能源产业前沿探索：基于科学创新视角

栾春娟

(大连理工大学知识产权学院,辽宁　盘锦　124221)

0　引言

探索能源产业的发展前沿，对国家构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系、优化能源结构、推动中国能源革命、加快经济社会转型发展等，具有重要的理论意义和现实意义。国内外学者关于能源产业的相关研究成果，主要集中于以下几个方面：第一，关于新能源产业的研究，学者们研究了新能源产业的发展困境及对策[1]、新能源产业的核心技术[2]、新能源产业金融支持路径与风险防范方法[3]、新能源产业政策分析[4]、新能源产业竞争能力模型分析[5]等。第二，关于可再生能源的研究，学者们探讨了基于博弈模型的可再生能源产业补贴标准设计[6]、可再生能源对碳排放的影响[7]、可再生能源技术吸收能力对中国能源产业绩效的影响[8]等。第三，关于新兴类型能源，比如生物能源等的研究。国内外学者分析了美国生物能源产业生态系统演化过程[9]、生物能源产业发展路径[10]、生物能源产业生态系统构建[11]等。第四，关于能源产业前沿的研究。国内外学者探讨了能源产业前沿研究中心的科学合作与演变[12]、海洋能源产业前沿的发展[13]、太阳能产业发展的前沿[14]、高能前沿的晶体准直系统[15]等。

“基于科学的创新”思想，学界一般认为起源于18世纪，经济学家亚当·斯密提出的经验与科学促进了劳动分工和进步与创新[16-18]。传统的创新理论更多地聚焦于技术创新，但最近几十年来，“基于科学的创新”越来越引起学术界和决策者们的关注。学者们探讨了基于科学创新的思想起源与发展，以及基于科学创新的模式和类型[16]；企业科学能力及其与创新关系[19]；基于科学创新视角，全球太阳能产业技术领域的技术创新能力及其与科学发展的关系[20]；生物技术领域的科学知识是如何影响公司创新绩效的[21]等。

美国能源部科学办公室的科学用户设施计划是“基于科学的创新”的重要实践平台。美国能源部在美国经济创新发展中发挥着重要作用，将科学创新放在优先发展的地位，并将其视为美国经济繁荣的基石[22]。本研究中，我们选择基础能源科学计划，从基于科学的创新视角，探索能源产业的发展前沿。与以往的研究相比较，本研究选择美国能源部正在培育的、经过专家评议的、有发展潜力的、有可能发展成为新兴能源产业的、对美国乃至世界能源产业技术的发展具有引领作用的科学用户设施项目为数据来源，将更能够代表未来能源产业的发展方向，为能源产业发展前沿的预测提供一个崭新的视角和方法。

1　数据来源与研究方法

1.1　数据来源及处理

本研究选择2016年美国能源部科学用户设施计划统计数据中的“基础能源科学”(Basic Energy Science Program，简称BES)计划培育的全部27881个项目数据，从“基于科学的创新”视角，探索能源产业发展前沿。

美国能源部科学用户设施培育项目数据，可以是科学家正在进行的研究，也可以仅仅是个概念或想法，因此不存在像科学论文或专利文献那样较长的时滞。从时间上看，选择正在培育的项目为数据来源，更具有新颖性；从范围上看，选择经过专家评议、被认为有未来产业发展潜力的培育项目数据，更聚焦于未来能源产业的发展方向。因此，利用美国能源部科学用户设施培育项目的数据进行能源产业技术前沿的探测和分析，具有更强的学术价值和实践意义。

1.2　研究方法

对能源产业前沿主题的探测，我们采用从科学用户设施项目名称中提取主题词的方法，并借助信息可视化软件VOSviewer进行。项目名称虽然字数不多，但其反映了项目的核心主题，是对一个项目的创新思想和主要内容的高度概括和凝练[23-25]。我们将BES全部项目名称汇总为一个文本体，采用VOSviewer软件分析工具，选择关联强度算法，对该文本体的主题词进行关联强度、频次和可视化分析：

(1)

式中，SA(Cij,Si,Sj)表示项目i和j的相似度，Cij为项目i和j的共同出现频次，Si和Sj为项目i和j各自出现的频次。常见的计算共现矩阵的方法有Jaccard系数、Cosine系数等，但是Van Eck与Waltman 通过大量的实证研究和比较分析[26-27]，认为总体来看存在着两种重要的相似性测度理论与方法，即集论测度(Set-Theoretic Measures)和概率测度(Probabilistic Measures)；Cosine、Inclusion Index和Jaccard三种都是集论测度方法，而关联强度则属于概率测度方法；在科学计量学共现分析研究中，选择关联强度的测度指标比Jaccard和Cosine更合适。

2　能源领域前沿探索

2.1　能源产业前沿创新主体：项目主要来源机构

我们选择“项目来源机构”，即美国能源部科学办公室“基础能源科学”(Basic Energy Science，BES)计划培育的全部27881个项目数据中的“Home Institution Name”字段，对其进行数据处理和统计分析，提炼出高于300项的项目来源机构，将其视为能源产业前沿创新主体(见表1)。这些高产的项目来源机构，代表着他们拥有基础能源科学研究领域的强大研究实力和全球领先水平，这些机构在基础能源科学领域的研究，为未来能源产业技术创新发展提供了重要的支撑，也很有可能成为未来新兴能源产业技术的引领者和先驱者。

表1　能源产业前沿创新主体：高于300项的项目来源机构

表1显示，在15个高产的能源产业前沿创新主体中，有六个是联邦政府的国家实验室，七个是高水平的研究型大学，另外一个是华盛顿卡耐基研究所，还有一个是德国的电子同步加速器。前四个高产机构全部是联邦政府的国家实验室：排在第一位的阿贡国家实验室是一个多学科的科学与工程研究中心，是美国能源部最大的研究中心[28]。阿贡在能源资源领域的研究项目确保了未来社会与经济发展所需的高效、清洁能源的可靠供应[29-30]。排在第二位的橡树岭国家实验室成立于1943年，现由田纳西大学和Battelle纪念研究所共同管理。是美国能源部所属最大的科学和能源研究实验室。排在第三位的SLAC国家加速器实验室直属美国能源部，主要从事自然界基本规律的探索研究，取得了许多重大发现，揭示了许多自然界的秘密。

2.2　能源产业前沿的创新资助方：主要资助机构

我们选择BES项目数据中的“项目主要资助机构”字段，对其进行了数据处理。比如，将美国能源部(DOE)单独资助的和美国能源部与其他机构联合资助的合并为“美国能源部及其他机构”(DOE and Others)，这样合并处理后，有利于我们从整体上把握能源产业前沿的主要资助机构。经过数据处理和统计分析之后，提炼出资助项目占项目总数比例超过1%的9个主要资助(联合资助)机构(见表2)。

表2　能源产业前沿的创新资助方

表2显示，美国能源部参与资助的项目数量最多，仅在2016年，其单独资助以及与其他机构联合资助的项目数量达到12560项，占BES项目总数的45.05%，几乎占了半壁江山。排在第二位的是美国国立卫生研究院NIH及其他机构，共同资助了4669个项目，占总数的16.75%。国外学术界(美国之外其他国家/地区)的资助率为11.13%；美国自然科学基金会及其他机构的资助率为10.72%。另外两个资助率超过5%的资助主体，美国大学/教育机构及其他机构、其他的联邦机构。

2.3　能源产业前沿项目的培育机构：科学用户设施

我们选择BES全部项目数据中“科学用户设施”字段，对其进行了数据处理和统计分析，共有12个科学用户设施承担了BES计划的全部项目培育。图1显示了每个科学用户设施的名称、培育项目数量及其占BES计划全部项目的比例。

图1显示，培育BES计划项目数量最多的科学用户设施是“先进光子源”，它是美国能源部阿贡国家实验室提供的超级明亮的、高能存储环形x射线束，几乎可以应用于所有学科的科研工作中[31-33]。这些X射线可以帮助科学家探索地心、外层空间以及二者之间任何一点的物质结构与功能，并获取新知识[34-35]。排在第二位的科学用户设施是“斯坦福同步辐射光源”，它由斯坦福大学为美国能源部进行运作，其经费主要由能源部基础能源科学局及生物和环境研究局提供。培育项目超过2000项的科学用户设施还有“直线加速器相干光源”和“先进光源”。

2.4　能源产业前沿主题

在此我们采用美国能源部“基础能源科学BES”计划培育项目的项目名称为能源产业前沿出题可视化分析的数据样本，我们将全部27881个项目的项目名称提炼出来，汇总为一个文本文件，选择VOSviewer软件分析平台的“基于文本数据制作图谱”(create a map based on text data)选项，共萃取主题词16741个，频次高于10次的主题词为1680个，其中联系关系最强的60%的主题词，即1008个主题词被选中为最终图谱中的主题词(见图2)。

图1　项目培育的科学用户设施

图2　能源产业前沿主题词图谱

图2显示，能源产业前沿高频主题词主要有衍射研究(diffraction study)、数据采集(data collection)、大分子结晶学(macromolecular crystallograp-hy)等。生物大分子衍射技术从衍射线的方向和强度推算生物大分子的空间结构和立体结构，X 射线衍射技术能够精确测定原子在晶体中的空间位置,是迄今研究生物大分子结构的主要技术[36-37]。数据采集是大分子结晶学与衍射研究以及能源基础科学领域其他一些研究的基础和前提。超高分辨率晶体学的常规大分子结晶学能量优化研究[38]、大分子晶体学用于高和低能量的分相和可变束聚焦研究[38-40]等，是近年来能源基础科学领域研究的重要课题。中子和X射线散射学校(NX学校)设立的主要目的，是为研究生提供中子和X射线散射教育，以及如何使用中子与X射线用户设施。NX学校的设立和发展得到美国能源部基础能源科学研究计划的支持。表3列出了BES培育项目频次高于100次的高频主题词。

表3　BES培育项目高频主题词：≥100次

表3列出的高频主题词包括以下几类：第一类反映基础能源科学研究领域前沿的主题词，比如“衍射研究”、“高分子结晶学”、“串行飞秒晶体学”、“单粒子计划运行”等。第二类是反映了通用方法的主题词，比如数据采集、衍射实验、光束线调试等，这些方法广泛应用于能源基础科学研究领域；第三类是代表能源前沿研究主体机构相关的主题词，比如NX学校、生命科学合作获取团队等。这几类主题词并不是孤立存在的，比如，“生命科学合作获取团队”(LS CAT)的主要作用就是为那些需要确定蛋白质结构的研究者们提供大分子结晶学相关的研究资源，在阿贡国家实验室先进光资源科学用户设施为研究者提供X射线衍射实验设施，那里有超强的强流离子束[41]，可以应用于微小蛋白质晶体的反射和柔性聚焦研究。由此可见，研究团队、研究方法和研究前沿主题内容都是密切相关的。

3　结论与启示

本文基于科学的创新思想，选择美国能源部“基础能源科学”计划培育的全部27881个项目数据，运用数据统计和信息可视化技术，对其进行能源产业前沿创新主体、能源产业前沿的创新资助方、能源产业前沿项目培育机构和能源产业前沿主题等分析，探索基于基础能源科学研究的能源产业技术前沿。得到如下结论：能源产业前沿创新主体主要是美国联邦政府的国家实验室和高水平的研究型大学；能源产业前沿的创新资助方，资助项目比例超过10%的机构主要有：美国能源部及其他机构、美国国立卫生研究院及其他机构、国外学术界(美国之外其他国家/地区)和美国自然科学基金会及其他机构。培育BES计划项目数量比例超过10%的科学用户设施分别是“先进光子源”和“斯坦福同步辐射光源”。能源产业高频主题词主要有衍射研究、数据采集、大分子结晶学、中子和X射线散射学校、光束线调试等。

美国能源部科学用户设施对基础能源科学研究项目的创新培育，是基于科学的创新思想与实践的比较完美的结合。美国能源部作为一个政府科学机构，对美国科技经济创新发展发挥着重要的作用[42]，积极催化了基础科学和应用科学的转化、新兴能源产业技术的发现和发展，并将“基于科学的创新”放在优先发展的地位，视其为国家经济繁荣的重要基石[43-44]。以往产业技术前沿的研究，多是采用科学论文数据或专利数据进行的，本研究中我们选择了一个崭新的视角，基于美国能源部科学办公室的“基础能源研究”计划支持的、美国能源部科学用户设施培育项目的统计数据，进行了能源产业技术前沿的探测研究。这些项目，可能仅仅是一个概念，或者是一个想法，也可能是正在进行的科学研究，它们有一个共同的特点，那就是经过了专家的论证、并且被认为是有培育和发展潜力的、可能代表未来能源产业发展方向和前景的项目。我们认为，采用这样的数据进行能源产业前沿技术探测研究，更具有时效性和实效性、新颖性和聚焦性。从理论视角，本研究是基于科学的创新理论与思想的一个尝试研究；从方法视角，本研究可以算是补充计量学研究的一个尝试，是对科学计量学研究数据来源和方法的重要补充和发展。基于创新概念与创新想法的新兴产业培育计划，大大缩短了从科学到技术再到产业的创新路径，美国能源部基于科学的创新实践，为中国新兴产业的创新发展提供了重要的借鉴思路。