航空装备制造产业专利合作的网络结构与演化

祝建辉，史恒新，尤俊锐

（西北工业大学管理学院，陕西西安 710072）

航空装备制造产业是战略性新兴产业的重要组成部分,发展航空装备制造产业不仅有助于促进当前我国经济结构调整和产业结构升级，也深深影响我国建设航空强国的成效。近年来，随着大飞机项目的上马与推进，我国航空装备制造业取得了快速发展和长足进步，但在产业核心技术领域，与国际航空巨头相比仍有较大的差距，例如我们引以为傲的国产大飞机C919 的发动机还要从美国通用电气公司进口。而随着当前中美贸易摩擦日益加剧，美国加强了对我国的技术封锁。因此，摆脱对国外核心技术的依赖、提高技术创新能力成为我国航空装备制造产业发展中面临的一个关键问题。我国航空装备制造产业被列入国务院2016 年印发的《专利密集型产业目录》，属于典型的专利密集型产业，专利已成为判断航空装备制造产业技术和创新态势的重要指标。值得注意的一个现象是，近年来，在新技术不断涌现、交叉融合的背景下，越来越多的航空装备制造企业与高校、科研院所合作研发并联合申请专利，实现资源共享与优势互补，从而在他们之间自发地形成一种专利合作网络。这种专利合作网络可以大大降低创新成本及风险、提高产业技术创新能力，但是，目前我国航空装备制造产业对专利合作网络的发掘和利用还远远不够，专利合作网络的创新和聚集效应还没有充分发挥出来。在此背景下，发掘、利用和优化专利合作网络来提高产业技术创新能力，成为我国航空装备制造产业缩短与国际寡头之间的技术差距、打破技术封锁的一条重要途径。

1 文献综述

在专利合作网络方面，自Narin［1］在“专利计量”一文的研究中首先提出专利合作问题后，越来越多的学者开始研究专利合作网络。这些研究可归纳为3 个方面：一是研究地域专利合作网络的结构及演化，如Ejermo 等［2］认为地理距离是专利合作网络的关键影响因素，专利合作网络中一般存在着区域内聚集的现象；Pan 等［3］对我国31 个省份的专利合作网络进行研究，发现地理距离会对专利合作网络的联动产生影响；但另一些学者提出不同看法，如Wilhelmsson［4］发现人口居住越密集、产业结构越多样化的城市往往专利合作水平越低；郑蔚等［5］构建了福厦泉跨城市专利合作网络，利用“熵”的概念对网络演化的有序性进行测度，发现跨城市合作网络在演化过程中出现明显的熵增现象。二是研究某产业专利合作网络的结构及演化。学者们普遍认为专利合作对某产业的技术创新和发展具有促进作用，如Zhang 等［6］从软件服务业、曹霞等［7］从新能源汽车产业、李培哲等［8］从卫星及应用产业、陈瑾宇等［9］从芯片产业分别印证了这一点，但遗憾的是，这些研究均未涉及航空装备制造产业。三是研究发明人和专利权人专利合作网络的结构及演化，如Balconi 等［10］分析了高校教授在意大利发明人专利合作网络中的作用；Lissoni 等［11］发现高校在专利合作网络中占据核心地位，与其他类型发明人合作关系稳定；李雨浓等［12］发现综合类高校、理工类高校和能源型企业在校企专利合作网络中居于核心位置。

在航空装备制造领域，赵云等［13］、孙志学等［14］、简南红［15］等主要从专利布局、专利竞争、专利战略等方面对产业专利情况进行分析，但尚未对航空装备制造企业间的专利合作问题展开充分的研究。此外，在航空装备制造领域的技术合作和产学研合作方面，学者们展开了较为充分的研究，如冯良清等［16］提出航空装备制造产业全面协同创新思路，提出了“全产业链-全要素-全过程-模块化协同”的“三全一协同”创新模式；龚素霞［17］研究了影响航空产业产学研聚集经济发展的主要因素；李春林等［18］构建了航空装备产业政府作用与知识共享共性技术协同研发绩效的理论模型；雷小苗等［19］对美日德英法各国的航空发动机企业开展国际合作的经验教训进行定性的梳理分析，为我国航空发动机产业与国际巨头合作提供了建议。这些研究为本研究提供了有益的借鉴。

综上所述，在专利合作网络方面，已有研究给本研究提供了坚实基础和有益启示，但已有研究较少涉及航空装备制造这一战略性新兴产业。航空装备制造业是国家战略性先导产业，其“军工为主，民用为辅”的产业格局导致其专利合作网络具有特殊性，值得我们进行研究；另外，在航空装备制造领域，学者们虽已从各个角度对航空装备制造产业的专利状况进行分析，但多是从单一的、静态的视角出发，对产业的专利状况和专利合作网络缺乏全面的、系统的、动态的分析。因此，本研究以航空装备制造产业专利合作申请数据为支撑，运用社会网络分析方法，从整体出发构建专利合作网络。具体来说，从合作主体与合作类型、网络结构、网络演化、重要节点以及地域分布等方面进行分析，以期揭示航空装备制造产业专利合作网络的结构特征和演化规律，为优化航空装备制造产业专利合作网络、提高产业技术创新能力以及制定产业发展战略提供参考。

2 研究设计

2.1 数据来源及处理

以我国航空装备制造产业为对象构建专利合作网络。首先进行数据收集和处理，将数据转化为N×N共现矩阵，利用社会网络分析软件UCINET 和Gephi 进行网络分析和可视化处理。由于发明专利的申请难度和技术含量更高，相比实用新型和外观专利更有代表性，所以本研究选用合作申请发明专利来表示航空装备制造产业中的专利合作关系。通过在广东省战略性新兴产业专题专利数据库中检索，共得到航空装备制造产业发明专利71 657 项，筛选专利申请权人大于2 的发明专利，得到合作申请专利5 594 项；再从中继续剔除国（省）代码为外国及含有自然人申请人的专利，得到我国航空装备制造产业合作发明专利3 930 项数据（以下简称“样本”）。有关航空装备制造产业合作申请专利数据最早出现在1985 年，所以本研究考察的时间范围为1985—2018 年。

通过对样本数据分析可见（见图1），在34 年间，我国航空装备制造产业合作申请发明专利数量逐年递增，说明该产业技术创新水平不断提升。此外，从图1 中能明显观察到合作申请发明专利数量的增速逐渐加快。基于此，可将我国航空装备制造产业专利合作分为3 个阶段：

图1 我国航空装备制造产业合作申请发明专利趋势

（1）1985—2006 年为初始期。在此期间，我国航空装备制造产业合作申请发明专利数量从无到有、缓慢发展，专利合作水平较低。

（2）2007—2012 年为成长期。2010 年国务院审议通过《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，将航空装备作为发展战略性新兴产业的重要内容；同年，工信部印发《高端装备制造业“十二五”发展规划》，将航空装备工程列为重点扶持工程。这些因素促使我国航空装备制造产业稳步发展，在此期间，合作申请发明专利总量为465项，约为第一阶段合作申请发明专利数量的8 倍。

（3）2013—2018 年为繁荣期。《民用航空工业中长期发展规划（2013—2020 年）》和国家发展高端制造业等发展规划的颁布，为我国航空装备制造产业发展创造了良好的环境。随着专利合作的不断深入、技术的积累与突破和此前各阶段政策积极影响的累积，我国航空装备制造产业合作申请发明专利数量呈现出厚积薄发、快速上升的趋势，合作申请发明专利总量达3 407 项，约为第二阶段合作申请发明专利数量的7.3 倍。可以预见的是，我国航空装备制造产业的专利合作发展动力强劲，未来仍将保持高速增长态势。

2.2 研究方法

采用专利计量、社会网络分析、数据可视化等研究方法，运用UCINET、Gephi等社会网络分析软件，构建我国航空装备制造产业专利合作网络拓扑结构图，并分析网络相关结构指标，对网络结构演化及其空间演化进行分析。测度航空装备制造产业专利合作网络的指标主要包括：

（1）节点数，即网络中包含的全部合作主体数量，记为N。

（2）关系数，即网络中节点间连接总数，记为R。

（3）网络密度，即网络中实际存在的关系数量与理论上最大可能存在的关系数量之比［20］。计算公式为，其中R为实际存在的关系数量，N为节点数。网络密度反映网络稀疏程度，越大网络越紧密，越小网络越松散。

（4）网络直径，即网络内部任意节点之间的最大距离，表示为。

（5）集聚系数，即网络中节点紧密程度的一种度量，是节点集聚系数的平均值。节点集聚系数计算公式为，全网集聚系数计算公式为。

（6）平均路径长度，即网络中任意两节点i和j之间的最短路径所含边的数目，为节点间的距离，全部节点间距离的平均值L为网络平均路径长度［21］。计算公式为。

（7）成分，即成分反映网络连通性。在成分内部存在关联，各成分之间没有任何关联。

3 航空装备制造产业专利合作网络结构分析

根据样本专利数据构建1985—2018 年我国航空装备制造产业专利合作网络，如图2 所示，网络中每一个节点都代表一个专利申请人，节点越大表明与其合作的主体越多；每条连边代表着连边双方的合作关系，合作次数即为连边权重，边越粗表示合作越频繁。由图2 可见，我国航空装备制造产业专利合作网络整体是非连通的，部分节点在网络中明显占据核心地位，形成一个较大子网和多个小型子网。

图2 1985—2018 年我国航空装备制造产业发明专利合作网络

1985—2018 年我国航空装备制造产业专利合作网络拓扑结构指标如表1 所示，可见网络中许多节点尚未形成直接联系，专利合作程度不够充分，网络活力不足；多数专利申请人之间合作很少，联系偏弱，少数关键申请人作为中间方构成传递信息、联系其他节点的纽带。

表1 1985—2018 年我国航空装备制造产业发明专利合作网络基本属性指标

无标度特性是网络的重要特性之一［22］，利用MATLAB 软件绘制网络节点度在双对数坐标系下的度分布，如图3 所示，网络节点度分布服从幂律分布，无标度网络特征明显，即网络中部分核心节点主导整个航空装备制造产业专利合作网络。

图3 1985—2018 年我国航空装备制造产业发明专利合作网络节点度分布

中心性分析是衡量网络节点重要程度的关键指标，本研究选取标准化后的点度中心度和中间中心度两个指标发掘1985—2018 年我国航空装备制造产业专利合作网络中的重要节点。点度中心度、中间中心度排名前十的样本发明专利申请人如表2所示，点度中心度强的申请人在网络中的地位较高，与其合作的主体较多，带来了更多的合作关系，使网络更加紧密；中间中心度强的申请人通过合作而影响整个网络的能力较强，比如北京航空航天大学，虽然其点度中心度排第7 位，但是其中间中心度位居第2 位，即北京航空航天大学虽与其他主体的合作次数排名不是最高，但其在网络中起到连接枢纽的作用，对整个网络合作的影响很大。

表2 1985—2018 年我国航空装备制造产业发明专利合作网络中心度

4 航空装备制造产业专利合作网络演化分析

4.1 基本结构演化分析

运用社会网络分析软件UCINET 及Gephi 对1985—2006 年、2007—2012 年、2013—2018 年3 个阶段的样本专利合作网络演化发展进行分析及可视化处理，如图4～图6 所示，其拓扑结构特征变化情况如表3 所示。

图4 1985—2006 年我国航空装备制造产业发明专利合作网络

图5 2007—2012 年我国航空装备制造产业发明专利合作网络

图6 2013—2018 年我国航空装备制造产业发明专利合作网络

表3 我国航空装备制造产业发明专利合作网络结构整体特征变化情况

网络节点数反映网络规模，从表3 的网络拓扑结构来看，我国航空装备制造产业发明专利合作网络规模持续扩大，随着网络规模的增大，关系总量也不断上升，但在网络规模及关系数量均加速增长的同时网络密度却呈现下降趋势。这是因为虽然网络中节点数和关系数不断增加，但由于新增节点带来的潜在联结边数远大于网络中增加的实际边数，导致网络密度下降，3 个阶段网络密度均低于0.02，表明我国航空装备制造产业专利合作仍然存在较大的发展空间。

网络凝聚性反映网络整体之间联系的密切程度，一般会用到集聚系数、平均路径长度以及成分分析对网络的凝聚性进行分析［23］。集聚系数反映节点在多大程度上是相连的，取值范围为0～1，数值越大说明节点越可能相连，节点关系也越紧密，合作交流更为便捷。从表3 可见，3 个阶段的集聚系数均远高于同阶段的网络密度，说明我国航空装备制造产业发明专利合作关系的建立并非随机选择，存在择优连接性，即新增节点会优先选择连接到已经具有高连接数的节点。平均路径长度指的是网络中任意节点可到达彼此的路径长度的平均值，从表3 可见，3 个阶段的平均路径距离均小于6，说明任意申请人通过6个以内的节点就可与其他节点联系。总体来看，该网络演化发展的3 个阶段均满足集聚系数较高、平均路径距离较小的特征，具有鲜明的小世界效应［24］，有利于网络中资源、信息的分享，方便机构间的交流合作。

成分反映网络连通性，成分内的节点具有直接或间接的相连关系，但是成分间的节点不存在相连关系。利用UCINET 软件分析样本专利合作网络演化发展3 个阶段的成分信息，如表4 所示，3 个阶段的成分数量和最大成分规模持续增加，其中2013—2018 年成分数增加到330 个，约为上阶段成分数的3 倍，最大成分规模高达707 个，占到该阶段网络节点总数的46.3%。分析最大成分内部的机构，包含中国运载火箭技术研究院、中国商用飞机有限责任公司、北京航天发射技术研究所、北京航空航天大学、西北工业大学等，包括企业、高校以及科研院所3 种主体类型，进一步反映出这些机构合作研发的紧密关系。此外可见，各阶段网络中小规模的成分数量均远大于大规模的成分数量，如在2013—2018年存在大量规模为2 的成分，共有230 个，占该阶段总成分个数的69.7%，这些成分是相互独立的，彼此缺乏联系渠道，没有合作关系，在一定程度上导致了网络连通性和网络密度的降低。因此，应注意加强引导小规模成分中的机构开展研发合作，促进这些机构交流合作，保证网络更优的流通性和紧密性。

表4 我国航空装备制造产业发明专利合作网络各阶段成分数量情况 单位：个

表4（续）

总体来看，我国航空装备制造产业专利合作网络整体密度较低，但凝聚性较强，小世界效应明显，表现出整体分散、局部紧密的特征，不同群体之间的“桥梁”较少，造成网络中少数大规模子群和多数小群体的割裂，这也显示出网络仍具有很大发展潜力。

4.2 重要节点演化分析

为消除网络规模效应，使各阶段网络具有可比性，选取标准化后的点度中心度和中间中心度，对各阶段两指标排名前十的节点进行分析，以反映节点的重要程度，分析重要节点在各阶段的变化特征。其中，1985—2006 年间网络联系不够紧密，存在大量孤立的节点，中间中心度大于0.001 的节点只有7个，其余节点的中间中心度低于0.001，不具备研究价值，在此不做讨论。如表5 所示，从点度中心度来看，1985—2006 年，航空燃油装备相关专利合作较多，使得中石化公司及其研究院分列1、2 位，企业类型申请人占一半，说明企业在此阶段的发明专利合作申请更加活跃、地位较高；2007—2012 年，专利申请人组成结构与第一阶段类似，仍是企业占据重要地位，有6 家，高校和科研院所分别有两家，其中中国商用飞机有限责任公司在2008 年才成立，但经过短短几年的发展已位居第一，成为网络核心，表明其具有极强的技术创新能力和丰富的专利合作关系；2013—2018 年，和前两个阶段有所不同，申请人仅有1 家高校、2 家企业，科研院所有7家，科研院所的地位有所上升。从中间中心度来看，1985—2006 年，申请人组成结构中，企业、高校和科研院所的数量较为均衡；2007—2012 年，各申请人的中间中心度均比前一阶段有所上升，且申请人组成结构有所变化，包括5 家高校、4 家企业和1 家科研院所；2013—2018 年，申请人组成中有5 家高校、3 家企业和2 家科研院所。可见网络的中间中心度与点度中心度的排名结构不同，高校在中间中心度排名中的占比上升，反映高校在网络中控制力强，能有效地影响专利合作。点度中心度和中间中心度都处于前十且多次出现的机构有：国家电网公司、中国商用飞机有限责任公司、上海飞机制造有限公司、中国运载火箭技术研究院、北京航天航空大学、清华大学，说明这些成员既与其他成员联系较多，又发挥着中介作用，为其他成员的合作搭建“桥梁”，把握着技术合作的大方向。

表5 我国航空装备制造产业发明专利合作网络主要申请人的点度中心度和中间中心度

4.3 地域分布演化分析

根据样本专利合作申请人的注册地，确定申请人所属省份，基于省份并根据申请人之间的合作关系构建对应的地域合作网络，进行核心-边缘分布分析，合作强度高的省份构成网络核心、合作强度低的省份构成网络边缘，从而判断各省份在网络中的相对位置和影响力。如表6 所示，3 个阶段内参与到航空装备制造产业专利合作网络的省份总数在不断上升，1985—2006 年仅有14 个省份的申请人参与合作活动，2007—2012 年增加至24 个省份，2013—2018 年除港澳台地区的其他31 个省份均在不同程度上参与了专利合作，反映航空装备制造产业专利合作活动从局部地区不断向全国各区域扩散的特点；但不同区域间的合作强度差距悬殊，东部省份如北京-上海、北京-山东、北京-广东专利合作强度最大，而西藏、宁夏、海南等省份与其他省份的合作强度较弱，多为偶然、自发合作，在网络中也较为孤立。核心省份数量也呈增长态势，1985—2006 年核心省份呈现东部发达地区主导特征，2007—2012 年江苏、辽宁、四川加入其中，2013—2018 年核心省份数量继续扩大，陕西、山东、天津、湖北与其他省份的合作不断加强，也成为网络核心。

表6 我国航空装备制造产业发明专利合作网络的核心-边缘分布

在各阶段网络核心变化的过程中，北京、上海、广东一直位列前三，核心位置最为稳定。其中，北京在各阶段均位居第一，发挥中心引领作用，以国家电网有限公司、中国运载火箭技术研究院、北京航空航天大学等企业、高校和科研院所为中心，形成了飞行器制造、飞机控制调节、飞机下线测量测试等领域的专利合作网络核心，这主要在于北京是国内航空装备人才与科技资源最为集中的地区，企业、高校以及科研院所覆盖广且合作意愿较强；上海依托中国商用飞机有限责任公司发展航空装备制造业，始终在电通信技术、控制调节、测量测试等技术领域占据专利合作网络核心位置；广东以深圳一电科技有限公司、鸿富锦精密工业(深圳)有限公司等企业为中心，形成无人机研发制造、航空电子元器件等基础原件领域的专利合作网络核心。辽宁、陕西、江苏的核心地位上升明显，且陕西的表现最为显著，2013—2018 年陕西从网络边缘一跃成为网络核心成员，位居第四，这主要在于以西北工业大学、西安飞机工业（集团）有限公司为代表的高校和企业加强了专利合作，在飞行器控制、测试等领域形成了专利合作网络核心，体现了陕西航空装备制造产业蓬勃发展的态势。

5 结论及建议

本研究以航空装备制造产业为例，构建了1985—2018 年我国航空装备制造产业发明专利合作网络，深入研究航空装备制造产业专利合作网络结构特征和演化规律，得出以下结论并给出相关建议：

（1）我国航空装备制造产业专利合作网络规模日益扩大，网络密度不断降低，但网络凝聚性较强，小世界效应明显，表现出整体分散、局部紧密的特征，群体间的“桥梁”较少，网络仍具有很大发展空间。因此，政府对具有桥梁作用的机构应加以引导或提供相应的政策扶持，发挥其在网络中的控制力和影响力，使网络中新颖的、非冗余知识可以更大程度地传播，促进网络主体间直接或间接合作，提高网络结构的连通性和密度。

（2）中国商用飞机有限责任公司、上海飞机制造有限公司、中国运载火箭技术研究院、国家电网公司、北京航天航空大学、清华大学等专利申请人是网络重要节点，这些节点与其他节点联系较多，发挥着中介作用，是其他主体合作的“桥梁”，把握着技术合作的大方向。因此，应该以这些核心节点为重点突破口，引导和调整重要节点的合作行为：重点主体相互合作，以攻克关键技术难题，掌握核心技术，发挥引领作用；重点主体和普通主体合作，促进技术的转移扩散，带动其他相关主体的发展。通过这种方式，提升弱势主体的合作参与度，直接或间接地促进弱势主体之间的合作，进而提高产业的整体合作水平和创新能力，使航空装备制造产业得到更好地发展。

（3）参与到航空装备制造产业专利合作的省份总数不断增多，专利合作活动从局部地区向全国各地扩散，但仍存在发展不平衡的问题；不同省份的专利合作强度差距悬殊，东部地区的合作强度远高于西部地区；在各阶段网络核心省份变化过程中，北京、上海、广东的核心位置最为稳定，辽宁、陕西、江苏的核心地位上升明显特别是陕西。因此，政府可以集中资源重点培育高品质航空装备制造核心区，发挥核心区的引领作用，带动产业创新发展；另外，鼓励机构跨区域合作，合理配置各区域创新资源，实现航空装备制造产业区域间平衡发展，特别是东部发达省份带动弱势省份，可建立相关技术合作与发展机制来应对区域间发展不平衡的问题。