基于管理熵的长沙市科技创新能力提升策略分析

姜向阳 欧阳强斌

(湖南工商大学 工商管理学院，湖南 长沙 410205)

一、引言

《“十三五”国家科技创新规划》明确提出，要依托城市在区域创新中的主体作用，着力将城市打造成区域创新的高地，努力将其建设成为具有强带动性的区域创新中心，以此推动创新水平的全面提升。城市创新系统是连接企业创新系统与区域创新系统的关键纽带，对区域及区域内所在企业的竞争力提升有重要影响。城市科技创新能力是城市创新系统中最具活力的元素，是国家科技创新能力的基石和具体体现，也是城市范围内企业科技创新能力的综合集成及媒介。

据统计资料显示，长沙市在2017年新增的高新技术企业为789家，净增加为483家，二者均创历史新高，增长幅度在中部省会居首位；全市高新技术产业增加值3510亿元，占GDP比重33%，较上年增长2.5个百分点；认证登记的技术合同为3496份，合同成交金额超过100亿元；高新技术产业主营业务收入11000亿元，较上年增长15.5%；授权发明专利4873件，较上年增长15.6%。长沙在加强科技创新能力建设方面，成绩斐然，但与发达地区城市相比，仍然存在创新质量与层次不高、创新经济效益相对不佳等问题。如何进一步提升长沙市科技创新能力，实现长沙市委市政府提出的“2030年将长沙建设成为具有国际影响力的国家科技创新中心”的目标，已成为学术界、企业和政府共同关注的问题。

国内外关于城市科技创新方面的研究主要集中于：一是有关城市科技创新能力评价指标体系的构成与测量，既有以论文或专利数作为单一指标评价体系的[1-3]研究，也有重在反映和刻画科技创新系统的功能要素[4]、构成要素[5]的指标评价体系和方法方面的研究；二是城市科技创新能力的时空格局和差异，主要是运用基尼系数或者变异系数等方法研究科技创新能力等级及其空间分布状态，以揭示创新资源在空间分布上的不均衡性[6-12]，运用空间自相关等研究方法,探讨城市科技创新能力在时间与空间格局方面的变化过程[13-22]；三是城市科技创新能力与经济发展之间的关系研究,主要运用回归方法、协同学、系统理论分析城市科技创新系统及其组成要素间的关系，城市科技创新能力成为驱动经济发展的引擎的条件[23-27]；四是城市科技创新能力提升的路径选择研究，从目前发表的文献看,主要以创新基础比较好的发达城市为研究对象，很少有针对性地对占城市大多数的二三线城市的创新能力提升展开研究,而且大多数局限于从理论层面提出对策建议[28-32]。

纵观国内外已有研究，虽然取得了许多成绩,但大多数研究并没有深入到城市科技创新系统内部作用机理进行研究。城市科技创新系统是由企业、高校、研究机构、中介机构和政府等行为组织组成的复杂巨系统,现有文献在研究其各组成系统关系时，多是从线性思维角度进行分析,仍然属于一维线性叠加的方法，没有把城市科技创新系统当成复杂的巨系统来把握。同时在评价指标体系中, 关于各系统在权重分配上分歧意见仍然较大，谁也无法提供有力的科学依据。本文试图运用管理熵理论对长沙市科技创新这一复杂系统展开研究，挖掘其内在运行机理，探寻它们如何通过自组织和自适应，实现系统向更高级、更优化的秩序演变,找到提升长沙市科技创新能力的基本路径，为早日实现把长沙建设成为具有国际影响力的国家科技创新中心的目标贡献一份力量。

二、管理熵理论

(一)熵理论

“Entropy(熵)”一词由德国科学家Clausius首创[1]，自1850年Clausius提出熵的概念后，不少人给出了其直观解释，最有名的要数Boltzmann给出的熵的定义[2]。

Boltzmann提出了熵是无序(紊乱)的度量，他还断定熵增加原理就是无序性增加定律。Boltzmann给出的计算熵公式为：

S=klnW

(1)

其中，k为Boltzmann常数，W为热力学概率。Boltzmann公式为宏观状态函数S与微观状态函数W之间架起了一座桥梁。

在参考Boltzmann及齐拉德等的研究基础上，1948年Shannon发表了“A Mathematical Theory of Communication”论文，Shannon通过引入了信源的信息熵为[3]：

(2)

它代表了信源输出后每个信息所提供的平均信息量，或信源输出前的平均不确定度。ai为信源可能取的信息(符号)，P(ai)为选择信源符号ai作为信息的先验概率，该论文是现代信息论的奠基之作。

1951年L.Brillouin首次将Shannon的信息量与熵联系起来，建立了信息负熵原理[4]。即：信息=熵的减少=负熵的增加。这表明，信息可以转化为负熵，反之亦然。

比利时物理学家、化学家诺贝尔奖获得者Prigogine，他通过对近平衡态热力学特点进行研究，发现了最小熵产生定理[5]。随后对远离平衡态的物理现象进行深入研究，提出了著名的耗散结构理论。

耗散结构理论的出现丰富了热力学和统计物理关于相变研究的内容，为物理学研究非平衡非线性问题提供了新理论和方法。在生物和化学领域，为生命体的生长和发育提供了新的解释。同时，也打开了物理科学通向生物科学和社会科学的窗口。

(二)管理熵与管理耗散结构

1.管理熵的内涵及数学模型

自从Clausius提出熵的概念以来，熵的思想在许多领域得以运用，人们从不同学科对熵加以转义。

任佩瑜自1990年代以来，开始了管理熵理论的研究，并从能量和效率视角定义了管理熵。所谓管理熵是指任何一种与管理有关的组织、机制/制度、政策、法规等，在相对封闭的系统的运动过程中，有效能量会表现出不断降低，无效能量不断上升的不可逆过程，表现为管理效率递减的规律。在管理当中之所以存在这个规律，主要原因源于复杂的组织运动以及复杂的运动过程均要受到若干不确定的、而又相互影响的因素的控制。

首先，组织系统总是存在一定的边界，在一定边界条件下，可以将组织系统看成是一个相对封闭的孤立系统；其次，组织内部有等级结构，反映其内部存在着能量差异，因此组织系统处于非平衡状态。

(3)

其中，i为影响系统熵值的各要素，Ki为各特定因素的权重，Si为各种影响因素所产生的熵值。

(4)

其中，KB为管理熵的系数，其定义为：在企业所处行业中，平均增加的单位收益所需追加的成本值，Pj为每个影响企业熵值变化的概率，且∑Pj=1。

由(3)式和(4)式就可确定出系统内部熵值S1。组织系统内部熵值S1的大小是衡量组织内部无序度的尺子，熵增加的过程定量化刻画了系统从有序走向无序的过程。从管理角度来看，组织系统内部的熵增加的过程与组织效率递减的过程相对应。

2.管理耗散和管理耗散结构

将Prigogine的耗散结构理论转义到企业管理学中，相应可以得出管理耗散和管理耗散结构概念。管理耗散是指处于远离平衡态的复杂组织系统，不断地与组织外部环境进行物质、信息或能量进行的交换时，在组织内部的各构成单元之间的非线性机制的交互作用下，环境流入要素形成负熵流，促使组织有序度不断增加，当负熵流导致的组织有序度增加超过系统本身的熵产生而导致的无序度增加时，就出现了新的有序结构，进而会产生新的功能。管理耗散结构本质上是管理耗散过程中所形成的自组织和自适应的组织系统。企业管理的实质是促进负熵出现的过程。

(5)

其中，j为导致组织产生负熵的各种要素，如新技术、灵活的机制、高效的政策、良好制度、先进的企业文化等。Kj为企业导入的负熵流中各个要素所占份额。Sj为各要素的负熵值。

(6)

由(5)和(6)可求得总的负熵值Se。

因此，对于开放系统而言，系统的总熵值为：

S=S1+Se

(7)

对于开放的、远离平衡态的、非线性系统，只有当S<0时，该系统才有可能形成耗散结构。

对管理熵增加的组织，可以通过开放的政策、组织系统进行流程再造、不断引进关键人才等，通过不断引入负熵流以克服系统熵增加，经过协同和突变，促使组织朝有序方向发展，提高组织效率。

三、长沙市科技创新能力评价指标体系设计

(一)指标体系设计的指导思想

由于城市科技创新系统的结构、层次的复杂性和开放性，评价指标体系自然要求具有结构的复杂性和指标的开放性。城市科技创新能力评价不能只片面反映城市科技创新能力状况的某个方面，而要有利于了解城市科技创新能力的整体状况，有利于从整体上来把握城市科技创新系统。因此，在设计城市科技创新能力评价系统时，首先要依靠正确的方法论(Methodology)指导，其次要通过具体的技术(Methods)层面来实施。处理复杂系统的方法论方面，著名科学家钱学森早在1990年就提出了从定性到定量的综合集成方法(Meta-Synthesis)，该方法认为首先应将科学理论、经验知识和专家判断相结合，在此基础上形成经验性的假设，然后运用经验数据和资料以及模型对其假设进行检测，经过定量计算及反复对比，最后形成结论。

在Meta-Synthesis指导下，挖掘出提升城市科技创新能力的内在机理是评价系统极有价值的研究课题，但目前尚未引起人们的足够重视。

任佩瑜将熵的方法及思想引入到管理科学研究中，创造性提出了管理熵和管理耗散结构理论[33]。管理熵是指企业组织在一定的时空域中，反映企业有序程度和能量状态的能效比值。城市科技创新系统作为一个非线性的复杂的系统，其自身的复杂性和环境的不确定性，使得组织管理系统的演化充满着不确定性和混沌性，致使孤立的组织系统有效能量降低，而无效能量增加，城市科技创新系统从有序向无序发展，城市竞争能力下降，表现为管理熵增的过程。管理熵增原理揭示了组织内部管理效率递减以及管理系统有序性递减的普遍规律，从理论上证明封闭系统最终必然从有序发展到无序乃至走向衰亡的不归路。然而管理耗散结构却揭示了开放的组织管理系统，在一定的环境条件下，可以实现由无序→有序、由较低有序→较高有序发展的趋势，揭示了开放的管理系统存在管理效率递增的规律。复杂的城市科技创新系统矛盾地向前发展正是管理熵和管理耗散这两个规律在复杂条件下交互作用的结果。

从逻辑角度来看，管理熵揭示了城市科技创新能力内在的传导机制。管理熵刻画了系统的有序程度，而系统的有序性反映了系统构成要素之间的关系、系统的层级结构、系统具有的功能以及系统的发展演化方向与进程。因此，管理熵从本质上挖掘出了影响系统竞争力的“钥匙”，抓住了管理熵就抓住了城市竞争力的“牛鼻子”。本文运用管理熵理论，设计出一种既能反映长沙市科技创新能力水平，又能判断子系统内部及子系统之间的协同发展趋势，从而对长沙市科技创新能力做出全面综合集成评价的模型。

(二)指标选取的原则

建立一套能够客观科学地反映城市创新能力的评价指标体系是对一个城市的创新能力进行定量评价的极为重要的环节，科学的评价指标体系及评价模型必须遵循创新能力的内在作用机理，并遵循一定原则才能建立起来。兼顾创新能力评价体系构建的一般性和长沙市创新能力的特殊性，在设计长沙市创新能力评价指标体系及评价模型要遵循三项原则。

1.完备性原则

科技创新是一个涉及面非常广泛且各涉及面内容相互联系的复杂系统，如经济、环境、科技、资本和人才等，这些方面交互作用,产生协同。因此，长沙市创新能力指标体系的构建应该体现指标间的协同机理和完备原则。

2.科学性原则

所选择的指标应该是建立在对城市创新的客观认识基础上，能够科学地反映创新能力的本质、内涵、内在作用机理和长沙市的现实状况。指标的选取要能够反映不同参评对象的特点，便于横向比较，也应该具有历史延续性，便于动态分析。

3.可操作性原则

首先，创新能力指标体系中的指标应该尽可能采用通用的名称、概念，要具有一般性，能够为大多数人所理解和接受，而不是过于生僻、统计口径不清晰的指标，避免理解偏差。其次所选取指标的数据应该是可以采集到和获取到的(如果指标的数据无法获取，这样的指标再科学也没有价值)，有权威性、有可靠的数据来源，这样才能保障综合评价结果的客观性。

(三)指标体系构成

本文在对长沙市科技创新能力评价指标体系的构建过程中，基于科技创新能力系统是由企业、高校、研究机构、中介机构和政府等行为组织组成的复杂巨系统，从系统论的角度进行了指标设计，考虑各个构成部分的内在关系。与此同时，参考了大量有关科技创新分析评价方面的文献，全国经济综合竞争力研究中心福建师范大学分中心发布的《二十国集团(G20)国家创新能力发展报告》、中国科技发展战略研究院发布的《中国区域科技创新评价报告2018》和中国(河南)创新发展研究院撰写的《河南省城市创新能力评价报告》等。在此基础上，根据长沙市的特点，基于数据来源的可得性和评比对象的差异性，分别构建了长沙市、湖南省其他地州市以及全国省会城市的科技创新对比指标评价体系。这两个评价指标体系皆由系统层、要素层、基础层三层指标构成，这三层指标分别对应为一级指标、二级指标、三级指标。长沙与湖南省内地州市的对比科技创新指标评价体系包含1个一级指标、4个二级指标、25个三级指标的城市创新能力指标体系。同样，长沙与全国其他省会城市科技创新指标对比评价体系包含1个一级指标、4个二级指标、25个三级指标的城市创新能力指标体系。但是为了保持一致性和可比性，两个评价的一级和二级指标一致，只有少量三级指标具有差异性。

评价指标体系中一级指标为城市创新能力。这是评价一个城市创新能力的系统性和综合性指标，反映了整个城市创新系统的各个方面，起到统领的作用，从总体上反映了城市的创新能力水平。

二级指标主要由创新基础、创新环境、创新投入和创新产出等四个维度刻画创新能力水平的高低。

1.创新基础

创新基础既要考量城市经济社会发展水平对创新能力的助推效果，又要考察城市创新能力的内生需求。体现一个城市的经济和金融发展的基础和现状，又反映一个城市对创新发展的需求，是提升城市创新能力的物质基础。主要包括城市的经济总量、经济增长水平、财政收入和金融发展水平等衡量指标。

2.创新环境

良好的创新环境一方面可有效聚集和优化配置各类创新资源，以提高创新资源的有效利用；另一方面有利于产生具有市场意识和竞争力的创新主体，此外良好的创新环境有利于推进创新成果市场化进程，最终实现创新绩效提升和创新能力的积累。城市创新环境主要包括城市高校发展规模、高新技术数量及其发展水平等方面的指标。

3.创新投入

创新投入是城市创新能力形成的物质基础，创新资源投入的规模、质量和结构在一定程度上决定了创新产出的高低以及创新效率水平，是衡量城市创新能力强弱的核心指标。主要评价指标有研发经费投入、研发人力投入等。

4.创新产出

创新产出是城市创新能力的最直接表现，创新产出的结果和创新质量水平直接反映了创新能力的高低。主要评价指标包括科技产出、高新技术产业数量以及从业人员数、企业发展水平等方面。

根据创新基础、创新环境、创新投入、创新产出四个要素的内涵、构成及范围，可以进一步将二级指标细分三级基础层指标。基础层指标由可直接度量的指标构成，是整个创新能力指标体系的最基本层面和操作层面，整个指标体系的评价都落实在这个层面上。长沙市科技创新评级体系(见表1)。

表1 科技创新能力评价指标体系

四、实证分析

(一)管理熵评价模型

在求每个城市科技创新能力综合得分的过程中，需要知道每个指标的权重，获取权重的方法有层次分析法、主成分法和熵值法等。层次分析法是一种主观赋权法，而主成分法和熵值法是客观赋权法，本文拟进行客观赋值，但由于评价的样本数少于指标数，主成分法不可行，因此本文选择了熵值法对三级指标赋权。利用熵值法来求得各三级指标的权重，再用每个城市的每个三级指标得分乘以该项指标权重并求和得到每个城市的综合得分。

熵是对不确定性的一种度量。信息量越多，不确定性就越小，熵就越小；反之，信息量越少，不确定性就越大，熵也就越大。根据熵的特性，可以通过计算熵值来判断某个指标的离散程度，如果指标离散程度越大，则该指标对综合评价产生的影响就越大；如果指标的离散程度越小，则该指标对综合评价产生的影响也就越小。因此，根据各项指标的变异程度，利用信息熵计算方法，可以得出各个评价指标的权重，为多指标综合评价问题提供决策依据。具体计算过程如下：

第一步：确定n个城市，m个三级指标情况下，则Xij为第i个城市的第j个三级指标的数值(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)

第二步：对三级指标的数值进行归一化处理。

(8)

第三步：计算第j项指标下第i个样本值占该指标的比重。

(9)

第四步：计算第j项指标的熵值。

(10)

其中，k=1/ln(n)>0，所以满足ej≥0。

第五步：计算熵冗余度。

dj=1-ej，j=1，…，m

(11)

第六步：计算各项指标的权重。

(12)

第七步：计算各个城市科技创新的综合得分。

(13)

通过利用管理熵理论客观测出各项指标所占的权重wj，其中，ej值越接近1，越说明管理熵确定的权重的方法更为科学。

(二)数据来源

全国省会城市科技创新相关数据主要来自于2018年的中国城市统计年鉴、各省统计年鉴；湖南省所属地级市科技创新相关数据主要来源于湖南省统计年鉴、各地级市统计年鉴，能够保证统计数据的权威性、客观性。其中，部分数据是经计算之后得到的。

(三)评价结果及其分析

把收集的统计数据代入以上计算步骤，计算出省会城市三级指标权重和二级指标权重(见表2)、湖南省各地州市科技创新能力在二级指标上的排名和综合排名(见表3)，得到长沙市在湖南省所有地州市中的创新能力评价结果及在全国所有省份城市中的创新能力评价结果(见表4和表5)。

表2 省会城市科技创新能力评价指标权重

从表3可以看出，长沙市在技术创新投入、创新产出、创新环境和创新基础四个维度方面均远远高于其他地州市，其综合创新能力也远高于其他地州市，湖南地州市技术创新能力十分不平衡，相对而言，经济发达地区和高校数量较多地区技术创新能力强，技术创新能力排名和经济排名具有较强的正相关性。

表3 湖南省地州市创新能力评价排名(2017)

表4 省会城市创新能力评价排名(2017)

从表4可以看出，相对全国其他省份城市来说，长沙的创新能力在全国所有省份城市中排名第11，属于中上等水平，创新基础较好，排名第六，但环境相对差一点，排名第15。

表5 长沙在全国省份城市中技术创新能力三级指标排名

从表5看，长沙市相对于全国其他省会城市而言，在国家级高新从业人员、高等学校教职工人数方面表现较好，相对落后的三级指标有技术市场合同成交额、公共图书馆数、互联网宽带数、财政科技支出等。

五、提升长沙市科技创新能力的策略

针对长沙市科技创新能力评价指标，运用管理熵理论及熵权的计算结果,通过对长沙市科技创新能力得分情况分析，精准选择创新能力提升路径。

(一)加大力度培育科技创新服务系统

专利授权数(件)和研发人员占从业人员比重(%)是影响城市创新能力最重要的两个因素，权重分别排第1和第2位，这两方面长沙在省会城市中排名分别为第14和第10位，处于中等水平和中上水平。联系长沙的实际情况，长沙虽地处中部内陆，但优质的高等教育资源还是比较丰富，985高校三所，超过武汉、成都、广州等发达省份，高端研发人才和其他省会城市相比，有一定优势。研发人员占从业人员比重之所以排在第10，可能原因是在省会城市，长沙的一般高校，特别是211高校数量相对较少。事实上，在研发人员占从业人员比重上，长沙完全可以以质取胜。通过发挥985高校的高端研发人才优势，充分调动这些人才的积极性，可以在专利技术方面得到较大提升。因此长沙市要加大力度培育科技创新服务系统，在科技服务、产学研合作、人才梯队建设等方面，为大中小型高技术企业提供有针对性的创新服务。要借助“百人计划”“千人计划”“万人计划”等人才工程，加大高端人才培育引进力度，引进一批高层次人才和团队来长沙创业创新。在高端人才的小孩入学、住房购买等方面开辟绿色通道，提供有竞争力的报酬和晋升通道，解除其后顾之忧，激发高端人才的创造力，推动创新能力的提升。

(二)加快科技军民融合进程

长沙除了拥有中南大学、湖南大学这些综合性“双一流”高校，还拥有国防科大这所军队唯一一所“双一流”高校。国防科大具有人才聚集、智力密集、资源富集等优势，学校拥有天河、北斗导航、激光陀螺、磁悬浮等一批原处性高端技术成果，但受军队不经商的限制，学校科技成果在长沙转化没有达到预期效果。事实上，国防科大的科技成果转换渠道较多，有的省份科技政策创新与支持力度更大、机制更灵活、更具吸引力，致使国防科大很多重要成果没有留在湖南，例如“超算”等重大成果已在天津、广东等地转化。因此，长沙市委市政府应该真正认识到国防科大在长沙科技创新中的重要价值，一方面要以国防科大创新为龙头，有效推动创新链的延伸与发展；另一方面地方政府要强化顶层设计，做强实体，做优环境，逐步建立长沙科技军民融合体系，推动军民融合进程。

(三)加大财政政策对科技创新的支持力度

在省会城市科技创新能力评价中，财政科技支出占公共预算支出比例和地方一般公共预算支出的权重也比较大，分别排第3和第5位，说明长沙市可通过加大财政政策对科技创新的力度，实现创新能力的提升。一方面，继续用财政税收政策推动企业扩大投资、技术改造、科技创新、新产品开发和创名牌产品建设；另一方面，加强专业化配套建设，搭建公共服务平台，依托具有高成长性、高技术性的企业，联合高校科研院所及具有较大发展潜力的科研服务型企业，组建高技术产业重大研发平台与产业集群孵化器，增强高新技术产业集聚力和经济溢出效应，为企业转型升级注入动力和资源基础。应积极寻找智能化、数字化、网络化发展的新路径，实现产业模式和企业形态发生根本性转变。要把握数字化、网络化、智能化融合发展的契机，以信息化、智能化为杠杆，培育经济高质量发展的新动能。有条件的中小企业主体，应积极参与国家工业互联网创新发展战略，在国家工业互联网发展行动计划中寻求发展机会，在信息化驱动引领的新引擎作用下，实现转型升级和高质量发展。

(四)加大改革开放力度，优化营商环境，吸引外商直接投资

外商直接投资合同项目在省会城市科技创新能力评价中的权重排第4位，长沙得分排第10名，提升长沙科技创新能力，外商直接投资合同项目也是很关键的指标。长沙地处内陆，要在与沿海等发达城市竞争中吸引更多外商投资，必须加大改革开放力度，优化营商环境。只有构筑营商环境“高地”，才能成为降低营商成本“洼地”。长沙市望城区在推进提速行政效能、降低营商成本、保证合法权益、保证政策落地、保证清廉担当的营商环境五大专项行动，打造以“极省型”为特色的营商环境，先后吸引15家世界500强企业直接投资入驻，打造出“望城速度”的名片。这种做法值得推广也能够推广。