区域创新生态系统四螺旋耦合协调关系时空演化分析

代冬芳

(唐山学院 电子商务学院，河北 唐山 063000)

0 引言

在2021年3月我国发布的“十四五”规划中，“创新”成为重要议题之一。从区域创新角度看，由于区域环境的单一性，区域创新系统演化到一定阶段后，传统的以区域为边界的创新生态系统则难以实现国内、国际资源共享以及市场对接。因此，本文以开放经济为视角对区域创新生态系统四螺旋耦合协调关系进行研究，旨在为实现国内、国际资源共享，推进国内、国际市场“双循环”，提升区域创新生态系统演化效率，助推经济高质量发展提供理论参考。

对于区域创新生态系统，一些学者一般采用三螺旋模型进行研究，比如Pique等[1]曾通过分析三螺旋机构的作用变化来了解10年间硅谷创新生态系统的发展变化情况。而在开放经济视角下考察区域创新生态系统，需要将三螺旋模型拓展为四螺旋模型或者更多螺旋模型，比如，Leydesdorff等[2]对日本的大学、产业、政府三螺旋关系与国际合著关系进行了研究，发现在国家层面上日本的三螺旋关系不断被国际合作所侵蚀，即由于国际合作，大学-产业-政府关系相对解耦；Kwon等[3]对韩国的大学、政府和行业同国际合作伙伴合著的结构模式进行了研究，将传统的三螺旋进行拓展，分析了合著关系网络的演变过程；Carayannis等[4]基于四重和五重螺旋创新概念和“模式3”知识生产系统提出了开放创新的生态系统理论。而且，Kou[5]通过分析创新体系对中国区域创新绩效的影响，证明创新体系中区域的开放性对区域创新绩效提升贡献很大，由此表明了区域开放性的重要作用，这为本文在三螺旋中加入国外创新组织提供了理论依据。

本文将三螺旋模型拓展为四螺旋模型，建立由研发组织、企业、政府以及国外创新组织组成的区域创新生态系统四螺旋耦合协调关系，运用熵权法对四螺旋有序度进行测算，然后在此基础上运用耦合协调度计算方法对2013-2019年我国31个省域创新生态系统四螺旋耦合协调关系进行衡量，以分析其时空演化规律，并提出改善四螺旋关系的对策建议，以促进区域创新水平的提升。

1 区域创新生态系统四螺旋耦合协调关系及指标体系

1.1 四螺旋耦合协调关系的建立

在开放经济视角下建立区域创新生态系统四螺旋耦合协调关系，四螺旋主体包含研发组织(U)、企业(I)、政府(G)以及国外创新组织(F)，简称为UIGF四螺旋主体。在三螺旋的基础上加入第四个螺旋并不是螺旋数量的简单增加，而是四螺旋主体通过时空互联、协同合作实现的“增赢”。

区域创新生态系统四螺旋主体间通过资金链、技术链、人才链、政策链等创新链条相联通，与区域内的产业链交织在一起，在演化过程中彼此相互影响，形成耦合协调关系。区域创新生态系统四螺旋耦合协调关系及路径如图1所示。从图中可以看出，在区域内，首先研发组织进行知识创新，然后通过知识的转移(溢出)和企业连接，把知识创新转化为技术创新；其次企业进行产品的生产；最后产品在市场中进行销售，实现最终的创新利润。因此，耦合协调路径可以分为知识创新、技术创新和产品创新。四螺旋间主体的异质性有效促进了知识、技术、信息、资源的横向流动；同时，从基础知识的创新，到应用技术的研发、试验研究，再到新产品试制与生产，最终新产品进入市场，又组成了创新系统的纵向协调路径。因此，耦合协调路径既包含四螺旋主体间横向的演化路径，也包含纵向的螺旋式提升演化路径，纵横交织，共同构成了开放经济条件下区域创新生态系统的演化路径。

图1 区域创新生态系统四螺旋耦合协调关系及路径示意图

1.2 四螺旋评价指标体系的构建

实现对四螺旋耦合协调关系的衡量，就要对四螺旋子系统有序度进行测算。在区域创新生态系统四螺旋耦合协调关系中需要测算的有序度包含：研发组织螺旋有序度、企业螺旋有序度、政府螺旋有序度、国外创新组织螺旋有序度。本文构建的区域创新生态系统四螺旋评价指标体系如表1所示。

2 研究方法

2.1 熵权法

参考熵权法计算有序度的相关文献[6-7]，运用熵权法对区域创新生态系统四螺旋子系统进行有序度评价，其步骤及相关公式如下。

2.1.1 指标体系数据标准化处理

假定初始矩阵X=(xijm×n)，则

式中，xij为观测指标，i(1≤i≤m)表示年度数，j(1≤j≤n)表示观测指标数。考虑到观测指标值存在量纲的差异性，因此对其数据进行标准化处理。在标准化处理过程中，若所用指标的值越大越好，则选用公式(1)；若所用指标的值越小越好，则选用公式(2)。

(1)

(2)

式(1)(2)中，rij为标准化处理后的指标。

表1 区域创新生态系统四螺旋评价指标体系

指标体系标准化矩阵如下：

2.1.2 熵值法确定权重

计算第i个样本第j项指标值的比重pij：

(3)

计算第j项指标的信息熵值ej：

(4)

计算差异系数gj：

gj=1-ej。

(5)

计算熵权wj：

(6)

2.2 有序度

将观测变量的无量纲标准化值利用前面给出的权重加权求和，得到每个子系统的有序度UI。计算公式如下：

(7)

2.3 耦合协调度

耦合协调度是用于测度系统间耦合协调关系的方法之一，因此本文运用耦合协调度来表征各个子系统之间的耦合协调关系。耦合协调度包含两个维度的关系：一是耦合度，二是协调度。共涉及三个指标：耦合度(C)、协调指数(T)、耦合协调度(D)。耦合度C表示子系统之间的相互作用以及相互关联程度的强弱；协调指数反映各子系统之间协调性的优劣；耦合协调度D表示两个子系统之间良性耦合关系的强弱、协调发展水平的高低[8]。

耦合度(C)的计算公式为：

(8)

式中，S为子系统的个数，本文S={i}={1，2，3，4}；C的取值范围在0和1之间，其值越小，表示子系统之间耦合关系越弱，反之，耦合关系越强。这里的C只是指系统之间关联程度的大小，并不能以其大小来判断好坏。

协调指数(T)的计算公式：

(9)

式中，ai代表各个子系统的权重。本文在进行四螺旋耦合协调关系测算时，将各子系统视为同等重要，因此，按照大多数学者在耦合协调问题研究时所采用的平均取值方法，将ai平均赋值[9-10]，即αi=1/S。

耦合协调度(D)的计算公式：

(10)

耦合协调度D的取值范围在0和1之间，其值越小，表明子系统之间协调发展水平越低；反之，协调发展水平越高。同时，D值大小还决定系统的演化方向，D值小，代表系统向无序方向演化；反之，向有序方向演化。

2.4 耦合协调等级划分标准

为了更好地分析区域创新生态系统子系统之间的耦合协调关系，对耦合协调度进行等级划分，划分标准如表2所示，以0.1为等差，将耦合协调度划分为10个等级，对应的协调程度从极度失调到优质协调[11]。

表2 协调等级划分标准

3 实证分析

3.1 区域创新生态系统四螺旋子系统有序度测算

先根据区域创新生态系统四螺旋子系统有序度评价指标体系中观测指标的历年数据(数据来源于《中国科技统计年鉴》《中国统计年鉴》以及《火炬年鉴》)进行熵权计算，再分别计算出研发组织螺旋有序度(UU)、企业螺旋有序度(UI)、政府螺旋有序度(UG)以及国外创新组织螺旋有序度(UF)，计算过程通过Matlab软件完成，计算结果如下。

3.1.1 研发组织螺旋有序度UU

2013-2019年(本文只展示其中四年的数据，即2013年、2015年、2017年、2019年)我国31个省域研发组织螺旋有序度如图2所示。从2019年数据来看，UU排在前四位的是北京、江苏、广东、上海。图2中清晰地显示了北京UU的绝对优势，2019年达到0.95，其总体变化为上升趋势，但2017年为0.87，低于2015年的0.94；江苏的UU一直低于北京，总体变化为下降趋势，从2013年的0.45下降到2019年的0.4，但在2017年有小幅度上升；广东的UU2019年为0.35，2013年为0.34，2015年为0.32，2017年最高，达到0.49，总体变化趋势呈折线形(先降后升再降)；上海的UU总体变化趋势也呈折线形(先降后升再降)。UU排在后四位的为海南、宁夏、青海、西藏。

图2 2013-2019年我国31个省域研发组织螺旋有序度

3.1.2 企业螺旋有序度UI

2013-2019年我国31个省域企业螺旋有序度如图3所示。从2019年数据来看，UI最高的是广东，2013-2019年UI分别为0.850，0.855，0.990，1.000，总体变化趋势是不断上升的；排在第二位的是江苏，2013-2019年其UI分别为0.788，0.827，0.692，0.632，总体变化趋势为折线形(先升后降)；第三位是浙江，2013-2019年其UI分别为0.465，0.517，0.445，0.449，总体变化趋势也为折线形(先升后降)；第四位是山东，2013-2019年其UI分别为0.376，0.393，0.347，0.216，变化趋势与江苏、浙江相同(先升后降)。北京的UI在全国排名中列为第十四位，2013-2019年其UI分别为0.148，0.130，0.122，0.078，呈下降趋势。UI排在后四位的是新疆、海南、青海、西藏，其中，新疆的变化趋势呈折线形(先降后升再降)；海南处在逐渐下降的趋势；青海的变化趋势也呈折线形，与新疆相同。

图3 2013-2019年我国31个省域企业螺旋有序度

3.1.3 政府螺旋有序度UG

2013-2019年我国31个省域政府螺旋有序度如图4所示。从2019年数据来看，UG最高的为北京，2013-2019年分别为0.847，0.850，0.840，0.768，总体变化趋势呈折线形(先升后降)；排在第二位的为广东，2013-2019年其UG分别为0.345，0.576，0.625，0.580，总体呈先上升后下降的趋势；第三位为江苏，2013-2019年其UG分别为0.436，0.484，0.450，0.510，总体呈上升趋势；第四位为上海，2013-2019年其UG分别为0.418，0.518，0.543，0.418，呈先升后降的趋势；第五位为陕西，2013-2019年其UG分别为0.349，0.333，0.351，0.357，总体呈先下降后上升趋势，从中可以看出在西部地区的陕西其政府对于创新事业的参与度非常高，处于主导地位。UG排在后四位的为宁夏、青海、海南、西藏。

图4 2013-2019年我国31个省域政府螺旋有序度

3.1.4 国外创新组织螺旋有序度UF

2013-2019年我国31个省域国外创新组织螺旋有序度如图5所示。从2019年数据来看，UF排在前四位的为广东、上海、江苏、北京。排在第一位的为广东，2013-2019年其UF分别为0.554，0.653，0.755，0.699，整体呈先上升后下降趋势，其中2019年有所下降；排在第二位的上海总体呈上升趋势，但在2015年略有下降，2013-2019年其UF分别为0.460，0.451，0.509，0.574；排在第三位的江苏呈现出较为明显的先上升后下降趋势，2013-2019年其UF分别为0.509，0.547，0.504，0.499；排在第四位的北京呈先降后升的变化趋势，2019年上升趋势较明显，2013-2019年其UF分别为0.465，0.448，0.426，0.483。UF排在后四位的为贵州、宁夏、青海、西藏。

3.2 区域创新生态系统四螺旋耦合协调关系结果分析

3.2.1 二维耦合协调关系

将计算得到的有序度带入耦合协调度计算公式(8)-(10)，共得到六组二维耦合协调关系，即UI，UF，UG，IF，GI，GF。2019年我国31个省域创新生态系统二维耦合协调关系对比结果如图6所示。从图中可知，北京的UG发展较好，但其UF，IF有待提升；广东的二维协调发展水平较高，数值普遍高于0.6，其中IF最好，超过0.9，GI也较好，高于0.8，但与北京不同的是，广东的UG在六组二维耦合协调关系中协调程度最低。陕西、四川、湖北、辽宁等地也是UG好于其他二维耦合协调关系。

图5 2013-2019年我国31个省域国外创新组织螺旋有序度

图6 2019年我国31个省域创新生态系统二维耦合协调关系对比结果

3.2.2 三维耦合协调关系

将计算得到的有序度带入耦合协调度计算公式(8)-(10)，共得到四组三维耦合协调关系，分别为UIG，UIF，IGF，UGF。将2019年我国31个省域创新生态系统四组三维耦合协调关系进行对比分析，结果如图7所示。从中可以看出，北京的UGF较好，明显好于其他三组三维耦合协调关系；广东的四组三维耦合协调关系发展较为均衡，都处于较高水平，其中IGF最好；江苏的四组三维耦合协调关系也较为均衡，也均处于较高水平。

图7 2019年我国31个省域创新生态系统三维耦合协调关系对比结果

3.2.3 四维耦合协调关系

将UIGF四螺旋有序度带入耦合协调度计算公式(8)-(10)，得到区域创新生态系统UIGF四螺旋的耦合协调度。下面对这一结果从空间分布和时间演化两个维度进行分析。

3.2.3.1 空间分布维度

以0.2为耦合协调度一阶的分界点，绘制2013-2019年我国31个省域创新生态系统UIGF耦合协调关系时空变化图，如图8所示。从图中可以看出，2019年处于协调状态的省域包含广东、江苏、北京、上海、浙江、山东、湖北，其中广东的UIGF耦合协调度为0.784，江苏为0.711，北京为0.638，上海为0.557，浙江为0.524，山东为0.450，湖北为0.430。其他地区为不同的失调状态：轻度失调的省域为四川、安徽、陕西、河南、福建、湖南；中度失调的省域为辽宁、天津、河北、江西、重庆、黑龙江、吉林；严重失调的省域包含广西、山西、云南、贵州、甘肃、内蒙古、新疆；宁夏、海南、青海、西藏四地处于极度失调状态。

图8 2013-2019年我国31个省域创新生态系统UIGF耦合协调关系时空变化图

3.2.3.2 时间演化维度

2013-2019年我国31个省域创新生态系统UIGF耦合协调度随时间变化情况如表3所示，2019年与2013年相比，协调程度上升1级的区域包含广东、浙江、湖北，下降1级的省域包含辽宁、天津、黑龙江、广西、山西、海南，其他省域协调等级无变化。山西、广西两地四螺旋耦合协调关系均从2013年的中度失调变为2015年的严重失调，2017年虽恢复为中度失调，但2019年又变为严重失调。

表3 2013-2019年我国31个省域创新生态系统UIGF耦合协调关系随时间变化情况

从图8中可以看出，2017年的广东颜色最深，说明在2017年其四螺旋耦合协调关系最好，从表3中也可以看出，广东2017年协调等级为9级，四螺旋间保持了良好的耦合协调关系。从时间变化来看，广东从2013年到2017年实现了协调等级的不断攀升，耦合协调关系不断改善，但从2019年和2017年的对比来看，其耦合协调关系又从良好协调转为中级协调；2013-2019年，江苏的四螺旋协调等级一直为8级，为中级协调；北京的四螺旋协调等级一直为7级，处于初级协调状态；上海的四螺旋协调等级一直为6级，处于勉强协调状态；浙江的四螺旋耦合协调关系实现了从濒临失调向勉强协调的转变，整体状态向好；山东的四螺旋耦合协调关系除了2017年为勉强协调外，其他时间均处于濒临失调状态；湖北的四螺旋耦合协调关系从轻度失调转为濒临失调，状态向好转变。

4 结论与建议

4.1 结论

从空间分布来看，我国的东部地区、中部地区、东北地区、西部地区的创新生态系统四螺旋耦合协调关系从强到弱呈阶梯形分布，空间差异性较明显。长三角区域的创新优势较为明显，其三个省域协调水平高，发展均衡。京津冀中的河北其创新生态系统一直处于中度失调状态，京津对其的虹吸效应明显。东北地区较多时间处于中度失调状态，并有下滑趋势。而西部地区政府对创新生态系统支撑、扶植的作用已经初步显现。

从时间演化来看，大体可以划分为2013-2017年、2017-2019年两个时间段，2017年同2013年相比，我国31个省域创新生态系统四螺旋协调等级除个别地区外，整体处于上升趋势；而2017年到2019年，大多数省域协调等级下降趋势较明显。

4.2 建议

以上研究结果表明，虽然我国各省域UIGF四螺旋耦合协调关系已经建立，但仍有一定的发展空间，因此，提出以下提升建议。

(1)应进一步提高区域创新生态系统四螺旋耦合协调关系的演化效率。首先，可以通过四螺旋间的资源共享降低创新成本，通过技术共享、新产品共同研发促进创新成果数量的增加，通过建立中介机构提升创新技术的转化效率，最终促进创新绩效的提高；其次，各地区可以通过加强产业链和创新链的深度融合实现四螺旋间的协调发展，推动区域创新生态系统向更高阶协调状态演化。

(2)创新四螺旋间的合作形式，促进紧密关系的形成。在政府的支持和引导下，可以通过搭建合作平台、建设创新型科技园区、建立校企联盟或战略联盟等多种形式促进创新主体间的深度合作。比如，建立高校合作联盟，发挥各高校的科研优势，共同增强技术创新和研发能力，促进创新水平的提升，同时引导企业加入，促进创新成果尽快转化为企业生产力，由此获得创新收益，而有了创新收益，高校会产生更高的合作积极性，从而使创新生态系统的演化更具活力。总之，产学研结合等合作形式会促进各创新主体间的横向联合和纵向合作，使联系更加紧密，由此进一步促进区域创新生态系统协调发展水平的提高。

(3)建立稳固的国际创新合作关系。首先，高校要拓宽国际合作网络，积极开展国际人才交流，努力加强与国外大学和学术机构的实质性合作；其次，目前各省域创新生态系统中国际合作还处在一个较低水平，在我国促进国内国际双循环的大背景下，我国高校、研发机构及企业要实施“走出去、引进来”战略，实现内外资源共享，做到互利互赢；最后，各省域政府应协调好各方关系，因地制宜地制定国际合作策略，根据地方特色和产业结构特点开展国际合作，凝聚创新力量，因势利导，促进本省域内创新项目的研发，从而在开放经济条件下使创新生态系统四螺旋耦合协调关系变得更加紧密。