关系网络范式下科研合作选择研究——以纳米技术科技报告为例

陆丽娜，袁 芳

（1.江苏省科学技术发展战略研究院，江苏南京 210024；2.中国科学技术信息研究所，北京 100038）

随着科学的发展，与其他科学家合作成为科学进步的关键。科学合作是研究人员为生产新的科学知识这一共同目的而在一起工作［1］。科学合作是科研活动的重要组成部分，有利于知识的生产和科学的发展［2］。早在20 世纪60 年代初，科学计量学之父的Price 就开始对科研合作进行计量研究。随之社会网络方法的引入为考察整体网络结构的产生及其影响提拱了新视角［3］。科研领域从此成为合作关系研究的实验田，交织着各式各样的关系网络，有基于知识关联的知识关系和基于人际关系的合著关系，表征为文献引用网络、关键词共现网络、作者合著网络、机构合著网络、国家合著网络等［4］。科研合作网络一般是指科技活动参与者基于科技目标形成的一种科研合作关系网络。

论文和专利较早进入科研合作网络分析的视野,成为科研合作网络分析的“常规动作”。基于此进行的科研合作网络分析的常规要素包括关键词、作者、机构、国家、参考文献等，但针对合作选择的讨论多针对单一维度进行，缺乏系统的梳理。科技报告作为科技布局的重要产出资源，可以较好地反映基于科技活动的合作关系。本文旨在纳米技术领域科研合作的基础上，提出一种基于科研合作关系网络进行科研合作选择的框架。本文将表明，要进行科研合作选择，就需要系统地对科研合作关系网络进行分析。而国家科技报告恰恰为进行科研合作选择提供了一个极为合适的案例。

1 文献回顾

科研合作关系网络的研究范式日趋多元化。Newman［5］最早把科研合作网络认定为共同完成一篇论文的合作关系。Salinero 等［6］认为多个研究机构合作参与科研项目形成科研合作网络，通过将参与科技项目所有研究单位纳入数据集，去发现新的科研合作领域。由于引文索引恰好可以从一定角度客观地反映科学家之间的思想与行为的联系，早期学者基于引文索引查找目标科学家的合作记录，形成以科学家个体为中心的合作网络［7］。科尔等［8］结合奖励、知名度等指标，利用科学引证索引次数的集中程度对科学家进行了分层赋分。Lahlou［9］则通过分析629 个实验室中183 对合作关系，去衡量合作关系网络的影响力，发现基于实验室形成的科研合作网络有助于推动进一步的科研合作。Lee 等人［10］基于443 位美国科学家的信息，指出学者间合作具有整合个人、机构及环境等优势资源的中介效应，进而证明了基于科学家选择的合作策略对论文出版率的正向作用。Hadded 等［11］通过构建巴西REAL 实验室研究者合作变迁网络，强调处于网络中心的研究者在领域内学术发展过程中的重要地位。Salinero 等［6］基于巴西亚马逊地区的水生脊椎动物的科学合作，呈现了科研合作网络中心单位空间布局与研究重点，也说明基于热点合作领域形成科研合作网络的重要性。总体上，科研合作网络的研究可以分为网络形态的演化选择和网络演化动力机制两个研究路径，关键词、作者、科研机构谓之摸清科研合作网络的基本要素，摸清科研合作网络有利于帮助科研用户快速发现学科领域研究网络全景图，预测未来合作的走向。

作为公认的新兴的技术领域，纳米技术被认为是21 世纪信息、材料和生物医学领域关键技术之一。近年来，关于纳米技术合作网络的研究大量增加。概括起来，纳米技术科研合作网络范式研究主要围绕合作的主体参与、合作网络空间选择、合作技术领域热值变化展开。Pandza 等［12］研究发现大学和研究所在纳米技术合作网络中占据绝对主导地位，证明了纳米技术合作以企业与大学或企业与研究机构合作为主，而企业与企业间合作较少；Tang 等［13］发现中科院是中国纳米领域最大的研究机构（由多个研究所组成），甚至是国际纳米技术合作的领导者。Schummer 等［14］研究发现多学科性、跨学科性是纳米技术领域合作的突出特征,纳米技术领域倾向于选择不同的多学科合作模式。梁立明等［15］指出我国纳米科技研究机构与研究地域具有相对分散的特点。虽然学术界关于纳米技术科研合作网络研究有不少讨论，但主要是基于论文和专利，科研领域的合作还更多地体现在科技项目等方面。基于科技项目而形成的科研合作强关系更多地影响着科研合作的走向。科技报告是国家科技布局重要产出资源，由于其科技档案的属性定位，能够较好地反映基于科研项目合作形成的关系网络。目前关于科技报告这一资源，缺乏足够多的关注和利用，因此基于国家科技报告，针对科研合作关系网络不同层面的分析，可以为科研合作的选择提供多条路径。

2 研究设计与方法

2.1 数据来源

本文以2006—2018 年近15 年间纳米技术科技报告为例。基于国家科技报告后台数据，设计检索策略，提取了5 852 篇纳米技术相关科技报告数据，结合主题、关键词进行第二步清洗，并根据文献的报告类型以及提交年份进行去重，最终获得科技报告2 959 篇，涉及作者5 608 位，关键词7 696 个。然后，提取报告篇名、关键词，进行excel 文件自建。

由于国家科技报告产生数据不支持选择格式导出，数据需要加工处理后才能导入Spss、Ucinet 等软件中进行可视化展示。本文选择使用Bicomb 共词分析软件进行词篇矩阵和共词矩阵的设计以接入Ucinet 进行知识图谱可视化展示。Bicomb 共词分析软件多用于PubMed 数据库、SCI 数据库、CNKI 数据库下载的数据处理，对于自建数据讨论不多。文章采用 Bicomb 共词分析软件对自建样本数据进行格式处理，也是一次很好的尝试。利用Bicomb 软件，进行新项目格式定义，根据研究的需要设定频次阈值，生成可供Ucinet 等软件识别的词篇矩阵和共现矩阵文件。

2.2 研究方法

科研合作网络关系的分析是进行科研合作选择的一条有效的路径，也是预测未来科研合作走向的基础。本文研究基于的假设是不同机构科研人才合作完成的科技报告是其合作关系的反映，关系网络范式下的合作包括地理区域、单位机构、科研人才、技术知识间的合作。本文在科研合作网络分析的基础上，利用知识图谱进行科研合作网络可视化的研究设计，运用科学知识图谱绘制软件Ucinet，直观地展示出单位、人才、技术知识的合作关系。通过共词分析和聚类设计关键词领域热点知识图谱，形象地展示纳米技术领域知识结构和热点分布。通过单位共现矩阵设计单位合作关系知识图谱，分析重点科研单位以及热点合作领域。通过人才共现矩阵设计人才合作关系知识图谱，展示了纳米技术领域中心人才及合作团队。

图1 基于科技报告的科研合作选择路线图

3 基于关键词共现网络进行科研合作选择

3.1 共词分析

高频关键词的确定。关键词是文献核心内容的浓缩和提炼，较文献中其他知识单元，关键词更能直观地反映出文献的内容和作者研究主题［16］。在科技报告中，关键词是基于科技项目研究主题和关键技术点进行填写，高度概括了科技项目的基本内容，因此基于词频分析方法，挖掘纳米技术研究热点，同时考虑关键词之间的语义关联信息，可以发现研究主题轨迹。为更好地预测未来合作领域，基于全部的纳米技术科技报告关键词进行共词和聚类分析，研究纳米技术的重点领域，结合人才密度及人才合作比率等确定关键技术合作方向。

通过词频分析结果来看，纳米技术体系的形成是按照基础技术（基础化学、纳米材料等）开发——基本制造（重点产品：专用机械、生物制药、金属制品等）的路径有序推进的。从下表的关键词词频中可以看出纳米材料共现240 次，碳纳米管共现190次，石墨烯共现145 次，纳米结构共现79 次，自组装共现73 次，纳米颗粒共现69 次，纳米线共现41 次、吸附共现33 次、制备共现26 次、催化共现25 次、组装共现24 次、检测共现22 次，这些是基础技术领域关注的热点。太阳能电池共现37 次，生物传感器共现35 次，传感器共现29 次，锂离子电池共现27 次，肿瘤药物共现25 次，超级电容器共现23 次，这些是纳米技术领域关注的重点产品。需要说明的是纳米材料有很多种，在纳米材料中，科技报告关注最多的是碳纳米管、石墨烯，这些属于新型材料，导电性、储能性比较好，多应用于能源、或者AI 领域，这是基础研究的重点，对应的应用关注的重点是太阳能电池、传感器。这些词频分布说明了纳米技术遵循了基础领域率先发展、应用领域有序拓展的发展路径。以数量科学和化学等为代表的基础学科领域是整个纳米技术的先导学科领域，也为其它技术领域的应用创造了可能的空间。

表1 纳米科技领域前30 位关键词

关键词网络分析。采用Ucinet 软件对关键词共现网络进行分析。下图中节点的位置越集中以及面积越大，说明关键词越重要，能够反映该领域的研究热点。关键词之间的语义关系表征为节点之间的连线，连线的粗细及颜色深浅表示关系的紧密程度。通过关键词的网络图谱可以看出纳米技术研究主要围绕“纳米材料、碳纳米管、石墨烯、纳米颗粒”等开展“催化、氧化、制备”等基础科学研究，应用研究范围广阔，分布在生物、传感、检测、电子、药物、细胞等多个研究领域。

图2 纳米技术关键词网络语义图

3.2 聚类分析

关键词聚类分析用于发现技术知识合作热点。将纳米技术科技报告关键词数据导入Bicomb 分析软件，频次阈值选择大于20 小于240，生成词篇矩阵，导入Spss24.0，选择Binary 中的Ochiai 系数，生成聚类树图。聚类结果反映了这些关键词之间关系的亲疏，进一步反映了纳米技术科技报告聚焦的热点。关键词聚类分析的原理是以同一篇报告中关键词出现的频率（共词）为分析对象，利用聚类统计学分析方法，把关系密切的关键词聚集在一起形成类团，关键词越相似，它们的距离就越近，反之就较远［17］。聚类结果如图3。

图3 纳米技术研究领域关键词聚类图

根据聚类结果的连线，我们把其分为七类。分类一为围绕二氧化钛进行的超级电容器方面的研究，属于纳米能源材料与技术方向，包含由光催化、二氧化钛、掺杂、超级电容器。分类二为围绕氧化锌进行的纳米器件研究，属于微纳加工和微纳器件制备领域，包含氧化锌、纳米器件、生长机理、纳米结构。分类三为纳米技术应用于生物医学方向的肿瘤治疗研究。包含纳米技术、机理、肿瘤、纳米颗粒。分类四围绕半导体进行的纳米功能材料技术方向的研究，包含催化、半导体、组装、纳米。分类五涉及到纳米材料在太阳电池领域的重要应用，包含纳米管、纳米线、太阳能电池，属于纳米能源材料和技术领域。分类六为围绕石墨烯、碳纳米管进行的纳米能源材料技术方面的研究，由三个小分类组成。其中1 小分类由石墨烯、锂离子电池、核壳结构构成。2 小分类由自组装、纳米粒子构成。3 小分类由碳纳米管、复合材料、聚合物组成。分类七为纳米信息材料技术方向研究，围绕纳米复合材料制备，进行生物传感器方面的基础研究。由两个小分类组成。1 小分类由纳米复合材料、制备组成。2 小分类由量子点、检测、生物传感器、电化学、纳米材料、传感器组成。通过关键词聚类结果，结合专家意见，我们把纳米技术领域聚合为纳米生物医学领域、纳米功能材料与技术领域、微纳加工与器件制备领域、纳米信息材料与技术领域、纳米能源材料与技术领域、纳米环境材料与技术领域（纳米复合材料也广泛用于环境材料）六大领域。

基于关键词共现网络发现技术热点以选择科研合作的重点领域。通过对纳米技术热点的研究，发现纳米技术领域科研合作集中在纳米技术前端的纳米材料制备领域较多，中端环节的纳米器件制备以及后端环节的纳米技术的产业化应用涉及多学科多单位。纳米技术合作热点领域聚焦在纳米生物医学领域、纳米功能材料、微纳加工与制备、纳米信息材料、纳米能源材料以及纳米环境材料六大领域。纳米技术产业化应用热点涉及太阳能电池、纳米生物传感器、超级电容等。由此可见，基于石墨烯、碳纳米管等，以综合设计开发新的纳米复合材料为合作研究的重点领域，以支撑生物医学、人工智能、能源、环境、信息领域的融合与变革。

4 基于人才合作网络进行科研合作选择

4.1 合作关系的确定

经过统计得到5 001 位作者，合作人数为2 843人。若多位作者同时出现在一篇科技报告中，则判定其存在合作关系，此科技报告认定为合著。由表2 可以看出纳米技术领域科研合作更倾向于4 人以上合作模式。

表2 合著科技报告统计信息

在科技报告科研合作网络中，定义两位作者同时完成一篇科技报告就表示他们之间有合作关系。通过ucinet 软件，计算出该网络的平均点度中心度为2.71。其中孟国文、占金华、李峰、瞿美臻、徐宁、闻雷、李明涛、汪国忠等作者的点度中心度最高，这些作者在合作网络中项目数量平均为4 项。科研团队如梁兴杰、王东亮，陈蓉、单斌、陈亮、尹宏峰、彭路明，马洁、宋咏梅、刘祥军、彭睿等团队已基本形成。其中孟国文和占金华，李峰和闻雷，李峰和徐宁等核心作者之间也有过合作。在纳米技术领域核心人才及合作团队基本形成。

图4 纳米技术人才网络图

4.2 “结构洞”人才

结构洞理论出自伯特，用来描述非重复关系人之间的断裂，具体来说，社会网络中某个个体和一些个体发生直接联系，但与其他个体不发生直接联系，从网络整体看，好像网络结构出现了洞穴［18］。简而言之，该点在科研合作中起到桥梁和中介的作用，扮演着“中介人”的角色，在科研合作网络中拥有更多的信息、资源和权力，显现出更多的信息优势和控制优势。为了发现纳米技术科研合作网络中位于结构洞的关键人才，选用伯特提出的限制度（constraint）指标进行测量。科研人员受到的“限制度”是指此人在自己的网络中拥有运用结构洞的能力，限制度值越小，表示此人在合作网络中拥有更多的信息和资源的控制优势。处于“结构洞”的科研人员，往往打通不同的合作领域，连接不同背景的人才和团队。如：占金华主要研究纳米结构材料的可控化学合成、功能化组装及光电性能，连接了纳米材料制备的孟国文团队和围绕李明涛纳米材料检测团队以及发展微/纳米材料合成新方法的汪国忠团队；师文生主要研究生物传感器连接了围绕彭睿的纳米生物医学团队和张晓宏纳米功能材料团队。王文龙主要研究柔性纳电子器件和光热电转换器件连接着围绕彭海琳的纳米能源材料团队和白雪冬的纳米信息材料团队。在纳米技术合作结构中，“合作岛”形成了比较大的网络规模结构，我们将纳米技术领域里规模最大的“合作岛”具体构成放大呈现于下图，可以很清楚地看到“结构洞”人才连接的合作路径。

（2）子宫平滑肌瘤病理基础与造影表现。子宫平滑肌瘤是一种常见的女性生殖器官良性肿瘤，大小不同，呈球形或不规则形，具有明显界限，瘤组织切面一般为灰白色。如果出现供血不足或肌瘤生长较快的情况，会出现多种继发性改变。子宫平滑肌瘤造影剂增强一般表现为肌瘤周边首先增强，出现一个半环形增强影，主要供血血管呈树枝样伸入，然后瘤体整个增强。子宫腺肌病表现为多条血管呈不规则分支状进入病灶内，整个病灶区肌层呈不均匀高增强，造影后期呈不均匀稍低增强，边界不清，无包膜感[3]。本研究中16例子宫平滑肌瘤的超声造影符合上述表现，但其常规彩超诊断符合率与超声造影诊断符合率差异无显著性。

图5 纳米技术人才合作岛

“结构洞”科研人才跨接多领域多背景，不仅打通纳米技术的不同领域，连接了不同的合作团队，链接了跨领域的技术合作。通过计算网络中纳米技术科研人员的限制度指标并进行升序排列，选取前20 位低限制度的“结构洞”人才，参照科研人员技术研究所聚焦的合作学科数量、获得的专利授权数量、发表论文的H 指数、参与的国家基金项目，对纳米技术领域的具有合作资源优势的人才进行分析。通过Spearman 相关系数检验的方法，计算纳米技术网络中所有合作的科研人员限制度值与该科研人员的聚焦的学科数量、授权专利数量、H 指数、基金项目数量之间的相关性。从相关性结果来看限制度值与学科数量显著正相关。H 指数与基金项目数量显著正相关。虽然限制度值和专利数量无显著正相关，研究发现位于结构洞的科研人员可以提供很好的专利合作平台。综合科研人才中心度的研究，进行纳米技术科研合作，不仅要与中心度高的科研人才建立连接，还要拓展与低限制度“结构洞”科研人才的合作，推动交叉学科的研究开展。

表3 纳米技术领域前20 位“结构洞”人才

表3 （续）

近年来我国聚集了众多的纳米技术科研人员，鉴于人才合作结构分析发现，纳米技术领域核心人才及合作团队基本形成。基于纳米技术科研人员技术研究内容，进行纳米技术科研合作重点领域确定。根据“结构洞”人才技术研究内容发现，不仅要与中心度高的科研人员建立连接，还要拓展与低限制度“结构洞”科研人才的合作，推动交叉学科的研究开展，深化专利合作。结合“结构洞”人才技术研究内容可以预测，综合计算科学，纳米生物、纳米能源以及纳米功能材料将是未来交叉学科研究成果涌现的重要领域。

5 基于单位合作网络进行科研合作选择

5.1 科研合作中心单位

在科技报告科研合作网络中，定义两位单位同时完成一篇科技报告就表示单位之间有合作关系。一个单位构成科研合作网络的一个节点，单位之间通过整合资源进行研究合作，研究合作影响着知识生产的速度和效率，合作单位之间的关系在科研合作网络图中用连线表示，合作的方向用有向箭头表示，合作的频次用连线的粗细及颜色的深浅表示。本文以科技报告的参与单位名称进行统计，分析不同单位之间的合作情况，每一个参与单位对应科研单位合作网络图中的一个节点，利用Bicomb 生成科技报告参与单位共现矩阵，频次阈值选择≥3，导入Ucinet 生成单位合作网络可视图谱。

我们用度数中心度衡量一个单位节点是否处于合作网络的中心，如果一个点与许多点直接相连，我们就说该点具有较高度数中心度；如果某点具有最高的度数，则称该点居于网络的中心，拥有较多的资源。由图6 可看出，单位之间的合作比较密切，“清华大学、北京大学、复旦大学、浙江大学、海交通大学、中国科学院化学研究所、南京大学、国家纳米科学中心、苏州大学、中国科学院大连化学物理研究所、厦门大学、中国科学技术大学、四川大学、北京航空航天大学”等单位处于整个纳米技术科研合作网络的中心，围绕中心单位形成一个研究合作岛屿，同时这些合作岛屿之间也进行大量的单位合作，形成了纳米技术研究的合作网络。科研单位中心度测量的是科研单位在科研合作网络中的权力，按照度数中心度指数来看，如表4 指数较大的单位，居于网络较中心的位置，拥有较多的权力，对科研合作选择具有较大的影响，其他科研合作单位对其较为依赖。

图6 科研单位合作网络图

表4 科研单位部分度数中心度列表

5.2 科研合作主导单位

各单位基于优势资源在合作对象和合作领域的选择上各有侧重。为进一步找出合作高影响力单位，本文拟从科研合作主导单位、影响力指数两个维度进行确定。在一个整体网络中，每个行动者的关系选择是不同的，移至纳米技术科研合作网络中看，有的单位是合作关系的发出单位，有的则是合作关系的接受单位。从科研主导单位来看，北京大学、清华大学、浙江大学、上海交通大学、国家纳米科学中心、中国科学院半导体所、中国科学院化学研究所、北京航空航天大学、复旦大学、中国科学院大连化学物理研究所在科技报告的科研合作网络中处于主导地位，同时，他们也积极参加其他单位主导的科研合作，此外华东理工大学、南京大学、大连理工大学、哈尔滨工业大学等虽然在主导科研合作方面表现一般，但在参与其他单位主导的科研项目方面表现突出。各个单位在选择合作单位时，基于纳米技术知识的优势，选择与其研究的热点和需求相关的单位进行合作。如北京大学就优势领域纳米生物医学和纳米功能领域与浙江大学展开合作，在纳米功能材料领域选择这一领域的优势单位中国科学院物理研究所开展合作。清华大学和中国科学院大连化学物理研究所在各自的优势纳米功能材料领域开展合作。

表5 纳米技术领域科研合作单位合作领域分布

表5 （续）

6 总结与讨论

本文基于关系网络范式，利用纳米技术科技报告数据，综合运用文献计量法、社会网络分析方法，对纳米技术科研合作网络进行了系统地分析，绘制了纳米技术科研合作网络图谱，涉及技术热点、合作领域、中心单位、关键人才，基于此进行了多维纳米技术科研合作选择。合作可以在不同层面上进行，不同层次间的合作也需要区分，机构间合作有时比个人间的合作更有效，个人间合作多是基于技术热点而展开，关键人才此时显得尤为重要。

需要指出的是，由于个人特征数据的不足，缺乏对合作网络中个人的分析和评价，实现纳米技术点选择与关键人才的精准定位，以及合作关系的特征分析。国家技术布局对科研合作选择的影响将在后续的研究中进行补充。基于科研人员特征数据、科研人员合作质量、合作关系类别、合作的促发因素以及考察科研人员合作的倾向等微观层面需做更进一步研究。