上海在全球創新網絡中的地位測度
——來自全球十大創新城市集群的證據

楊翹楚，王佳希

(上海財經大學商學院，上海 200433)

0 引言

近年來，上海在科技創新中心建設上持續發力，申請的國際專利數不斷走高，以上海在美國專利商標局 (USPTO)的專利申請為例，截至2020年底，上海實體共申請16788項專利，2020年上海實體當年申請專利2903項，比2012年的212項，增長超10倍。上海申請的USPTO國際專利中，跨國聯合申請的專利占比達24%，遠高于全球10%和全國16%的水平，創新活動全球化程度同樣不斷走高。在世界知識產權組織 (WIPO)公布的 《2020年全球創新指數》報告中，上海首次躋身 “十大全球創新城市集群”，排名第9。這一系列數據反映了上海在建設全球科技創新中心過程中的不斷突破，但國際專利申請中嚴重依賴國外技術合作，申請的國際專利被引用頻次偏低等問題仍然長期存在。大部分相關文獻囿于數據可得性，對上海城市創新發展的分析局限在線性的數據描述。少數以上海為節點的創新網絡研究，視野被局限在國內，多是探討上海在長三角26個主要城市協同創新網絡中的地位[1-2]。現階段全球創新活動的網絡化特征凸顯[3]，從全球視野實現對上海在創新網絡中的精準定位，對進一步深入推進科技創新中心建設，實現網絡地位突破具有重大現實意義。鑒于此，本文利用Python爬蟲方法，深度挖掘了美國專利商標局 (USPTO)的專利文本，以全球十大創新城市集群中17個城市為網絡節點，構建城市層級的創新合作及互引網絡，計算上海的網絡中心性指標，從城市整體、細分技術領域以及代表性企業3個維度對上海進行精準的網絡定位。在定位基礎上，為上海進一步提升全球創新網絡地位提供豐富的實踐啟示。本研究一方面搭建全球主要創新城市為節點的創新網絡，豐富了創新網絡分析的文獻研究視角，另一方面在全球情境下，對上海在全球創新網絡中的地位進行多維測度，為上海在全球創新網絡中地位的進一步躍升提供可行的對策建議，具有一定的現實啟示意義。

在全球創新網絡的理論闡釋方面，Ernst[4]首次在全球生產網絡的基礎上提出了全球創新網絡的概念，并對創新網絡加以描述。Degbey等[5]從企業視角切入，認為創新網絡是網絡內掌握異質性資源的企業主體之間超越自身組織邊界，從外部獲取技術和創新資源的重要方式。后發理論指出，嵌入全球創新網絡有助于發展中國家通過戰略資源獲取和技術鎖定突破，從而最終實現創新追趕[6-7]。在創新網絡的構建方面，專利的聯合申請和互引在既有文獻[8-9]中被廣泛使用來構建各節點間的網絡連接。在分析方法上，社會網絡分析方法在創新網絡相關研究[10-11]中被廣泛運用。創新網絡構建層級上，既有研究由于數據的限制，多依賴于調研資料，或者局限于某一國家內部，鮮有研究構建的創新網絡能夠突破國家邊界。少數著眼于全球創新網絡的相關研究又多以國家作為網絡節點，尚未將網絡節點下沉到城市層級。殷德生等[2]的研究發現創新網絡參與和地位提升對城市經濟高質量發展和創新產出增長等具有顯著促進作用。

1 研究設計

1.1 研究對象

本研究選取世界知識產權組織公布的 《2020年全球創新指數》報告中，全球十大創新集群中17個城市為研究對象。十大創新集群分別為東京-橫濱、深圳-香港-廣州、首爾、北京、圣何塞-舊金山、大阪-神戶-京都、波士頓-劍橋、紐約、上海和巴黎。利用Python爬蟲技術，從美國專利商標局數據庫中爬取了相關城市的專利文本信息。該數據庫信息質量高，專利文本格式規整，與本研究將上海放在全球創新網絡視角下進行定位的需求相符，在創新網絡相關研究中也被廣泛使用。本文爬取的1976—2020年的專利庫中包含共144995條專利文本，專利文本體現了專利申請時間、IPC技術分類號、申請人、申請城市等豐富信息，能夠充分支撐本文研究主題。

1.2 研究方法

本文運用社會網絡分析方法，對搜集整理的144995條專利信息進行研究。利用UCINET6.186軟件進行網絡指標測算，NewDraw2.084可視化軟件刻畫網絡譜圖。UCINET6.186被廣泛運用在社會網絡相關研究中，可以幫助準確定位參與者的網絡位置與角色[12]。網絡構建上，參考現有學者[8-9]的做法，以十大創新集群中的城市為網絡節點，專利合作以及互引信息為網絡連接，構建本文所關注的全球創新網絡。地位測度上，本文借鑒姜春林等[13]的方法，使用網絡地位測度中常用的點度中心性反映上海在全球創新網絡中的地位。Wasserman等[14]的研究提供了點度中心性的具體算法，并指出點度中心性越高，代表網絡節點的社會關系越多，節點就越重要。

(1)

式中，xij值取0或1，當節點i和節點j存在專利合作或互引關系時，xij取1。具體計算時，本文以專利申請年份為準，構建網絡節點的合作和互引年度鄰接矩陣，用以計算專利合作和互引網絡中，對應節點的網絡中心度指標。

2 上海在全球創新網絡中的地位測度

2.1 城市層級合作網絡中的地位測度及分析

2000—2020年上海與其他城市節點間的合作申請專利總數及其當年占上海所有USTPO專利的比重如圖1所示。數據顯示，上海與全球主要創新城市間的專利合作量及其在上海USPTO專利總量中的占比均呈現出不斷上升的趨勢。這說明，與全球主要創新城市間的創新合作在上海的城市創新活動中地位越來越重要，探究上海與全球主要創新城市間的合作網絡演變，測度上海在其中的地位具有重要現實意義。上海歷年前三大創新合作伙伴的統計結果見表1，由表1可見，隨著時間推移，上海合作關系最密切的伙伴城市逐步向國內城市集中。進一步地，本文根據網絡中心度計算公式，計算了上海在全球創新城市專利合作網絡中的度數中心性指標。2000—2020年期上海在全球創新合作網絡中度數中心性的變動趨勢以及上海度數中心性在17個城市中的排名情況如圖2所示，可以看出，2004年以前，上海的國際專利聯合申請中，還不存在與其他主要創新集群的合作，沒有與其他節點構建有效網絡連接。2003后上海參與到了全球主要創新集群城市的專利合作網絡中，尤其在2012年后，上海在創新網絡中的地位提升十分迅速，在創新合作網絡中占據了相對核心的地位。上海在17個城市中網絡中心度排名也在2012年后加速上升，2015年后穩定在第3的位置，前兩名為國內城市深圳和北京。

在計算度數中心性的基礎上，劃分2000年前、2001—2010年和2011—2020年3個時間段，對以十大創新集群城市為節點的創新合作網絡進行圖譜

圖1 上海與其他城市間專利合作總量及其占比統計

表1 上海歷年前三大專利合作伙伴城市統計

圖2 創新合作網絡中上海度數中心性及其排名年度趨勢

可視化，以更直觀反映創新網絡特征和上海地位的變化。圖譜中，本文在0、1鄰接矩陣反映節點間有無合作關系的基礎上，用兩個節點間合作申請專利數來反映合作的密切程度，分別繪制不包含城市內部合作的單點跨城市網絡圖以及包含城市內部合作的雙點網絡圖。節點間存在連接線時，表明該時間段內節點間存在專利聯合申請記錄。連接線的粗細反映該時間段內節點間累計合作專利數量的多寡，也就是合作的密切程度。節點大小對應節點在網絡中的度數中心性高低。圖3中 (a1)和 (a2)顯示了2000年前的全球主要創新集群專利合作申請情況，從單點圖上可以看到，上海 (方塊形狀節點)在2000年前，孤立在全球主要創新集群城市合作網絡外，國際專利申請中僅僅存在城市內部合作。東京-橫濱集群在2000年前的合作網絡中占據絕對的核心地位。觀測雙點合作網絡圖還可以發現，基本上所有創新集群城市都反映出城市內合作比城市間緊密，同一集群內比不同集群間合作更緊密的特征。

2001—2010年，從網絡圖譜特征來看，相比2000年前，城市間合作越來越密切，上海進入了創新集群間的專利合作網絡，度數中心性也有了明顯提升。上海從沒有跨城市合作到擁有了七個合作伙伴，分別是中國香港、北京、波士頓、劍橋、圣何塞、東京和紐約。舊金山-圣何塞集群網絡地位顯著提升。整體網絡仍然表現出城市內部合作密切程度高于城市間，集群內部合作多于集群間合作的特征。

2011—2020年，上海的網絡度數中心性提升顯著，合作伙伴數量大幅增加，與其余16個城市節點中的15個城市 (除神戶外)都建立了專利合作關系。這10年間上海與深圳的合作最為密切，專利合作更頻繁的國內城市是北京和深圳，國外是紐約和圣何塞，整體上上海在國際專利申請中與國內城市的合作緊密度高于國外城市。整體網絡的密集程度進一步提升，仍然表現出城市內合作比城市間合作更密切的特征，與前兩個時間段不同的是，不同集群間的合作變得更加密切了。隨著時間的推移，上海在全球主要創新集群城市創新合作網絡中的地位不斷提升，合作伙伴數量穩步增長，并且在國際專利申請中相比跨國合作，更多地轉向與國內城市合作。

圖3 全球十大創新集群城市專利合作網絡

2.2 城市層級互引網絡中的地位測度及分析

專利合作網絡中，本文研究發現上海的網絡地位不斷提升，跨國聯合專利申請行為越來越頻繁。進一步，本文構建專利互引網絡，搭建專利間父-子關系，探究上海申請專利時主要依賴國內還是國外的專利技術，申請的國際專利的創新性和質量到底如何等問題，何歡浪等[15]的研究也指出，專利被引次數是衡量專利質量的常用指標。本文用上海申請的專利對其他專利的引用情況來表征上海對其他城市技術的依賴程度，反映在專利互引網絡中就是上海的入度中心性指標。專利創新性和質量方面，采用上海專利被其他專利引用情況來表征，反映在專利互引網絡中就是上海的出度中心性指標。本文首先計算2000—2020年上海在全球主要創新城市集群專利互引網絡中的入度和出度中心性，結果見圖4。需要說明的是，本文用子專利的申請時間確認年份區間，點度中心性指標計算方式與合作網絡類似，不同之處在于互引網絡是有方向的。具體而言，當i為子專利節點時，其度數中心性反映的是互引網絡中的入度中心性。當i為父專利節點時，其度數中心性反映的是互引網絡中的出度中心性。

圖4 專利互引網絡中上海出入度中心性年度變化趨勢

從圖4的測算結果可以看出，上海的點入度中心性一直維持著比較高的水平，說明上海申請的國際專利中，有大量專利引用了其他16個城市的專利，對其他城市專利的技術依賴性比較強。再看上海被其他城市引用的情況，隨著時間的推移，上海在專利互引網絡中的點出度中心性呈快速提升趨勢，全球十大創新集群中越來越多其他城市的專利在申請時引用了上海的專利技術，這反映了上海在專利互引網絡當中地位和專利質量的提升。結合圖5對上海點入度和點出度中心性的排名，橫向比較不同城市后可以發現，在2012年前，上海的點出度排名在中后甚至墊底的位置，而點入度則一直穩定在前3位，說明上海在專利技術水平上很長時間處于 “跟隨者” “學習者”的角色，專利技術對其他城市的輸出非常有限。但自2012年后，上海的點出度排名躍升明顯，點入度排名有輕微下滑。這說明，近年來，上海不再是僅僅充當 “跟隨者”的角色，開始與其他城市間形成 “你中有我” “我中有你”的互引網絡格局。與北京和深圳相比，上海國際專利的質量還存在一定差距，北京和深圳自2015年后點出度穩居前列，深圳更是多年居第1位。

圖5 專利互引網絡中上海出入度中心性排名變動

為了更直觀反映上海在專利互引網絡中的地位變動，本文對互引網絡同樣進行了可視化處理，網絡圖譜見圖6。圖中方塊形狀的節點為上海，節點大小反映點出度中心性高低，箭頭指向節點表示節點對其他節點的專利引用，指出節點表示節點專利被其他節點引用，連接線粗細反映節點間互引關系的密切程度。2000年前，上海的點出度中心度較低，低于所有海外城市，與國內城市對比僅低于香港但高于廣州、深圳和北京。從圖6中連接線粗細還可以發現，上海引用橫濱、圣何塞和東京的專利最頻繁，國際專利申請主要依賴這3個城市的專利技術。除上海外，其他國內城市節點的國際專利申請也存在較強的國外技術依賴，尤其依賴東京、紐約等創新節點的專利技術。這個階段的上海在全球主要創新集群專利互引網絡中處于邊緣地位，所申請的國際專利創新性和質量不高，存在較強的國外技術依賴。東京、橫濱以及圣何塞等城市占據了互引網絡的核心地位。與同時間段的合作網絡對比看，全球主要創新節點間專利技術互引網絡密度遠高于合作網絡密度。另外，屬于同一集群內的創新城市節點間并沒有展現出更為密切的專利互引關系，但同一集群內節點在互引網絡中的點出度中心性密切相關。例如，東京和橫濱市在互引網絡中均占據了核心的地位，而同屬一個集群的深圳、香港和廣州三市點出度中心性都較低。

2001—2010年，上海依舊在創新網絡中充當 “跟隨者”角色，國際專利申請中對東京、舊金山和圣何塞3座城市技術依賴度最高，與國內城市間的專利互引關系依然較為疏遠。2011—2020年，全球十大創新集群城市組成的專利互引網絡格局發生了較大變化，上海的網絡點出中心度提升顯著，不再僅僅充當 “追隨者”角色，申請的專利開始被更多城市引用。上海、北京和深圳等國內城市的互引關系變得更密切，但同時上海對東京和圣何塞等海外城市的技術依賴度仍然較高。目前，在美國為首的發達國家對中國采取不斷加碼技術管制的背景下，上海需要進一步加強與國內主要創新節點城市的合作和互引關系，逐步降低對國外城市的技術依賴，以抵御發達國家的技術封鎖。比較各城市節點的大小還可以發現，全球十大創新集群城市由一開始的少數城市掌握技術優勢，其他城市充當 “跟隨者”的格局逐步向各創新集群 “我中有你” “你中有我”的網絡格局轉化。

(a)2000年前 (b)2001—2010年 (c)2011—2020年圖6 全球十大創新集群城市專利互引網絡

2.3 細分技術領域子網絡中上海的地位測度及其分析

細分技術領域子網絡分析中，本文選取與集成電路密切相關的技術領域，對上海的網絡地位進行測度及分析。目的是更深入細致的發掘上海在集成電路領域的網絡合作對象、對外依賴程度等信息。集成電路是上海重點發展的核心領域之一，也是近期拜登提出的對華技術審查四大領域中的重要板塊，明確上海在集成電路領域的創新網絡地位對上海重點產業發展、應對美國制裁等都具有重要現實意義。從本文對數據的統計結果來看，上海無論是被引用次數最多的技術領域還是技術對外依賴度最高的技術領域，幾乎都集中在集成電路產業內，這也反映了集成電路產業的重要地位，表2列示了本文重點聚焦的七大集成電路核心技術領域。從表2可以看出，上海被其他城市引用次數較多的專利涉及跨國聯合申請的專利數占比較高，平均高于美國專利商標局中10%的全球聯合跨國申請專利數占比。這說明在被引用次數多的高質量專利技術領域，上海更多地依賴與國外城市進行合作。而被上海引用最多的幾個技術領域，上海專利的父專利中，完全由中國城市研發的專利占比除了H02M領域外，平均在7%左右。這些數據初步說明上海在集成電路領域的專利申請整體上對外技術依賴度較高，更多地依賴于和國外城市而非國內城市的合作。

表2 集成電路七大細分技術領域特征

為了更細致地展現上海在集成電路細分技術領域網絡地位的動態變化，本文測算了集成電路領域合作網絡中上海的點度中心性及排名變動趨勢。結果表明，2000—2020年上海在集成電路技術領域合作網絡中逐步占據了核心地位，度數中心性及排名的迅速提升與整體網絡一樣起始于2012年。2012年以來，全球十大創新集群包含的城市中，國內城市北京、深圳和上海逐步占據了合作網絡的核心地位。從上海的度數中心性指標上看，2014—2017年上海的合作伙伴數量曾經歷過短暫的收縮期。但整體上看隨著時間推移，上海與越來越多的全球創新集群城市建立了集成電路技術領域內的合作關系。2017后，即使經歷了中美貿易摩擦等重大國際事件的沖擊，上海的集成電路領域合作對象數量仍不斷擴張。

本文對2000年前、2001—2010年以及2011—2020年3個時間段的集成電路技術領域創新合作網絡進行可視化圖譜繪制，如圖7所示。整體上看，集成電路技術領域的專利合作網絡相比整體合作網絡，合作關系更松散。隨著時間推移，網絡呈現出密度越來越高的特征。合作密切程度上看，城市內合作比城市間更密切，集群內比跨集群更密切。從上海的網絡地位變動來看，在2000年前，上海處于集成電路網絡邊緣的位置，與其他國內城市一樣尚未參與到創新集群城市的專利合作網絡當中。2001—2010年上海融入到集成電路技術領域專利合作網絡當中，但并沒有取得網絡核心地位，也僅僅與東京、劍橋、圣何塞和北京四座城市建立了合作關系。2011—2020年，上海的網絡地位提升十分顯著，逐步占據了網絡核心地位，北京、深圳和上海形成了 “三足鼎立”之勢。上海與所有城市都建立了合作關系，與北京和深圳的合作關系尤為密切。相比于整體網絡，2011年后在集成電路核心技術領域，上海、北京和深圳的跨集群合作網絡核心地位更為突出。

2.4 上海典型企業的創新網絡地位測度及分析

在日益激烈的創新競爭中，企業的核心地位逐步凸顯。城市網絡地位的躍升，離不開龍頭企業的率先突破，比如深圳創新網絡地位的躍升就與華為的專利申請和被引密切關聯。對上海在全球創新網絡中的精準定位，典型企業創新表現也是至關重要的維度。本文從整理的專利數據庫中，根據專利權所屬實體信息，篩選2000—2020年專利申請數量最多的10個上海企業，具體企業名錄見表3。在本文的專利數據庫中，擁有最多專利的上海企業主要分布在集成電路、生物醫藥等重點產業，其中僅一家外資企業，超過半數 (6家)為總部在上海的企業。在網絡地位和測度分析方面，本文從電子通信、集成電路和生物醫藥各選取一家代表性企業進行深入探討，分別是擁有最多和第2多專利數的中芯國際集成電路制造 (上海)有限公司 (下文簡稱中芯國際)和上海天馬微電子 (簡稱天馬微電子)，以及唯一一家生物醫藥企業上海聯影醫療科技有限公司 (簡稱聯影醫療)。

圖7 2011—2020年集成電路技術領域專利合作網絡圖譜

表3 上海專利申請量最多的10個企業統計

本文分析3家企業所申請專利的技術分布情況，并進行詞頻統計。圖8反映3家企業所申請專利的技術跨度以及分布情況，字體大小反映詞頻高低。從技術領域分布上看，典型企業專利的技術領域跨度廣泛，尤其是天馬微電子和中芯國際。技術優勢領域十分突出，聯影醫療在G06T和A61B領域技術優勢突出，且A61B領域上海申請的專利整體質量高，被其他城市引用的次數較多。天馬微電子和中芯國際最突出的技術領域都在H01L領域，該領域整體上上海對其他城市技術依賴度高，專利申請依賴與國外城市合作以及引用國外城市專利。

數據統計中發現，本文選取的3個典型企業的美國專利商標局專利申請絕大多數依靠自主研發，很少依賴于與國外城市合作，與國內城市深圳、北京等合作關系更密切。專利聯合申請上，企業的專利合作網絡化特征與整體城市合作網絡相比并不明顯。這表明，上海在生物醫藥、集成電路等領域的龍頭企業具備了較強的自主研發能力，專利申請的跨國城市聯合行為較少。在此基礎上，本文對3家企業為起點的互引網絡進行細致刻畫，以更全面的評估其創新自主能力。網絡刻畫上，本文提取了3家企業與十大創新集群城市間的專利互引關系，如圖9所示。可以發現，聯影醫療、天馬微電子以及中芯國際均與十大創新集群中的大多數城市建立了專利互引聯系。在互引關系當中，上海的典型企業整體上還處在一個技術 “跟隨者”而非 “溢出者”的角色。聯影醫療的專利技術僅僅被波士頓和上海的其他申請人所引用，互引關系最緊密的城市是上海。天馬微電子的專利得到了更多城市的引用，首爾、廣州、東京、香港、上海、北京和深圳7個城市的申請人引用了天馬微電子的專利，上海天馬微電子與北京的互引關系最緊密。中芯國際是上海申請USPTO專利最多的企業，但與其建立互引關系的城市較少，僅有北京和上海的申請人引用過中芯國際所申請的專利。

圖8 典型企業專利涉及技術領域分布圖

(a)聯影醫療

(b)天馬微電子

(c)中芯國際

3 結論與建議

3.1 結論

本文以2020年世界知識產權組織發布的 《2020年全球創新指數》報告中全球十大創新集群包含的17個創新城市為研究樣本，從美國專利商標局中利用Python爬蟲技術爬取了相關城市的專利文本。并根據專利文本中的申請城市、技術領域IPC分類號等信息，構建了以17個城市為節點的全球創新合作及互引網絡，對上海的網絡地位從城市層面、技術領域層面和典型企業層面進行了多維測度。研究發現，1976年至今，全球創新活動的網絡化特征越來越顯著，網絡密度越來越高。上海在全球創新網絡中從邊緣角色，逐步攀升到了核心地位。在集成電路的相關核心技術領域，上海也完成了從 “跟隨著”到 “并跑者”的角色。但是國際專利申請中依賴國外技術的現象仍然較為嚴重。企業層面，上海涌現出中芯國際、天馬微電子和聯影醫療在內的龍頭企業。然而，相關企業所申請的專利質量還有待進一步提升，所申請的專利較少被國外專利權人引用。

3.2 政策建議

(1)持續深化與其他城市間的專利合作，上海過去在創新網絡地位的提升離不開與其他創新城市集群間的合作。隨著時間的推移，上海與北京、深圳的合作關系越來越緊密，但與其他國外城市的合作關系卻并未呈現出愈加緊密的顯著特征。上海需要更主動地融入到專利合作的國際網絡中，在深化與國內創新城市集群合作的同時，進一步強化與國外創新集群間的網絡合作關系。一方面有利于上海更好地吸收轉化先進技術，另一方面也有利于上海突破引用國外專利較多但被引用較少的問題，通過更廣泛的合作，更好地與其他創新集群間形成你中有我、我中有你的制衡格局。

(2)瞄準重點領域，維持網絡優勢地位。廣泛的深化合作固然對網絡地位攀升大有裨益，但要想在創新網絡中持續維持優勢地位，離不開核心、重點技術領域的自主創新能力。集成電路相關的G部和H部專利技術是創新網絡中，各方主體合作、互引最緊密的領域之一。在創新網絡中各節點間合作、互引最密切的領域，率先搶占核心地位，對節點網絡地位的整體提升和持續維護具有重要戰略意義。上海在相關重點領域，可以依托與北京和深圳的緊密合作關系，加強技術交流互通，形成合力優勢，逐步擺脫對外國先進技術的依賴，加強核心重點領域專利自主可控能力。

(3)引導龍頭企業建立專利合作網絡，加速整體產業創新發展。對上海的現狀分析表明，集成電路、生物醫藥等領域上海已涌現了部分龍頭企業。這部分企業存在專利申請數量多但專利合作網絡化特征尚不明顯、專利申請對國外技術依賴仍較強等問題。僅僅依靠龍頭企業的力量，較難滿足創新網絡地位突破的需求，中小企業更是完全不具備技術領先的優勢。政府可以通過引導相關龍頭企業建立產業內部和產業間的專利合作網絡，并鼓勵中小企業利用自身的獨特優勢不斷嵌入。打造各技術領域內部的良好合作生態體系，充分利用集群優勢，實現網絡地位的進一步提升。