuàng)新指標對國家科技創(chuàng)新景氣指數(shù)的測度結果具有的不同時點的影響，有助于我們把握大學科技創(chuàng)新活動的動態(tài)性和規(guī)律。

(3)基于主成分分析的科技創(chuàng)新景氣指數(shù)能預測科技創(chuàng)新景氣發(fā)展的趨勢，這對我國促進經(jīng)濟發(fā)展方式轉變、實現(xiàn)創(chuàng)新型國家戰(zhàn)略具有重要的意義。

［1］Dorothea Seebode1，Sally Jeanrenaud，John Bessant.Managing Innovation for Sustainability［J］.R&D Management.2012，42(3):196-206.

［2］Archibugi D.The Inter-industry Distribution of Technological Capabilities:a Case Study in the Application of Italian Patenting in the USA［J］.Technovation，1998，7:259-274.