基于文本聚類法的高校電工學(xué)科創(chuàng)新競爭力評價研究

劉紫熹,魏冠元,單子婧,李一涵

(1.國網(wǎng)能源研究院有限公司,北京 102209;2.華北電力大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院,北京 102206)

0 引言

高校作為產(chǎn)學(xué)研用一體化發(fā)展中不可或缺的一環(huán),其創(chuàng)新能力的高低往往能夠體現(xiàn)其所在地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展情況。電工學(xué)科作為歷史悠久的學(xué)科,其已深度融入地方生活并對經(jīng)濟發(fā)展起支撐作用,具有廣闊的發(fā)展前景和發(fā)展?jié)摿ΑＡ私飧鞯貐^(qū)高校在電工領(lǐng)域的科技創(chuàng)新資源布局現(xiàn)狀,能夠有效掌握當(dāng)?shù)仉娏π袠I(yè)的創(chuàng)新發(fā)展情況。創(chuàng)新競爭力資源布局對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展及電力技術(shù)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用,合理進行高校學(xué)科創(chuàng)新能力評估有助于優(yōu)化科技創(chuàng)新競爭力的資源布局,從而促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。

有較多學(xué)者對高校科技創(chuàng)新能力評價進行研究：徐朋輝等使用因子分析法,對安徽省30所本科院校的科技創(chuàng)新能力進行分析評價,分析了當(dāng)?shù)馗咝５陌l(fā)展趨勢[1]。安蓉等基于高校創(chuàng)新相關(guān)要素構(gòu)建了地方高校創(chuàng)新能力評價指標(biāo)體系,采用因子分析法評價地方高校創(chuàng)新能力,為西部地區(qū)高校的發(fā)展提出了建設(shè)性意見[2]。郭俊華等基于科技創(chuàng)新的發(fā)展現(xiàn)狀,以全國各地高校為研究對象,從5個維度構(gòu)建了高校創(chuàng)新能力指標(biāo)評價體系,利用因子分析法對比分析各高校的科技創(chuàng)新能力,從全國視角提出建議[3]。韓曉明等結(jié)合主成分分析法與熵權(quán)法,選取100所高校為研究對象,構(gòu)建高校科技創(chuàng)新能力評價指標(biāo)體系,對高校的特點進行歸類對比,歸納不同類型高校的創(chuàng)新發(fā)展情況并對其未來發(fā)展提出建議[4]。張俊婷等引入熵權(quán)-DEMATEL法,修正了熵權(quán)法中可能出現(xiàn)的偏差,對江蘇地區(qū)40所高校進行分析評價,總結(jié)了各個創(chuàng)新能力評價指標(biāo)之間的關(guān)系[5]。熊國經(jīng)等引入基于E-TOPSIS的改進因子分析法,以泛珠三角地區(qū)的高校為研究對象,將影響和表現(xiàn)學(xué)科競爭力的因素轉(zhuǎn)換為可量化數(shù)據(jù),提出有關(guān)地區(qū)高校發(fā)展的建議[6]。白玉等使用扎根理論分析高校科技創(chuàng)新能力的內(nèi)涵,在定性分析的基礎(chǔ)上將相關(guān)因素定量化,構(gòu)建了包含91個概念的評價模型[7]。李春英等以高校“雙一流”建設(shè)為研究背景,系統(tǒng)組合眾多因素,構(gòu)建了高校學(xué)科競爭力評價層次結(jié)構(gòu)模型,將定性指標(biāo)分類轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)[10]。現(xiàn)有研究中對高校科技創(chuàng)新競爭力的關(guān)注點較為寬泛,大多從高校所有學(xué)科統(tǒng)計數(shù)據(jù)出發(fā)研究高校整體的創(chuàng)新競爭力,但不同的高校有各自的代表學(xué)科及重點發(fā)展學(xué)科,將關(guān)注點放在某一類學(xué)科或某一門學(xué)科上不僅能更準(zhǔn)確地評價高校的創(chuàng)新競爭力,也能更好地把握所評價高校的特點。

選取傳統(tǒng)學(xué)科中的電工學(xué)科,分析高校電工學(xué)科的建設(shè)情況,結(jié)合電工領(lǐng)域橫縱向課題的項目分類特點將電工學(xué)科劃分為14個細分領(lǐng)域,利用基于TF-IDF算法的文本聚類方法將海量論文數(shù)據(jù)歸類至不同細分領(lǐng)域,實現(xiàn)以技術(shù)領(lǐng)域為導(dǎo)向的精細化評價。依據(jù)電工領(lǐng)域的專業(yè)特性與應(yīng)用特點,基于文本聚類的方法構(gòu)建高校電工學(xué)科創(chuàng)新競爭力評價指標(biāo)體系,運用AHP-熵權(quán)法設(shè)置權(quán)重,利用TOPSIS法對國內(nèi)100所高校的電工學(xué)科進行創(chuàng)新競爭力評價及實證分析,以反映高校在電工領(lǐng)域培養(yǎng)人才、科學(xué)研究及社會服務(wù)方面的創(chuàng)新能力,以推進電工學(xué)科教育改革創(chuàng)新,幫助企業(yè)選取合作對象,推動產(chǎn)學(xué)研用一體化發(fā)展,促進資源的高效精準(zhǔn)投入。

1 研究方法

基于TF-IDF算法對高校論文成果進行聚類,將所選取的論文數(shù)據(jù)歸類,細分其技術(shù)領(lǐng)域,突出高校在電工領(lǐng)域的優(yōu)勢學(xué)科及其資源分布情況。確定高校指標(biāo)后,搜集各指標(biāo)所需數(shù)據(jù),采用組合賦權(quán)法對指標(biāo)賦權(quán),依據(jù)各要素的關(guān)聯(lián)度構(gòu)建多層次分析模型,用熵權(quán)法判斷各指標(biāo)的離散程度,分析其對綜合評價的影響程度。確定各個指標(biāo)的權(quán)重后,通過TOPSIS法評價各高校電工學(xué)科的創(chuàng)新競爭力水平,以相對距離為評判標(biāo)準(zhǔn),將評價對象的方案與最佳方案和最差方案相比較,得到各高校的評價結(jié)果。具體研究框架見圖1。

圖1 基于文本聚類法的高校電工學(xué)科創(chuàng)新競爭力評價研究框架Fig.1 Research framework of innovation competitiveness evaluation of electrical engineering in colleges and universities based on text clustering

1.1 基于TF-IDF算法的文本聚類方法

電工學(xué)科涵蓋的技術(shù)范圍十分廣泛,為對其進行精確評估,參考國家自然基金電工領(lǐng)域項目[11]及電力企業(yè)橫向項目的劃分類型,結(jié)合高校電工學(xué)科結(jié)構(gòu),依據(jù)不同技術(shù)特點將電工學(xué)科分為14個不同的領(lǐng)域,詳見表1。

表1 電工學(xué)科細分技術(shù)領(lǐng)域Tab.1 Electrical engineering subdivisions in the technical field

為按領(lǐng)域?qū)Λ@取的指標(biāo)數(shù)據(jù)進行分類,采用TF-IDF技術(shù)進行學(xué)術(shù)論文關(guān)鍵詞提取。若某一詞語出現(xiàn)頻率高,且在語料庫的其他文本中出現(xiàn)頻率相對較少,則認為其具有很好的類別區(qū)分能力,適合作為關(guān)鍵詞進行分類。

TF-IDF由詞頻(term frequency,TF)與逆向文件頻率(inverse document frequency,IDF)組成,計算方式為二者相乘,如式(1)。

TF-IDF=TF×IDF

(1)

其中,TF和IDF的計算方式見式(2)、式(3)。

(2)

其中,ni,j為特征詞ti在文件dj中出現(xiàn)的次數(shù),nk,j為文件j中詞條k出現(xiàn)的次數(shù)。

(3)

其中,|D|為語料庫中的文件總數(shù)。

得到文本特征向量后,使用K-means算法按照關(guān)鍵詞向量將學(xué)術(shù)論文聚類為14類,文本聚類的具體流程見圖2[12]。

圖2 基于TF-IDF算法的文本聚類流程Fig.2 Text clustering process based on TF-IDF algorithm

1.2 組合賦權(quán)法

賦權(quán)方法主要分為主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法,主觀賦權(quán)采用層次分析法,依據(jù)專家經(jīng)驗對評價指標(biāo)的重要程度打分,帶有一定的主觀隨意性。客觀賦權(quán)法通常根據(jù)實際數(shù)據(jù)的變異程度為不同指標(biāo)賦權(quán),容易受離群點影響,且忽視了專家經(jīng)驗對于指標(biāo)設(shè)置的貢獻。故采用層次分析法與熵權(quán)法[13]相結(jié)合的組合賦權(quán)法進行權(quán)重設(shè)置,在保留專家實踐經(jīng)驗的同時弱化個人主觀意見對權(quán)重大小的影響。

設(shè)pj、qj分別為基于AHP和熵權(quán)法生成的評價指標(biāo)xij的權(quán)重系數(shù),γ為決策者偏好(0≤γ≤1),則組合權(quán)重系數(shù)為：

wj=γpj+(1-γ)qj,(j=1,2,…,n),0≤γ≤1

選取30名電工領(lǐng)域?qū)＜覟檎{(diào)研對象,以問卷形式對電工領(lǐng)域創(chuàng)新競爭力水平各影響因素的重要程度進行打分,利用matlab軟件判斷矩陣一致性并進行主觀權(quán)重計算,運用指標(biāo)熵權(quán)法對主觀權(quán)重進行修正,最終得到組合權(quán)重。

1.3 TOPSIS評價方法

采用逼近理想解排序法(TOPSIS)綜合評價各高校在電工領(lǐng)域的科技創(chuàng)新能力水平。TOPSIS是一種確定情境下的多屬性決策方法,可同時評價多個對象,將研究對象的決策方案與最佳方案和最差方案進行比較,以它們相對距離的遠近評判方案的優(yōu)劣。

構(gòu)建原始數(shù)據(jù)決策矩陣X,利用極值處理法對決策矩陣進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,計算加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化判斷矩陣U。

確定相對正負理想解,見式(5)、式(6)。

(5)

(6)

計算判斷矩陣各元素到正理想解和負理想解的歐式距離,見式(7)、式(8)。

(7)

(8)

計算評價值Ci并排序,評價值計算方法如下：

(9)

2 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

科學(xué)準(zhǔn)確評價科技資源的創(chuàng)新競爭力,需建立適用于不同評價對象的科學(xué)、合理、可操作的評價指標(biāo)體系,使評價結(jié)論更加全面、科學(xué)、客觀。依據(jù)建立評價指標(biāo)體系的系統(tǒng)性、科學(xué)性、可比性、可行性及導(dǎo)向性等基本原則[16],構(gòu)建包含多級指標(biāo)因素的電力領(lǐng)域高校創(chuàng)新競爭力評價指標(biāo)體系。為體現(xiàn)評價指標(biāo)的科學(xué)性和統(tǒng)一性,所有指標(biāo)均參考國家或教育部的科研基礎(chǔ)及獲獎標(biāo)準(zhǔn),考慮到電工學(xué)科的特色,增加了IEEE會士人數(shù)及電力領(lǐng)域校企合作情況兩項指標(biāo)。詳見表2。

表2 高校電工學(xué)科創(chuàng)新競爭力評價指標(biāo)體系Tab.2 Evaluation index system of innovation competitiveness of colleges and universities in electric field

1)科技創(chuàng)新資源與基礎(chǔ)條件。科技創(chuàng)新資源與基礎(chǔ)條件能夠反映高校開展科技創(chuàng)新工作所具備的平臺搭建能力和條件保障能力,是高校在科技創(chuàng)新領(lǐng)域人力、物力、資金供給及軟環(huán)境配備等多方面實力的綜合體現(xiàn)。

2)科技創(chuàng)新投入能力。科技創(chuàng)新投入是高校進行原始創(chuàng)新活動時投入的科技資源,主要通過人力資源投入與科研項目經(jīng)費獲取兩個指標(biāo)來衡量,其中人力資源投入最為關(guān)鍵,主要通過高校中電工領(lǐng)域的科學(xué)研究與試驗發(fā)展(research and development,R&D)人員占比、院士數(shù)量、國家高層次人才與國家優(yōu)秀人才引進數(shù)量及IEEE會士數(shù)量來衡量。

3)科技創(chuàng)新產(chǎn)出能力。科技創(chuàng)新產(chǎn)出能力是各高校將創(chuàng)新資源與科技投入有效轉(zhuǎn)化為科技成果的能力,進行高質(zhì)量的知識創(chuàng)新是高校科技創(chuàng)新活動最重要的任務(wù)之一。

4)科技創(chuàng)新合作與交流能力。科技創(chuàng)新的目標(biāo)是推動國家或地區(qū)的知識流動,尤其是促進知識在研發(fā)機構(gòu)、企業(yè)、中介機構(gòu)間的有效流動。高校是知識創(chuàng)新的主要發(fā)源地,新知識、新方法、新理論封閉在大學(xué)課堂里無法體現(xiàn)知識創(chuàng)新的真正價值,科技創(chuàng)新合作與交流能力是高校科技創(chuàng)新競爭力的重要體現(xiàn)。

3 高校電工學(xué)科創(chuàng)新競爭力評價

3.1 數(shù)據(jù)來源

整理國內(nèi)在中文核心期刊上發(fā)表過電工領(lǐng)域?qū)W術(shù)論文的所有院校,通過發(fā)文量、學(xué)科評估等級等指標(biāo)進行初步篩選,選取其中106所院校進行最終的競爭力評價。高校學(xué)科指標(biāo)數(shù)據(jù)的主要來源為各院校的電氣工程院系網(wǎng)站、科技統(tǒng)計年鑒或相關(guān)報告,專利數(shù)據(jù)來源為IncoPat全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫,論文數(shù)據(jù)來源為中國知網(wǎng)論文數(shù)據(jù)庫(僅選取北大中文核心目錄期刊論文)。所有數(shù)據(jù)的時間范圍均為2017—2022年。

3.2 評價結(jié)果

對所選106所高校進行評價排序,對各高校在14個領(lǐng)域(見表1)的排名情況進行匯總,剔除各領(lǐng)域均排在51名以后的學(xué)校,列出余下67所高校(表格中第二行第二列數(shù)字“10”表示清華大學(xué)在10個細分領(lǐng)域中排名第一)。由表3可知,清華大學(xué)和華北電力大學(xué)在所有領(lǐng)域中均排在前兩位,主要原因是評價體系中論文發(fā)表情況的權(quán)重較大(各領(lǐng)域平均占比15%左右)。區(qū)別于綜合型高校研究的廣泛性,華北電力大學(xué)在學(xué)術(shù)研究中具有較強的電力行業(yè)特色,其研究時間范圍內(nèi)在電工領(lǐng)域的總發(fā)文量為3129篇,高于總發(fā)文量第二名西安交通大學(xué)兩倍(1466篇),在各領(lǐng)域的創(chuàng)新競爭力評價中表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。進入高校創(chuàng)新競爭力各領(lǐng)域前三名和前十名高校分別有9所、20所。

表3 高校電工學(xué)科創(chuàng)新競爭力各領(lǐng)域排序Tab.3 Ranking of scientific and technological competitiveness of colleges and universities in various fields

為便于對比分析,將14個細分領(lǐng)域合并為5種類型,對評價結(jié)果進行統(tǒng)一分析。

1)第一類技術(shù)領(lǐng)域包括大電網(wǎng)安全分析與規(guī)劃技術(shù)、電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)、電網(wǎng)環(huán)保與節(jié)能技術(shù)、配用電與微網(wǎng)技術(shù)4個電網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域。從區(qū)域分布情況看,該類相關(guān)技術(shù)的高水平科技資源在全國范圍內(nèi)分布較均勻,前20名高校所在區(qū)域涉及全國一半以上省份,各電網(wǎng)區(qū)域均有資源分布,但各電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)部資源分布并不均衡,存在顯著的階梯級分布現(xiàn)象,如華北電網(wǎng)集中于北京,華東電網(wǎng)集中于江蘇省,華中電網(wǎng)集中于湖北省等,見圖3。

圖3 第一類技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新競爭力前20名高校布局情況Fig.3 Layout of top 20 universities in the first type of technological innovation competitiveness

2)第二類技術(shù)領(lǐng)域包括電力通信與電力信息技術(shù)、電力電子及電能質(zhì)量技術(shù)、電力系統(tǒng)自動化技術(shù)3個電信電子及自動化相關(guān)領(lǐng)域。從電網(wǎng)區(qū)域分布看,各電網(wǎng)區(qū)域間的優(yōu)勢科技資源呈現(xiàn)階梯型分布,華東電網(wǎng)在該類領(lǐng)域的優(yōu)勢較為明顯,其次分別是華北、華中電網(wǎng).相較于第一類技術(shù)領(lǐng)域,第二類技術(shù)領(lǐng)域在電網(wǎng)區(qū)域間呈現(xiàn)出更大的差距,西北、東北電網(wǎng)的科技資源落差進一步顯現(xiàn),各電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)部資源分布的不均衡性也進一步加深,見圖4。

圖4 第二類技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新競爭力前20名高校布局情況Fig.4 Layout of top 20 universities in the second type of technological innovation competitiveness

3)第三類技術(shù)領(lǐng)域包括輸變電設(shè)備運行與管理技術(shù)、輸變電施工與設(shè)計技術(shù)、特高壓輸變電技術(shù)3個輸配電相關(guān)領(lǐng)域。從電網(wǎng)區(qū)域分布情況來看,各電網(wǎng)區(qū)域間的優(yōu)勢科技資源分布較為平均,最具優(yōu)勢的仍是以江蘇省為代表的華東電網(wǎng)。相較于前兩類技術(shù)領(lǐng)域來說,華中電網(wǎng)在輸配電類技術(shù)領(lǐng)域的資源優(yōu)勢有所增強,主要因為四川大學(xué)、重慶大學(xué)及西南交通大學(xué)在此領(lǐng)域的創(chuàng)新競爭力較強。以陜西省為代表的西北電網(wǎng)在此領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)量較少,但西安交通大學(xué)的創(chuàng)新競爭力十分強勁,在其中兩個領(lǐng)域的排名均進入前三,因此帶動了西北電網(wǎng)優(yōu)勢科技資源整體質(zhì)量的上升,見圖5。

圖5 第三類技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新競爭力前20名高校布局情況Fig.5 Layout of top 20 universities in the third type of technological innovation competitiveness

4)第四類技術(shù)領(lǐng)域包括電動汽車與儲能技術(shù)、新材料及其應(yīng)用技術(shù)、新能源發(fā)電與接入技術(shù)3個新興技術(shù)領(lǐng)域。從電網(wǎng)區(qū)域分布看,各電網(wǎng)區(qū)域間的優(yōu)勢科技資源分布較為平均,華東、華北、華中電網(wǎng)實力相近且占據(jù)大部分資源。相較于其它類型技術(shù)來說,東北電網(wǎng)在新興技術(shù)領(lǐng)域的資源優(yōu)勢有所增強,主要貢獻來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等老牌工科院校。從省級分布情況看,湖南省的優(yōu)勢增強,湖南大學(xué)在3個細分領(lǐng)域均排在前20名,湘潭大學(xué)在新材料技術(shù)及應(yīng)用、新能源發(fā)電及接入技術(shù)領(lǐng)域進入前20,見圖6。

圖6 第四類技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新競爭力前20名高校布局情況Fig.6 Layout of top 20 universities in the fourth type of technological innovation competitiveness

5)第五類技術(shù)領(lǐng)域為決策支持技術(shù)領(lǐng)域。從電網(wǎng)區(qū)域分布看,該技術(shù)領(lǐng)域的區(qū)域分布在所有類型中最不均衡,東北電網(wǎng)和西北電網(wǎng)僅占全國科技資源的15%,華東、華北、華中電網(wǎng)實力相近且占據(jù)更大部分的資源,其中華東電網(wǎng)的資源占全國的35%,見圖7。

圖7 第五類技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新競爭力前20名高校布局情況Fig.7 Layout of top 20 universities in the fifth type of technological innovation competitiveness

4 結(jié)論與建議

以國內(nèi)106所高校為研究對象,在利用TF-IDF技術(shù)進行文獻歸類的基礎(chǔ)上,使用AHP-熵權(quán)法與TOPSIS法分別計算權(quán)重及評價分值,發(fā)現(xiàn)電工領(lǐng)域科技資源存在分布不均的問題,東西部區(qū)域高校的科技創(chuàng)新競爭力差距較大。各省需共同努力,合作互動、交流互通,實現(xiàn)優(yōu)勢互補,協(xié)力縮小區(qū)域間科技資源差距,共同為建設(shè)新型電力系統(tǒng)、實現(xiàn)電力行業(yè)能源轉(zhuǎn)型貢獻力量。

1)加強西部地區(qū)電力科技資源部署。從其科技資源的地理分布來看,主要集中于北京、江蘇、湖北、陜西等中、東部發(fā)達地區(qū),西北、西南地區(qū)電工領(lǐng)域科技資源較為稀缺。西北、西南地區(qū)擁有豐富的可再生能源,應(yīng)加強對此類地區(qū)的資源注入,因地制宜開展可再生能源發(fā)電研究,助力我國電力行業(yè)的能源轉(zhuǎn)型。

2)構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研合作模式。高校和科研機構(gòu)是企業(yè)的人才基地,企業(yè)是技術(shù)的需求方,產(chǎn)學(xué)研鏈條的每一環(huán)節(jié)都應(yīng)做到分工明確、信息互通、互促互濟。高校可在現(xiàn)有學(xué)科基礎(chǔ)上,協(xié)同地方資源稟賦與發(fā)展戰(zhàn)略,逐步探索有自身特色且具備核心競爭力的技術(shù)領(lǐng)域,由點及面增強綜合實力,構(gòu)建高校與地方新能源企業(yè)整體對接的產(chǎn)學(xué)研合作模式。

3)促進高校信息化建設(shè)。一些高校的信息較少或更新較慢,不利于自身宣傳展示及評價工作的展開,高校應(yīng)重視對信息化平臺的建設(shè),促進信息公開透明。