城市群创新协同网络模型构建及结构特征研究——以中原城市群为例

尹 翀，丁青艳

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院）/山东省科技发展战略研究所；2.山东省计算中心（国家超级计算济南中心），山东济南 250014）

1 研究背景

城市群是城市发展的高级空间组织形式，是生产力显著发展、生产要素不断集聚、区域界限逐步淡化、并最终实现高度同城化和一体化的城市群体。城市群协同创新是指城市通过网络化协作与共生实现资源优化整合的状态。高水平的城市群协同创新网络能够高效融合城市比较优势、集聚创新要素和科技资源。以科学的城市群协同创新战略不断优化协同创新网络效能，对于促进城市经济一体化与高质量发展，打造区域创新增长极，构建和完善国家经济内循环体系都具有重要意义。

基于城市比较优势和创新发展定位，打造高能级的城市群协同创新网络，无疑是强化城市群协同创新能力和提升城市群创新绩效的基础。城市群协同创新网络模型构建与优化研究也已经是当前城市群发展战略研究中的热点问题。主流研究多从城市的微观创新主体的作用出发，基于产学研合作创新网络形态分析视角描述城市群创新协作关系，对协作关系强度，协作主体的角色、层级、维度等协作网络结构层面的因素进行考察。相关成果重点以城市群内部的创新主体合作专利、合作论文等活动为基础来描述城市创新联系，构建城市群产学研创新网络模型，进而从创新协作网络结构优化层面探索城市群创新发展路径，如长三角区域知识合作网络［1］、长三角城市群协同创新网络［2］和长江中游城市群知识创新合作网络［3］等相关代表性研究。有成果进一步将产学研协作网络映射到城市关系层面，构建了城市之间的创新协作网络模型，如美国基于生物技术专利合作的城市协作网络［4］、美国城市群专利合作网络［5］等。也有成果更深入考察了城市群创新网络结构特性，如李新［6］等研究了哈长城市群协同创新网络结构洞与中间人，Lee［7］则采用平均城市协作强度数值为临界值优化城市协作网络结构，采用莫兰指数分析城市创新协作模式，研究了美国城市创新集群空间格局。城市间的创新协同实质应当是体现为知识创造协作关系（如专利共同申报、论文共同发表等）、创新载体建设协作关系（如科技创新平台、科技创新基地等）、人才合作与交流关系、技术转移关系（如技术交易涉及的技术转移与转化）等的复合关系。单一性质的协作关系维度研究角度的局限性较强，难以刻画城市间整体性、复杂性的创新协同关系。对此，有成果将城市创新协作的基础因素纳入引力模型，测度城际间的创新关联关系，构建城市创新引力关联网络模型［8-9］。但是创新引力模型将创新要素简单集成，强调优势创新要素的自发相互吸引，这种简化未充分考虑创新因素间的结构复杂作用（如存在强弱协作，优势互补；弱弱协作，抱团取暖等协作方式）。且产学研协作创新网络模型和创新引力关联网络模型都将城市创新协同行为和过程静态化处理（以无向网络模型表达），未能有效描述协同创新的指向性和传递性，不能合理揭示城市创新网络发展演化的动力机制，进而难以在宏观层面把握城市群创新协同网络的有效治理与优化路径。

针对已有研究的不足，本文基于城市创新能力结构耦合视角，采用系统耦合模型描述创新要素的动态结构匹配作用关系，测度城市创新协同度，直接刻画创新协同启动方与创新协同匹配方的内在二元性关系结构，构建城市群创新协同网络模型（synergetic innovation network of urban agglomeration，UA-SIN）。UA-SIN 为有向网络，分为无权拓扑网络与加权网络，内协网络与外协网络。进一步基于UA-SIN 的城市中心性、聚集性和相关性分析，分别研究城市创新协同能力（包括发起、匹配和中介能力）、城市创新协同集群和城市创新协同模式等网络结构特征。最后以中原城市群为例进行了实证分析，并提出几点研究应用的启示。

2 建模原理与分析方法

2.1 城市群协同创新网络模型原理及构建

由于城市创新能力是对创新资源输送、配置、整合与运用的“技能”，而城市核心创新能力集中体现在优势性的创新链条流程上，城市群协同创新过程是城市创新载体以创新能力为基础，不断强化各种创新要素联系与流程优化整合的自组织过程，从而城市间创新能力禀赋的优化配置是城市群创新协同效应发挥的内在机制。城市创新协同实质是城市群整体创新能力的协调与配置体系，表现为城市基于能力禀赋的创新分工网络。这种网络描述了区域内在的“技术流”代谢及创新链、产业链与价值链的综合集成配置状态［10-11］。城市创新协同网络关系则是城市群以系统物质流、知识与技术流、信息流、产品流、人才流等为载体的多元多维创新能力关联状态。

城市群创新协同网络模型（UA-SIN）是描述由城市创新能力结构决定的城市群成员之间创新需求关系与匹配关系的性态及其结构形态，以实现揭示城市群创新协同发展机制与演化动力模式的社会复杂有向网络模型。UA-SIN 的点表示城市群的具体城市成员。UA-SIN 的边表示对应城市之间存在创新能力匹配强关系。边的方向指示创新协同的目标对象城市。入边城市点表示协同发起方，其功能是评估自身资源与能力条件，阐述创新协作需求，发起创新需求广播，而在匹配方响应并建立稳定协同链接后，基于创新协同链接通道实现创新能力的有效输入。出边起点城市表示协同匹配方，其功能是对创新发起方的创新需求呼叫进行响应，并基于创新协作通道进行针对性的资源调配与能力输出。在有向拓扑网络模型上建立赋边权网络模型，边权重为能力结构匹配度。UA-SIN 整体以城市成员创新能力结构匹配为基础描述城市有效性的创新协同关系。

2.2 结构特征指标

基于UA-SIN，进行中心性、聚集性和相关性的城市群结构特征分析，研究城市创新协同能力、城市创新集群特征和创新协同模式。

（3）相关性。对于UA-SIN 拓扑网络，度相关性是指具有不同度值节点间的相关性，i的近邻平均度为

3 中原城市群实证分析

以中原城市群为例对UA-SIN 构建与结构分析方法进行实证分析。中原城市群规划范围包括河南、山东、山西、河北和安徽五省的30个城市，是促进中部地区崛起，辐射带动中西部发展的核心增长极。本文主要的研究数据来源是《中国城市统计年鉴2019》，五省和相关城市的国民经济和社会发展统计公报、科技经费投入统计公报、技术合同交易统计公报等，数据期为2018年。由于济源市部分指标数据难以获取，实际分析的城市群成员数量为29个。

3.1 协同创新网络模型构建

借鉴已有成果，并经专家咨询和反复测试，及考虑数据可得性，选取了描述城市创新能力的基础投入能力、财政投入能力等8个核心指标。采用因子分析方法经因子提取、旋转，以方差贡献率为权重将因子得分加总，获得了包括创新资源力、创新支撑力和创新载体力的三维城市创新能力结构向量,见表1 所示。

表1 城市创新能力与能力结构指标

基于中原城市群29个地市创新能力结构向量建立UA-SIN 内协网络见图1（a）。同时考虑中原五省核心城市（如省会城市、经济中心城市等）对城市群的影响，将石家庄、唐山、太原、济南、青岛、合肥和芜湖这7个城市引入，建立外协网络见图1（b）（中原城市群外协网络的外部城市节点用白点表示）。两个网络中节点的大小刻画对应城市的中介度数值大小。

图1 中原城市群创新协同网络

3.2 协同创新网络全局特征分析

中原城市群UA-SIN 主要整体特征见表2 所示。由表2 可见，全局特征比较来看，内协网络的整体密度、可传递性及整体聚集性等关键全局指标都明显高于外协网络（外协网络中心化指标数值不存在，表明其中心化趋势较弱），由此可见，内协网络内部的联系程度、协作水平和结构的有序性都强于外协网络，表明中原城市群整体已经内聚为一个重要的区域创新集团。由图1 可见，在外协网络中，外缘城市的中介度水平低，同内部中心城市的创新匹配程度不强。外协网络的重要的中间人节点都是城市群自有节点。许昌和周口在两个网络中都发挥着关键联通桥梁的作用。但是城市群外部创新能力强的区域中心性城市对城市群也具有较明显的冲击性。同内协网络比较，外协网络中驻马店、长治和三门峡的城市协同作用与地位上升，而邢台和郑州的地位则相对下降。城市群外部城市对内部创新能力强的城市具有一定直接性的创新能力替代效应。

表2 中原城市群创新协同网络主要整体特征

3.3 中心性与协同创新能力分析

以创新结构向量因子进行综合，获得城市创新能力指数。将城市的创新能力指数与中心性的关系进行曲线拟合。从度数上看（图2），入度与出度同创新能力的关系特征表现明显不一致。由图2（a）可见，入度度数同创新能力具有一定的负相关关系。除郑州外，创新能力较强的洛阳和蚌埠的入度度数低，两城市的创新协作的启动能力水平较低。而创新能力较低的邢台、周口等自身深度融入区域创新链协作活动的能力较强，这同两地具有明确外向型创新需求有关。二者以及其他趋势线以上且创新能力相对较弱城市，都具有深度嵌入创新网络的创新能力结构形态，对公共创新平台、人力资源和关键技术等方面的需求定位明确，具备通过创新发起，不断吸纳创新资源，弥补创新短板的较为有效的创新治理机制。而分布于趋势线下部且低于创新能力平均水平的城市主要是存在创新基础能力薄弱，承接技术与人才转移等方面能力配置不强的问题。由图2（b）可见，整体上城市节点的位置分布较为分散，由出度度数刻画的城市协同匹配能力同创新能力的关系较为复杂，两者关系不存在明确变动趋势。创新能力强的郑州位于图右上方，也具有最突出的协同匹配能力，其优势性的创新资源和创新体系能够为整个城市群的创新发展提供强大支撑。创新能力也较强的蚌埠和洛阳的自身协同服务能力则不够强。创新能力较弱的城市被趋势线分为上下两部分。上部分的周口、驻马店等城市的高匹配能力同其具有的特色创新资源和创新比较优势相关，具备占据创新链的特定环节的潜力。而图左下部的邢台、菏泽、信阳、商丘等城市创新资源不足，创新支撑能力薄弱，参与创新链垂直性专业分工的能力不够强。

图2 中原城市群创新协同网络城市度数与创新能力关系

由图3（a）可见，从中介度来看，郑州、周口、长治、阜阳和驻马店发挥了重要的协同中介和资源传导的作用，而创新能力较强的洛阳和蚌埠的中介能力则较低。对比图2（b），周口、驻马店和长治等城市也在引导城市群外部临近优质创新资源输入城市群内发挥着重要作用。郑州无疑在城市群中具有完善的创新链衔接和综合资源调配的能力，而许昌则具有最强的创新外部中介能力。

图3 中原城市群创新协同网络城市中介度及网络派系

进一步计算全部城市节点的核度，及与其入度与出度对比结构如表3 所示。核度数值0.2 水平以上的城市有9个，0.1～0.2 水平的有9个，0.1 以下水平的有11个。从中心到次中心，再到外缘，整体网络分成了3个层面。中心位置的9个城市整体的综合网络中心化水平最高，创新协同能力最强。这些城市具有如下特征，一是无论入度还是出度都处于中等以上水平，且两者较为均衡（如宿州、毫州、长治、运城等）。二是入度或者出度有一项的水平比较突出（如郑州、阜阳出度，周口的入度等）。中原城市群城市创新协同能力的整体性差异就集中体现在UA-SIN 核心-外缘的层级分布结构不均衡性上。

表3 中原城市群个城市的中心度与核度

表3 （续）

3.4 聚集性与创新协同集群分析

由图4 可见，总体上看，无论是从入度还是出度视角，除了特异性城市（如长治）外，基本趋势都是C 大于WC，表明高权值处于聚集集群之外，强协同关系尚未成为创新集群内部互动的支撑要素。且两个图形的整体都呈现钟形，表明具有中等协同能力（无论是协同发起还是协同匹配能力）的长治、宿州、鹤壁、三门峡等位于抛物线顶点，具有最强的聚集性。而具有较弱协同发起能力的蚌埠、洛阳、淮北，具有较弱协同匹配能力的邢台和信阳，及具有较强协同发起能力的邢台，具有较强协同匹配能力的郑州和周口等城市的聚集性则明显处于中等或者下游水平。

图4 中原城市群创新协同网络城市聚集性分析

进一步搜索提取中原城市群的内协网络的强派系（图3b）。创新集群相互连接的重要切点是具有较高中介能力的长治、周口、三门峡、阜阳、驻马店等。整体集群明显分成左右两大创新子集群体系，右侧有5个以阜阳为中心的省际子集群（创新圈）。左侧包括以郑州-周口-许昌为中心的8个河南省内子集群。长治在两大集群的外部协同中发挥关键中介作用，是两大创新协同集群作用传输的重要衔接点。

3.5 相关性与创新协同模式分析

由图5 可见，从入度度数和出度度数上看，拓扑网络和加权网络的城市度相关性都为正，具有明显的同类匹配特征，即协同能力较强的城市之间更适合进行创新协同。具有最高的度相关度数值的为创新协同能力处于中等水平的城市（度数在8 左右）。发起能力角度上（图5a），赋权网络和拓扑网络度相关性的变动趋势基本一致（两条趋势线高度重合）。而匹配能力角度上（图5b），两条趋势线在出度数值为6 处发生交叉，表明赋权相关度在较低的匹配能力水平上低于非赋权相关度，而当协同能力水平高于临界值时（度数为6 左右），赋权相关度则高于非赋权相关度，这时高权值分布于大度节点，强强协同的趋势更加明显。

图5 中原城市群创新协同网络城市度相关性

4 结论与启示

本文基于城市创新能力结构耦合视角，提出了城市群创新协同网络的构建及结构特征分析方法。首先，设计城市创新能力的基础测量指标，采用因子分析方法提取城市创新能力结构和计算综合能力指数。进一步采用系统耦合指数模型，建立城市创新协同关联矩阵。依据创新协同关系度的统计分布形态确定强关系度临界参数，对创新协同关联矩阵进行扫描过滤，并以强协同关系度为基础建立城市群创新协同网络模型（UA-SIN）。同时区分了UASIN 拓扑网络、赋权网络、内协网络和外协网络等不同形态模型的内涵。在UA-SIN的结构特征分析上，以网络中心度刻画城市协同创新能力水平，测度城市创新协同发起能力、匹配能力和协同中介能力；以网络聚集性描述城市协同创新聚集水平及创新协同集群；以网络度相关性指标刻画城市群的创新协同模式。UA-SIN 的结构分析方法在于揭示城市群创新协同发展机制与演化动力模式。并以中原城市群为例进行了实证分析。根据以上研究过程与结果，可得如下结论：

（1）从全局来看，中原城市群内协网络在多种形态特性上都优于外协网络，且外部空间强相关中心城市的创新参与程度明显低于城市群内部城市，表明中原城市群已经内聚为一个具有较独立创新体系与创新协同机制的系统，但是整体城市结构特征的异质性明显。

（2）从创新协同能力来看，创新协同发起能力同创新能力具有一定负相关性，一部分创新能力不足的城市具有通过城市群创新资源整合机制提升自身创新能力的条件（如周口、邢台、信阳等），除郑州外，其他创新能力较强城市未有效形成能够主动发起创新资源输入与创新成果输出的内在引导与管理机制；创新协同匹配能力则同城市基础创新能力不存在明显相关性，除郑州外，蚌埠、洛阳等同创新能力薄弱城市的主动创新供求对接机制不完善，协同创新能力一般或较低的周口、驻马店、阜阳等城市则具有较强的，能够发挥自身创新比较优势的协同匹配能力，成为整体创新系统的重要功能区块；郑州、长治、周口、许昌等城市的中介能力最强，驻马店、长治和三门峡、许昌等是网络系统外部协同的有效对接点。

（3）从聚集性与相关性上看，具有中等水平协同发起与匹配能力的城市聚集性最强，整个中原城市群呈现两大创新城市集群和13个双向创新圈的典型形态特征，长治在链接河南省子群和省际子群上具有特殊地位；度相关的同类匹配特征明显，无论是拓扑网络还是赋权网络，城市间具有“强强联合”的明显协同模式，但是在协同匹配的中等能力水平上（度数为6），度相关也出现了一定趋势变动，这种不均衡因素也需要重点予以考虑。

以UA-SIN 为基础和参照，可以在对中原城市群城市创新分工体系进行优化方面，获得如下几点启示：

（1）总体上，可以制定以中原城市群综合科技服务体系（以多层次平台协作和科技服务业发展培育为中心内容）为支撑的创新协同战略，不断促进城市群整体创新体系机制完善。中原城市群综合科技服务体系建设重点在于对城市群协同创新科技服务发展模式进行顶层设计，打通城市群内协同创新的政策链条；突破科技资源语义转化、创新需求获取、个性化服务推荐、信用等支撑技术；建立研究开发、技术转移、检验检测认证、创业孵化、知识产权代理、科技咨询、科技金融代理、科普等科技服务的特色资源池，设计共享、共用、共建机制；建设具有资源可享、服务可用、难题可解的区域级协作创新服务平台；并结合地方政府配套支持，在先进制造、生物制药和新材料等行业或领域开展应用。

（2）围绕整体实力较强的城市群中心性城市，聚集核心创新要素，注重发挥其创新引领与资源总体协调配置的战略导向作用。中原城市群中，郑州的创新能力在城市群明显具有超强优势，其综合协同能力也比较全面。一是依托郑州的高校、院所和企业的城市群优势资源，重点布局和建设国家级基础研发平台、产业创新平台、重大成果转化平台等，持续打造高端人才聚集洼地和科创高地。二是进一步强化郑州在中原城市群综合科技服务体系中的“大脑”作用。可以在郑州组建集创新信息共享、运行监测、业务联动、智能决策、科技基础设施共享、资源调度等功能为一体的智慧创新平台运营中心。整合接入城市群其他城市的智慧创新协同平台各业务系统，有效实行多城市协同创新的联合治理。

（3）促进城市群主要支撑性和外缘性城市同中心城市及相互间强有力的分工协作，发挥其创新协同能力的比较优势。一是对于创新能力较弱而协同发起能力较强的邢台、信阳、濮阳等可进一步围绕其自身重点提升的产业领域（如能源、矿产、机械制造等）建立专业性创新资源需求平台，为外部创新资源输入提供重要接口。二是在创新协同匹配能力较强的阜阳、平顶山等建立专业创新资源供给平台，发挥创新比较优势（如化工、节能环保等领域）。三是在中介度和聚集度较强的长治、许昌、驻马店、周口等城市布局并重点发展技术与知识产权转移、人才服务等中介服务业，以及通过城市群外部资源引进方式建立面向城市集群的研发中介服务业，为城市群提供行业共性技术支持。

总之，UA-SIN 能够较为深入和生动刻画了中原城市群创新协同关系和结构特征，有效界定和定量测量了城市创新协同能力，挖掘出创新协同机制与基本模式，并以“创新地图”形式呈现出创新能力与协同能力的基本态势与作用趋势，能够为城市群创新治理研究与决策提供方法支持。进一步在更有效数据支持基础上，完善和丰富创新能力指标，并可以同已有的基于微观创新主体协作网络的研究进行结合，将双维度研究结合起来，构建城市-创新主体的城市群创新协同超网络模型，进行更深入的信息挖掘，基于城市群的区域经济创新发展提供更好的研究支持。