中原城市群产业技术扩散机制与创新协同效应

尹 翀，丁青艳，杨振亚，崔颖新

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院）/山东省计算中心（国家超级计算济南中心），山东济南 250014；2.齐鲁工业大学（山东省科学院）/山东省科技发展战略研究所，山东济南 250014；3.长治市引进国外智力（专家）服务中心，山西长治 046011）

1 研究背景

当前，国家正加快建立以内循环为主体的发展格局，推动要素的国内自由流动和统一大市场形成。要素的集聚和集中能够为以都市圈与城市群崛起为标志的新一轮区域经济一体化热潮奠定基础，都市圈与城市群将成为我国经济发展的新增长极。中原城市群是促进中部地区崛起的重要战略支撑，其范围涵盖传统中原经济区的河南、山东、河北、山西和安徽五省的30 个城市，被长江经济带城市群、京津冀城市群、长江中游城市群、关中城市群等所环抱，处于战略中轴位置。中原城市群在国家区域创新体系中占有重要分量，且发展带动潜力较大。根据《中国城市统计年鉴2020》，2019 年除济源外，中原城市群其他29 个城市的教育支出在全国（未含港澳台地区。下同）占比达到7.71%，R&D 内部经费支出、专利申请数与授权数占比也都近5%，而整个中原地区的R&D 经费内部支出、科学技术支出、科学研究与技术服务人员的全国占比也达到约为全国的1/5。但是中原五省不仅在要素资源禀赋、市场化水平方面不同，在产业技术创新体系、科技创新能力等方面也存在较强异质性。区域科技创新协同是区域经济一体化的重要基础和支撑，揭示并优化中原地区产业技术创新与扩散机制，围绕创新要素优势互补与紧密联动，加快构建和完善区域高效的创新协作体系，促进和发挥区域创新协同效应，打造高水平城市群，具有重要的研究意义。

当前跨地区创新协同研究一般将多地区科技创新系统作为一个复杂巨系统，着重探究主体层面或区域层面协同创新机制的分析。近期部分代表性成果包括王昌森等［1］开展的多元主体协同创新的运行体系层次分析，储节旺等［2］以政产学研为主体的协同创新四元结构分析，柳剑平等［3］基于三螺旋理论的多主体协同创新模式与路径研究，余晓芳等［4］对高校产学研协同创新机制分析等主体层面的研究，以及陈锡强等［5］基于要素协同视角对粤港澳大湾区科技协同创新分析、褚敏等［6］对长三角城市群协同创新分析等区域层面的研究。由此可见，区域协同创新本质是通过区域主体的交互来促进技术知识的传导、学习、吸收、转化、输出等方面的有效扩散，然后将知识集成并创造出新知识的过程［7］。但相关研究在描述产业链协同创新模式，揭示产业技术扩散的动力机制和关键因素等方面尚有较大局限。一般来说，由于产业间技术扩散关系是由基本技术关联关系所决定，并受到产业特性（如相对劳动生产率和创新能力等）的影响，从而构成了一个具有随机特性的复杂网络［8］。有研究发现，产业网络结构洞能够刻画系统知识生成与扩散能力［9］，当由网络枢纽节点发起技术输出或存在技术溢出时，无标度网络的创新扩散速率与效率更高［10］。García-Muñiz等［11］以欧洲为例揭示了信息与通信技术部门作为创新的发起者或启动方，在技术流扩散网络中具有强中介作用，且其作用的独立性明显。产业技术流网络（ITFN）从复杂网络视角探究产业技术创新与扩散的结构机制，实质内含多类不同性质的产业技术扩散结构（如树、环、核、群等），有利于把握产业技术扩散的动力效应［12］，能够从整体上刻画产业技术扩散的结构关系形态，对区域技术创新的协同效应实现系统性评价，进而为区域科技创新一体化的研究提供更深入支持。但由于较受地区间投入产出数据缺乏的限制，区域层面的相关研究受到较大制约，且需要进一步更深入考虑地区间产业结构体系、产业集聚、产业政策的差异性等因素对区域协同创新机制的影响作用规律，相关研究尚不深入。

针对上述问题和已有成果的局限，本研究提出了基于赋权区域产业技术流树（regional industry technology flow tree,RITFT）模型，对中原地区的产业技术扩散结构机制与创新协同效应进行研究。首先从概率视角提出区域产业技术相关关系的测量方法，在ITFN 基础上提出RITFT 建模原理及方法，构建中原地区RITFT，并从干流、支流等产业技术流分布特征上揭示中原地区产业技术创新与扩散的核心结构机制，进一步基于对个体产业承载、中介与波动的基础效应和技术外溢与吸收的强度、乘数效应等方面的分析，综合评价中原地区创新协同效应，最后提出打造高水平中原城市群的建议启示。

2 研究原理与建模分析

根据已有研究，垂直产业间的外部技术知识流和来自竞争对手的横向外部技术知识流分别对工艺流程创新和产品创新发挥影响作用［13］。区域产业技术创新协同效应是指区域产业技术扩散关系的不同结构形态对区域产业间及地区间创新协同模式的影响方式和作用效果。其中，区域产业技术扩散亦称为租金溢出的实体性技术扩散［14］。地区间产业技术扩散关系则可以采用区域产业技术流网络（RITFN）进行刻画和结构分析。首先以投入产出模型为基础，提出区域地区间的产业技术相关度测量模型L，以L为基础建立RITFN 并提取RITFT，描述区域产业技术扩散的结构机制，进一步设计区域创新协同效应指标。

2.1 区域产业技术相关度测量

区域产业技术相关度是区域（地区内和地区间）产业技术相关性，是指发生技术扩散的概率。地区投入产出直接消耗系数模型可以直接作为地区内产业技术相关度测量系数。由于影响技术扩散的因素包括市场化水平、政策环境、产业技术水平、产业集聚性等因素，可以以地区内技术相关系数的加权和为基础，引入上述因素作为调整参数，建立地区间（跨省份）产业技术相关度的测量模型。

设地区r和地区s的产业分别为i和j，L(ri,sj)为地区r内产业i对地区s内产业j的相关度，即：

2.2 区域产业技术流树内涵及构建

区域产业技术流树是区域产业技术流网络中具有最大边权的，且不含圈的子网络，是区域产业技术扩散的单向通道和驱动整体技术扩散系统运转的“动脉”结构。RITFT 包含节点（产业部门）、边（技术扩散通道）和权值（点权和边权，即研发投入和技术流）。

（2）RITFT 支流。以RITFT 干流上的任意顶点为源点，以非干流的叶顶点为汇点的路径定义为一级支流。以RITFT 一级支流顶点为源点，以非干流、非一级支流的叶顶点为汇点的路径构成二级支流；依此类推，直到源点为叶顶点，可获得多级支流，多级支流共同构成了RITFN 的支流体系。RITFT 的支流体系顶点集合为VBranch。

2.3 创新协同效应指标设计及计算

区域创新协同效应指标建立在产业技术扩散绩效指标和产业技术扩散乘数效应指标之上。

（1）产业技术扩散基础效应。描述干流产业顶点对于区域产业技术扩散的影响作用和相对位势，从不同角度设计了技术流承载效应（TFL）、技术流中介效应（TFI）和技术流波动效应（TFW）3 个指标。

1）技术流承载效应描述了在地区间产业技术扩散中，干流产业节点通过相关联的支流吸纳和扩散技术流的能力或水平。即对于地区r的干流所属产业顶点k，即：

2）技术流中介效应描述了产业在地区间技术扩散中，干流产业顶点对于技术流运动渠道的控制能力。对于地区r的干流所属产业顶点k，即：

3）技术流波动效应描述了干流产业顶点k 发生技术波动，通过技术相关关系链而对创新链上下游产业技术创新与技术进步的影响力。即：

（2）产业技术扩散乘数效应。描述RITFT 上重点产业在技术扩散通道上，通过持续性和无限次技术流交互而获得的技术创新投入放大效应，包括技术外溢强度（TSI）、技术外溢乘数效应（TSM）、技术吸收强度（TAI）和技术吸收乘数效应（TAM）4 个指标。则有：

技术流经过RIFTF 扩散通道反复循环反馈，不断放大和累积，为产业p对产业q扩散的总技术流。

1）技术外溢强度描述在技术流溢出放大过程中具体产业的影响作用水平。即：

2）技术外溢乘数效应描述具体产业技术流扩散能力的放大水平。即：

其中，RD 为区域产业研发投入的列向量。

3）技术吸收强度描述技术吸收过程:具体产业的影响作用水平。即：

4）技术吸收乘数描述具体产业吸收的技术流的放大水平。即：

区域产业技术扩散乘数效应包括区域技术溢出强度（RTSI）、区域技术溢出乘数效应（RTSM）、区域技术吸收强度（RTAI）和区域技术吸收乘数效应（RTAM）。即：

3 实证研究

采用2020 年7 月国家统计局发布的《中国地区投入产出表2017》1）中山东、河南、河北、山西和安徽中原地区5 省的42 部门投入产出表，5 省GDP、政府财政预算支出和山东、河南、河北、山西的产业研发数据来源于各省2018 年统计年鉴，各省市场化水平以其市场化指数测算［15］，安徽的产业研发数据是除滁州、池州和六安外其他13 个地市2018 年统计年鉴的数据加总。为保持研发数据的产业同投入产出（input-output，IO）表的产业部门的一致，依据《国民经济行业分类》（GB/T 4754—2017），将产业部门由42 个调整为25 个，以“省+编号”形式表示，产业顶点总量为25×5，顶点间的技术流传导以有向边表示。

3.1 中原产业技术流树构建

依据上述方法构建中原城市群产业技术流树如图1 所示，其中空心圈表示中原五省产业，将其中形成新分支的树顶点（结点）以实心圈表示。中原RITFT 实际共包含相互连通的产业顶点124 个（安徽省不存在石油和天然气开采产品行业，从而皖2顶点同主干分离）；根点为皖18（电器机械和器材），树根点1 个，树枝点58 个，树叶65 个点；实心结点29 个，皖13（金属冶炼和压延加工品）和皖23（电力、热力的生产和供应）是形成最多数量枝点和叶点的树结点（分别生成52 个和69 个枝叶点）。

图1 中原城市群产业技术流树

3.2 产业技术扩散基础效应分析

首先提取中原RITFT 的干流结构（见图2），共包含19 个产业节点，源点和汇点为皖5（食品和烟草）和冀22（金属制品、机械和设备修理服务）。在干流节点中，安徽数量最多，共8 个点，其中7个点直接相连；聚合在一起，山东和河南则都有3个点聚连在一起，构成省内创新协作链；鲁、皖、豫、冀的17 号节点（交通运输设备）相互连接，鲁11 与皖11（化学产品）、鲁5 与豫5（食品和烟草）、鲁6 与豫6（纺织品）等都为两顶点直接相连，存在较为明显的横向技术扩散趋势。干流中不包含山西的产业节点，其在中原技术交互中不处在上游的有利性位置。

图2 中原城市群产业技术干流结构

进一步获得干流产业技术扩散基础效应情况（见表1）。技术流承载效应上，皖13（金属冶炼和压延加工品）和鲁11（化学产业）具有最高数值，是中原产业技术流运转的枢纽；此外，皖11、皖23、鲁6 也都有较强的技术流承载力。技术流中介效应上，鲁7（纺织服装鞋帽皮革羽绒及其制品）、鲁11、皖4（非金属矿和其他矿采选产品）、皖13、皖18、皖23、豫6、鲁6 等高数值点是技术流转移运动的瓶颈点。技术流波动效应上，鲁11 实力超强，而皖11、皖13、鲁7 和鲁17 等都具有高数值（豫17、皖17和冀17数值也较高），作为基础性工业行业，其技术创新与进步的产业体系波及力强，可作为区域进行重点技术突破的行业。

表1 中原城市群干流产业技术扩散基础效应

3.3 产业技术扩散乘数效应分析

中原城市群中具有显著效应的26 个重点产业的技术流扩散综合乘数效应如表2 所示。从R&D 投入强度看，鲁11 数值超过10%，鲁5、鲁13、鲁15（通用设备）、鲁17、鲁18、鲁19（通信设备、计算机和其他电子设备）等山东工业行业的研发占比也都在3%以上，其他省份中只有冀17 占比超过3%，由此可见，山东省轻工业、化学、加工、通用设备以及机械设备、交通设备、通信与信息设备等在中原区域内都是原始创新的重要发起方。由于河北省的一部分来自京津的交通设备制造产业转移，冀17 的基础研发投入能力有所提升。从总技术流占比来看，鲁11 占比最高，鲁13、冀13、鲁5、鲁15、鲁17～19 的总流占比水平都超过3%，这些行业成为区域技术扩散的核心产业力量。从溢出乘数看，冀13 的数值最高，晋13、豫13、皖13 的乘数值都超过3，区域创新扩散体系有力促进了这些地区的金属冶炼和压延加工品的技术加速向其他行业输出，而其他行业的溢出乘数也都在2 以上，行业整体对外部的产业关键技术支持能力显著提升。

表2 中原城市群产业技术流溢出乘数效应

中原城市群中具有显著性的40 个重点产业的技术流吸收综合乘数效应如表3 所示。从总吸收技术流上看，除鲁11 的数值超高外，鲁5、鲁13、鲁17～19、皖11、冀13 等数值也在3%左右，特别是皖11 的总流占比明显高于其原始流占比。从技术流吸收乘数上看，鲁9（造纸印刷和文教体育用品）、皖11（化学产品）、皖13、冀18（电气机械和器材）、皖15（通用设备）等原始创新投入不强的产业乘数都达到3 以上，原始研发投入较为不足的晋1、豫19、鲁20（仪器仪表）、豫12（非金属矿物制品）、鲁2（石油和天然气开采产品）、鲁7、晋13 等行业的乘数也达到2 以上，冀14（金属制品）和豫14 等的乘数甚至达到7 以上，表明通过有效的区域技术扩散机制，原始创新能力较弱的行业能够不断通过吸收和利用外部技术知识，获取“二次创新”效应。

表3 中原城市群产业技术流吸收乘数效应

3.4 中原城市群创新协同效应分析

首先建立中原城市群产业技术创新协同网络（见图3），包括仅有一次技术扩散的单协同网络和实现技术流吸收放大后的完全协同网络，提取地区间技术流强度显著性强的边，技术流传导强度以网络边的粗度刻画。可见，山东省同安徽省的城市产业技术创新链构成中原城市群的协同结构主轴心，山东省同河南省的城市构成次轴。从单协作网络上看，3 个较稳定的创新三角链是区域产业技术创新的重要支撑：一是山东、安徽、河南3 省构成一个闭合性创新三角结构；二是河北、山东、河南的开放式三角结构，但由于河北同山东省的城市产业协作水平较低，河北-山东链较薄弱，因此该三角结构的稳定性稍弱；三是山东、河南、山西3 省城市的开放三角结构，山东-山西协作关系的薄弱也导致此三角结构的开放性。中原城市群单协同创新网络上的河北同山西省的城市之间，以及河北、山西同安徽省的城市之间存在技术转移结构洞，这与3 省城市之间产业结构的低耦合性、政策与市场环境差异、地理空间隔离等因素密切关联。从中原城市群全协同创新网络上看，通过区域间多层次性、持续性、有效性的技术扩散与反馈作用，山西同河北两省城市之间的产业技术转移瓶颈消除，两省同山东省的技术扩散通道，以及山西同安徽省的城市技术扩散通道被有效打通。

图3 中原城市群产业技术创新协同网络

进一步计算中原城市群产业技术创新扩散结构效应如表4 所示。干-支流支撑效应上，无论总效应、干流效应和支流效应，山东省的城市都处于绝对领先位置，而山西省的城市都处于最滞后排序位置。总支撑效应和支流效应上，河南、河北和安徽3 省城市处于第二序列。干流支撑效应上，河南省城市处于第二序列位置，河北和安徽省的城市较接近，数值上5 省城市之间明显已经拉开距离。技术流乘数效应上，山东省城市研发支出占据绝对优势地位，其整体工业技术水平最高、进步速率最快，城市技术扩散总流上的优势也进一步得到强化，同中原技术流的交互与放大作用相关；河北、山西、安徽3省城市的扩散技术总流相对增加，而河南和安徽省的城市则受到一定挤出作用，数值有一定下滑。山东省城市技术吸收总流占比相对初始研发投入占比有较大下降；安徽、山西、河南省的城市技术吸收总流有较大幅度增加。从总乘数上看，中原城市扩散技术流的水平较为接近，都在2.5～3.0 之间，呈现一种线性放大作用；而5 省吸收技术流的放大水平的异质性显著，河南、山西、安徽和河北4 省城市的放大水平明显高于山东省城市，特别是安徽和山西省城市的的放大乘数超过3，两省城市在中原城市群技术创新体系中收益明显。由此可见，中原城市群强化技术创新协同，有利于发挥山东等优势省份城市同其他省份城市的技术互补作用。

表4 中原城市群产业技术扩散结构效应

4 结论与启示

4.1 主要结论

本研究基于产业复杂网络视角，构建产业技术流赋权树模型描述中原城市群产业技术创新扩散结构机制，并设立以干流和支流分析为核心的区域产业技术创新协同效应评价指标。主要结论如下：

（1）从产业技术扩散总体特征上分析，中原产业存在省内创新大协同、区域内创新小协同，即横向协同为主、纵向协同水平较低的基本结构机制特征。干流路径上，安徽的非金属采矿、金属冶炼与压延加工、化学产品、交通设备、电气机械设备等行业，山东的纺织品、纺织服装和化学产品，以及河南的食品、纺织品、纺织服装等都在内部构成高聚合性的产业技术创新链；同时，区域内跨省的产业技术协作较为活跃，且以产业横向的技术创新协同为主体，行业分布较为集中。其中，鲁豫冀皖4省的交通运输装备、豫鲁皖的食品和烟草、豫鲁的纺织品、鲁皖的化学产品等产业之间的技术扩散与吸收水平较高。支流结构上也存在区域的纵向技术创新协同模式，如安徽纺织品同山西纺织服装、山东金属矿采选同安徽通用设备制造等，但影响力还相对较弱。

（2）通过有效率的区域技术扩散协作体系，一次创新能力较强的行业能够有力支持中原城市行业的二次创新能力提升。总体上，基础性工业行业在技术扩散和区域产业创新系统中发挥主导性作用，金属冶炼和压延加工品（皖）、化学产品（鲁皖）是承载、约束和放大技术流的关键行业。山东省轻工业、化学、加工、通用设备以及机械设备、交通设备、通信与信息设备等行业较强的原始创新流在中原区域基础产业协作下，有效促进了区域化学产品（皖）、电气机械和器材（冀）、通用设备（皖）等产业的创新能力快速提升，促进了煤炭采选产品（晋）、信息制造（豫）、仪器仪表（鲁）、非金属矿物制品（豫）、石油和天然气开采产品（鲁）、金属制品（豫冀）等多省原始研发投入不足行业的二次技术吸收再创新能力和再扩散能力的提升（如豫冀晋的金属冶炼和压延加工品）。通过产业技术链条的对接、共振及反馈等乘数作用，引导技术流再分配，优化创新资源的产业空间配置，极大提升了区域内整体技术供给结构和能力。

（3）中原城市群产业创新能力具有强异质性，而通过产业创新链的空间部署与优化，实现了优势互补，发挥出区域多层面的产业技术创新协同效应。中原空间协同创新网络的主要特征是“两轴三三角”：山东-安徽轴的技术流转移转化效率最强，而山东-河南轴是两个协作三角的支撑轴。无论原始研发投入贡献还是总技术流占比，山东省的城市都处于绝对优势地位，而山西省城市创新基础能力、创新吸收与扩散能力都较弱，但在区域协作体系中，通过山东-河南的强技术转移通道，山西实现了同河北省的城市有效协作。从地理空间和产业技术匹配度等方面综合考虑，河南省的城市具有中原区域产业技术转移中心的独特地位，具备将山东省城市较先进的工业产业技术、安徽省吸纳的长江经济带城市群、河北省城市吸纳的京津冀城市群的优质创新资源进行整合的条件和基础。

4.2 研究启示

为有效促进中原城市群产业技术创新协作水平提升，发挥创新协同效应，从两方面提出如下思考建议：

（1）强化区域创新政策供给与统筹，完善中原城市群产业协同创新体系。一是强化科技投入政策的支持与统筹。加大基础与应用研究的投入力度，依托中原重点城市的重点高校和科研机构，围绕区域新兴优势产业，增强关键技术的研发能力。要针对不同的创新主体、不同创新阶段，综合运用财政贴息、财政后补助、间接投入、风险补偿和创投引导等方式，带动社会资本加大科技创新和成果转化投入，建立多元化、多渠道的科技投入体系，建立覆盖企业全周期、不同阶段的财政资金支持体系。二是强化科技创新人才政策支持与统筹。设立并发挥区域高层次人才工程的支撑作用。加强与高等院校、科研院所深层次合作，围绕中原城市群重点领域、重点产业、重点学科、重大项目，重点引进培养创新能力强、商业模式新、发展潜力大，对相关产业发展具有引领带动作用的高层次创新创业人才或团队。探索在长三角城市群、京津冀城市群等发达区域的城市建立离岸协同人才中心，搭建高层次人才进入中原的桥梁和快速通路。三是强化科技服务机构发展政策的支持与统筹。注重从市场化和公司化的层面上推动科技服务中介机构发展、培育与壮大，规范和协调对科技服务机构管理的相关法律、法规和政策，支持形成中原城市群统一的科技服务行业标准、准入门槛、管理制度等，优化服务机构发展环境，强化行业自律和管理水平。四是加快研究出台并落实推进中原城市群协同的具体办法和方案，如中原城市科技合作项目管理的相关办法、中原城市群科技资源相互开放与共享的相关管理办法、推动中原跨省产学研合作的管理办法、中原科技协同创新的中长期发展规划和行动方案等。

（2）以中原城市群综合科技服务平台为支撑，建立城市群新型的产业创新治理体系，打造区域高效的创新生态系统。一是建设高质量中原城市群科技服务协作平台。融合中原城市现有平台，整合多行业、多学科、多专业、多领域的科技资源供给与需求关系，建立中原相关创新主体共有、共治与共享的中原城市群协同创新综合科技服务平台。中原“总平台+总资源”池可设于河南省郑州市。平台构建智能化与精准化的综合产业技术服务需求匹配机制，分布式运营，并探索建立网络化、市场化、社会化的价值创造、共享与分配机制，总包分包和众包的灵活性服务模式。同时，基于大数据的监测与调度，为中原城市群产业创新政策协同及政策效益与效率提升提供支持。二是依托现代综合平台建立中原城市多主体、多层级、多中心、网络式的现代化产业创新治理结构模式。激发创新主体活力和利益相关方参与主动性，建立产业创新重大决策与政策咨询机制，支持相关组织和社会媒介参与创新发展战略和科技创新政策方面的决策咨询。二是在综合平台的支撑下，以新型治理框架为指导，打造中原城市群创新发展战略共同体。战略共同体集成并升级了技术研发、知识产权、资源共建共享和科技服务等联盟，以中原产业技术研究院的新型研发机构为核心，引进外部先进资源，并优化配置城市群大中院校、科研院所、重点实验室及企业研发机构的科技资源，围绕区域产业转型升级的关键、核心、共性技术需求，组织相关创新主体开展联合研发攻关，推动跨领域、跨行业的产业链纵向创新协同机制形成，推进中原地区科技成果转化和企业孵化，打造和谐共生的中原创新生态系统。

注释：

1）国家在逢尾数为2、7 的年份编制（假定技术进步的跨度周期为5年），最新的为2017 年表。