城市群創新協同網絡模型構建及結構特征研究——以中原城市群為例

尹 翀，丁青艷

（1.齊魯工業大學（山東省科學院）/山東省科技發展戰略研究所；2.山東省計算中心（國家超級計算濟南中心），山東濟南 250014）

1 研究背景

城市群是城市發展的高級空間組織形式，是生產力顯著發展、生產要素不斷集聚、區域界限逐步淡化、并最終實現高度同城化和一體化的城市群體。城市群協同創新是指城市通過網絡化協作與共生實現資源優化整合的狀態。高水平的城市群協同創新網絡能夠高效融合城市比較優勢、集聚創新要素和科技資源。以科學的城市群協同創新戰略不斷優化協同創新網絡效能，對于促進城市經濟一體化與高質量發展，打造區域創新增長極，構建和完善國家經濟內循環體系都具有重要意義。

基于城市比較優勢和創新發展定位，打造高能級的城市群協同創新網絡，無疑是強化城市群協同創新能力和提升城市群創新績效的基礎。城市群協同創新網絡模型構建與優化研究也已經是當前城市群發展戰略研究中的熱點問題。主流研究多從城市的微觀創新主體的作用出發，基于產學研合作創新網絡形態分析視角描述城市群創新協作關系，對協作關系強度，協作主體的角色、層級、維度等協作網絡結構層面的因素進行考察。相關成果重點以城市群內部的創新主體合作專利、合作論文等活動為基礎來描述城市創新聯系，構建城市群產學研創新網絡模型，進而從創新協作網絡結構優化層面探索城市群創新發展路徑，如長三角區域知識合作網絡［1］、長三角城市群協同創新網絡［2］和長江中游城市群知識創新合作網絡［3］等相關代表性研究。有成果進一步將產學研協作網絡映射到城市關系層面，構建了城市之間的創新協作網絡模型，如美國基于生物技術專利合作的城市協作網絡［4］、美國城市群專利合作網絡［5］等。也有成果更深入考察了城市群創新網絡結構特性，如李新［6］等研究了哈長城市群協同創新網絡結構洞與中間人，Lee［7］則采用平均城市協作強度數值為臨界值優化城市協作網絡結構，采用莫蘭指數分析城市創新協作模式，研究了美國城市創新集群空間格局。城市間的創新協同實質應當是體現為知識創造協作關系（如專利共同申報、論文共同發表等）、創新載體建設協作關系（如科技創新平臺、科技創新基地等）、人才合作與交流關系、技術轉移關系（如技術交易涉及的技術轉移與轉化）等的復合關系。單一性質的協作關系維度研究角度的局限性較強，難以刻畫城市間整體性、復雜性的創新協同關系。對此，有成果將城市創新協作的基礎因素納入引力模型，測度城際間的創新關聯關系，構建城市創新引力關聯網絡模型［8-9］。但是創新引力模型將創新要素簡單集成，強調優勢創新要素的自發相互吸引，這種簡化未充分考慮創新因素間的結構復雜作用（如存在強弱協作，優勢互補；弱弱協作，抱團取暖等協作方式）。且產學研協作創新網絡模型和創新引力關聯網絡模型都將城市創新協同行為和過程靜態化處理（以無向網絡模型表達），未能有效描述協同創新的指向性和傳遞性，不能合理揭示城市創新網絡發展演化的動力機制，進而難以在宏觀層面把握城市群創新協同網絡的有效治理與優化路徑。

針對已有研究的不足，本文基于城市創新能力結構耦合視角，采用系統耦合模型描述創新要素的動態結構匹配作用關系，測度城市創新協同度，直接刻畫創新協同啟動方與創新協同匹配方的內在二元性關系結構，構建城市群創新協同網絡模型（synergetic innovation network of urban agglomeration，UA-SIN）。UA-SIN 為有向網絡，分為無權拓撲網絡與加權網絡，內協網絡與外協網絡。進一步基于UA-SIN 的城市中心性、聚集性和相關性分析，分別研究城市創新協同能力（包括發起、匹配和中介能力）、城市創新協同集群和城市創新協同模式等網絡結構特征。最后以中原城市群為例進行了實證分析，并提出幾點研究應用的啟示。

2 建模原理與分析方法

2.1 城市群協同創新網絡模型原理及構建

由于城市創新能力是對創新資源輸送、配置、整合與運用的“技能”，而城市核心創新能力集中體現在優勢性的創新鏈條流程上，城市群協同創新過程是城市創新載體以創新能力為基礎，不斷強化各種創新要素聯系與流程優化整合的自組織過程，從而城市間創新能力稟賦的優化配置是城市群創新協同效應發揮的內在機制。城市創新協同實質是城市群整體創新能力的協調與配置體系，表現為城市基于能力稟賦的創新分工網絡。這種網絡描述了區域內在的“技術流”代謝及創新鏈、產業鏈與價值鏈的綜合集成配置狀態［10-11］。城市創新協同網絡關系則是城市群以系統物質流、知識與技術流、信息流、產品流、人才流等為載體的多元多維創新能力關聯狀態。

城市群創新協同網絡模型（UA-SIN）是描述由城市創新能力結構決定的城市群成員之間創新需求關系與匹配關系的性態及其結構形態，以實現揭示城市群創新協同發展機制與演化動力模式的社會復雜有向網絡模型。UA-SIN 的點表示城市群的具體城市成員。UA-SIN 的邊表示對應城市之間存在創新能力匹配強關系。邊的方向指示創新協同的目標對象城市。入邊城市點表示協同發起方，其功能是評估自身資源與能力條件，闡述創新協作需求，發起創新需求廣播，而在匹配方響應并建立穩定協同鏈接后，基于創新協同鏈接通道實現創新能力的有效輸入。出邊起點城市表示協同匹配方，其功能是對創新發起方的創新需求呼叫進行響應，并基于創新協作通道進行針對性的資源調配與能力輸出。在有向拓撲網絡模型上建立賦邊權網絡模型，邊權重為能力結構匹配度。UA-SIN 整體以城市成員創新能力結構匹配為基礎描述城市有效性的創新協同關系。

2.2 結構特征指標

基于UA-SIN，進行中心性、聚集性和相關性的城市群結構特征分析，研究城市創新協同能力、城市創新集群特征和創新協同模式。

（3）相關性。對于UA-SIN 拓撲網絡，度相關性是指具有不同度值節點間的相關性，i的近鄰平均度為

3 中原城市群實證分析

以中原城市群為例對UA-SIN 構建與結構分析方法進行實證分析。中原城市群規劃范圍包括河南、山東、山西、河北和安徽五省的30個城市，是促進中部地區崛起，輻射帶動中西部發展的核心增長極。本文主要的研究數據來源是《中國城市統計年鑒2019》，五省和相關城市的國民經濟和社會發展統計公報、科技經費投入統計公報、技術合同交易統計公報等，數據期為2018年。由于濟源市部分指標數據難以獲取，實際分析的城市群成員數量為29個。

3.1 協同創新網絡模型構建

借鑒已有成果，并經專家咨詢和反復測試，及考慮數據可得性，選取了描述城市創新能力的基礎投入能力、財政投入能力等8個核心指標。采用因子分析方法經因子提取、旋轉，以方差貢獻率為權重將因子得分加總，獲得了包括創新資源力、創新支撐力和創新載體力的三維城市創新能力結構向量,見表1 所示。

表1 城市創新能力與能力結構指標

基于中原城市群29個地市創新能力結構向量建立UA-SIN 內協網絡見圖1（a）。同時考慮中原五省核心城市（如省會城市、經濟中心城市等）對城市群的影響，將石家莊、唐山、太原、濟南、青島、合肥和蕪湖這7個城市引入，建立外協網絡見圖1（b）（中原城市群外協網絡的外部城市節點用白點表示）。兩個網絡中節點的大小刻畫對應城市的中介度數值大小。

圖1 中原城市群創新協同網絡

3.2 協同創新網絡全局特征分析

中原城市群UA-SIN 主要整體特征見表2 所示。由表2 可見，全局特征比較來看，內協網絡的整體密度、可傳遞性及整體聚集性等關鍵全局指標都明顯高于外協網絡（外協網絡中心化指標數值不存在，表明其中心化趨勢較弱），由此可見，內協網絡內部的聯系程度、協作水平和結構的有序性都強于外協網絡，表明中原城市群整體已經內聚為一個重要的區域創新集團。由圖1 可見，在外協網絡中，外緣城市的中介度水平低，同內部中心城市的創新匹配程度不強。外協網絡的重要的中間人節點都是城市群自有節點。許昌和周口在兩個網絡中都發揮著關鍵聯通橋梁的作用。但是城市群外部創新能力強的區域中心性城市對城市群也具有較明顯的沖擊性。同內協網絡比較，外協網絡中駐馬店、長治和三門峽的城市協同作用與地位上升，而邢臺和鄭州的地位則相對下降。城市群外部城市對內部創新能力強的城市具有一定直接性的創新能力替代效應。

表2 中原城市群創新協同網絡主要整體特征

3.3 中心性與協同創新能力分析

以創新結構向量因子進行綜合，獲得城市創新能力指數。將城市的創新能力指數與中心性的關系進行曲線擬合。從度數上看（圖2），入度與出度同創新能力的關系特征表現明顯不一致。由圖2（a）可見，入度度數同創新能力具有一定的負相關關系。除鄭州外，創新能力較強的洛陽和蚌埠的入度度數低，兩城市的創新協作的啟動能力水平較低。而創新能力較低的邢臺、周口等自身深度融入區域創新鏈協作活動的能力較強，這同兩地具有明確外向型創新需求有關。二者以及其他趨勢線以上且創新能力相對較弱城市，都具有深度嵌入創新網絡的創新能力結構形態，對公共創新平臺、人力資源和關鍵技術等方面的需求定位明確，具備通過創新發起，不斷吸納創新資源，彌補創新短板的較為有效的創新治理機制。而分布于趨勢線下部且低于創新能力平均水平的城市主要是存在創新基礎能力薄弱，承接技術與人才轉移等方面能力配置不強的問題。由圖2（b）可見，整體上城市節點的位置分布較為分散，由出度度數刻畫的城市協同匹配能力同創新能力的關系較為復雜，兩者關系不存在明確變動趨勢。創新能力強的鄭州位于圖右上方，也具有最突出的協同匹配能力，其優勢性的創新資源和創新體系能夠為整個城市群的創新發展提供強大支撐。創新能力也較強的蚌埠和洛陽的自身協同服務能力則不夠強。創新能力較弱的城市被趨勢線分為上下兩部分。上部分的周口、駐馬店等城市的高匹配能力同其具有的特色創新資源和創新比較優勢相關，具備占據創新鏈的特定環節的潛力。而圖左下部的邢臺、菏澤、信陽、商丘等城市創新資源不足，創新支撐能力薄弱，參與創新鏈垂直性專業分工的能力不夠強。

圖2 中原城市群創新協同網絡城市度數與創新能力關系

由圖3（a）可見，從中介度來看，鄭州、周口、長治、阜陽和駐馬店發揮了重要的協同中介和資源傳導的作用，而創新能力較強的洛陽和蚌埠的中介能力則較低。對比圖2（b），周口、駐馬店和長治等城市也在引導城市群外部臨近優質創新資源輸入城市群內發揮著重要作用。鄭州無疑在城市群中具有完善的創新鏈銜接和綜合資源調配的能力，而許昌則具有最強的創新外部中介能力。

圖3 中原城市群創新協同網絡城市中介度及網絡派系

進一步計算全部城市節點的核度，及與其入度與出度對比結構如表3 所示。核度數值0.2 水平以上的城市有9個，0.1～0.2 水平的有9個，0.1 以下水平的有11個。從中心到次中心，再到外緣，整體網絡分成了3個層面。中心位置的9個城市整體的綜合網絡中心化水平最高，創新協同能力最強。這些城市具有如下特征，一是無論入度還是出度都處于中等以上水平，且兩者較為均衡（如宿州、毫州、長治、運城等）。二是入度或者出度有一項的水平比較突出（如鄭州、阜陽出度，周口的入度等）。中原城市群城市創新協同能力的整體性差異就集中體現在UA-SIN 核心-外緣的層級分布結構不均衡性上。

表3 中原城市群個城市的中心度與核度

表3 （續）

3.4 聚集性與創新協同集群分析

由圖4 可見，總體上看，無論是從入度還是出度視角，除了特異性城市（如長治）外，基本趨勢都是C 大于WC，表明高權值處于聚集集群之外，強協同關系尚未成為創新集群內部互動的支撐要素。且兩個圖形的整體都呈現鐘形，表明具有中等協同能力（無論是協同發起還是協同匹配能力）的長治、宿州、鶴壁、三門峽等位于拋物線頂點，具有最強的聚集性。而具有較弱協同發起能力的蚌埠、洛陽、淮北，具有較弱協同匹配能力的邢臺和信陽，及具有較強協同發起能力的邢臺，具有較強協同匹配能力的鄭州和周口等城市的聚集性則明顯處于中等或者下游水平。

圖4 中原城市群創新協同網絡城市聚集性分析

進一步搜索提取中原城市群的內協網絡的強派系（圖3b）。創新集群相互連接的重要切點是具有較高中介能力的長治、周口、三門峽、阜陽、駐馬店等。整體集群明顯分成左右兩大創新子集群體系，右側有5個以阜陽為中心的省際子集群（創新圈）。左側包括以鄭州-周口-許昌為中心的8個河南省內子集群。長治在兩大集群的外部協同中發揮關鍵中介作用，是兩大創新協同集群作用傳輸的重要銜接點。

3.5 相關性與創新協同模式分析

由圖5 可見，從入度度數和出度度數上看，拓撲網絡和加權網絡的城市度相關性都為正，具有明顯的同類匹配特征，即協同能力較強的城市之間更適合進行創新協同。具有最高的度相關度數值的為創新協同能力處于中等水平的城市（度數在8 左右）。發起能力角度上（圖5a），賦權網絡和拓撲網絡度相關性的變動趨勢基本一致（兩條趨勢線高度重合）。而匹配能力角度上（圖5b），兩條趨勢線在出度數值為6 處發生交叉，表明賦權相關度在較低的匹配能力水平上低于非賦權相關度，而當協同能力水平高于臨界值時（度數為6 左右），賦權相關度則高于非賦權相關度，這時高權值分布于大度節點，強強協同的趨勢更加明顯。

圖5 中原城市群創新協同網絡城市度相關性

4 結論與啟示

本文基于城市創新能力結構耦合視角，提出了城市群創新協同網絡的構建及結構特征分析方法。首先，設計城市創新能力的基礎測量指標，采用因子分析方法提取城市創新能力結構和計算綜合能力指數。進一步采用系統耦合指數模型，建立城市創新協同關聯矩陣。依據創新協同關系度的統計分布形態確定強關系度臨界參數，對創新協同關聯矩陣進行掃描過濾，并以強協同關系度為基礎建立城市群創新協同網絡模型（UA-SIN）。同時區分了UASIN 拓撲網絡、賦權網絡、內協網絡和外協網絡等不同形態模型的內涵。在UA-SIN的結構特征分析上，以網絡中心度刻畫城市協同創新能力水平，測度城市創新協同發起能力、匹配能力和協同中介能力；以網絡聚集性描述城市協同創新聚集水平及創新協同集群；以網絡度相關性指標刻畫城市群的創新協同模式。UA-SIN 的結構分析方法在于揭示城市群創新協同發展機制與演化動力模式。并以中原城市群為例進行了實證分析。根據以上研究過程與結果，可得如下結論：

（1）從全局來看，中原城市群內協網絡在多種形態特性上都優于外協網絡，且外部空間強相關中心城市的創新參與程度明顯低于城市群內部城市，表明中原城市群已經內聚為一個具有較獨立創新體系與創新協同機制的系統，但是整體城市結構特征的異質性明顯。

（2）從創新協同能力來看，創新協同發起能力同創新能力具有一定負相關性，一部分創新能力不足的城市具有通過城市群創新資源整合機制提升自身創新能力的條件（如周口、邢臺、信陽等），除鄭州外，其他創新能力較強城市未有效形成能夠主動發起創新資源輸入與創新成果輸出的內在引導與管理機制；創新協同匹配能力則同城市基礎創新能力不存在明顯相關性，除鄭州外，蚌埠、洛陽等同創新能力薄弱城市的主動創新供求對接機制不完善，協同創新能力一般或較低的周口、駐馬店、阜陽等城市則具有較強的，能夠發揮自身創新比較優勢的協同匹配能力，成為整體創新系統的重要功能區塊；鄭州、長治、周口、許昌等城市的中介能力最強，駐馬店、長治和三門峽、許昌等是網絡系統外部協同的有效對接點。

（3）從聚集性與相關性上看，具有中等水平協同發起與匹配能力的城市聚集性最強，整個中原城市群呈現兩大創新城市集群和13個雙向創新圈的典型形態特征，長治在鏈接河南省子群和省際子群上具有特殊地位；度相關的同類匹配特征明顯，無論是拓撲網絡還是賦權網絡，城市間具有“強強聯合”的明顯協同模式，但是在協同匹配的中等能力水平上（度數為6），度相關也出現了一定趨勢變動，這種不均衡因素也需要重點予以考慮。

以UA-SIN 為基礎和參照，可以在對中原城市群城市創新分工體系進行優化方面，獲得如下幾點啟示：

（1）總體上，可以制定以中原城市群綜合科技服務體系（以多層次平臺協作和科技服務業發展培育為中心內容）為支撐的創新協同戰略，不斷促進城市群整體創新體系機制完善。中原城市群綜合科技服務體系建設重點在于對城市群協同創新科技服務發展模式進行頂層設計，打通城市群內協同創新的政策鏈條；突破科技資源語義轉化、創新需求獲取、個性化服務推薦、信用等支撐技術；建立研究開發、技術轉移、檢驗檢測認證、創業孵化、知識產權代理、科技咨詢、科技金融代理、科普等科技服務的特色資源池，設計共享、共用、共建機制；建設具有資源可享、服務可用、難題可解的區域級協作創新服務平臺；并結合地方政府配套支持，在先進制造、生物制藥和新材料等行業或領域開展應用。

（2）圍繞整體實力較強的城市群中心性城市，聚集核心創新要素，注重發揮其創新引領與資源總體協調配置的戰略導向作用。中原城市群中，鄭州的創新能力在城市群明顯具有超強優勢，其綜合協同能力也比較全面。一是依托鄭州的高校、院所和企業的城市群優勢資源，重點布局和建設國家級基礎研發平臺、產業創新平臺、重大成果轉化平臺等，持續打造高端人才聚集洼地和科創高地。二是進一步強化鄭州在中原城市群綜合科技服務體系中的“大腦”作用。可以在鄭州組建集創新信息共享、運行監測、業務聯動、智能決策、科技基礎設施共享、資源調度等功能為一體的智慧創新平臺運營中心。整合接入城市群其他城市的智慧創新協同平臺各業務系統，有效實行多城市協同創新的聯合治理。

（3）促進城市群主要支撐性和外緣性城市同中心城市及相互間強有力的分工協作，發揮其創新協同能力的比較優勢。一是對于創新能力較弱而協同發起能力較強的邢臺、信陽、濮陽等可進一步圍繞其自身重點提升的產業領域（如能源、礦產、機械制造等）建立專業性創新資源需求平臺，為外部創新資源輸入提供重要接口。二是在創新協同匹配能力較強的阜陽、平頂山等建立專業創新資源供給平臺，發揮創新比較優勢（如化工、節能環保等領域）。三是在中介度和聚集度較強的長治、許昌、駐馬店、周口等城市布局并重點發展技術與知識產權轉移、人才服務等中介服務業，以及通過城市群外部資源引進方式建立面向城市集群的研發中介服務業，為城市群提供行業共性技術支持。

總之，UA-SIN 能夠較為深入和生動刻畫了中原城市群創新協同關系和結構特征，有效界定和定量測量了城市創新協同能力，挖掘出創新協同機制與基本模式，并以“創新地圖”形式呈現出創新能力與協同能力的基本態勢與作用趨勢，能夠為城市群創新治理研究與決策提供方法支持。進一步在更有效數據支持基礎上，完善和豐富創新能力指標，并可以同已有的基于微觀創新主體協作網絡的研究進行結合，將雙維度研究結合起來，構建城市-創新主體的城市群創新協同超網絡模型，進行更深入的信息挖掘，基于城市群的區域經濟創新發展提供更好的研究支持。