上海在全球创新网络中的地位测度
——来自全球十大创新城市集群的证据

杨翘楚，王佳希

(上海财经大学商学院，上海 200433)

0 引言

近年来，上海在科技创新中心建设上持续发力，申请的国际专利数不断走高，以上海在美国专利商标局 (USPTO)的专利申请为例，截至2020年底，上海实体共申请16788项专利，2020年上海实体当年申请专利2903项，比2012年的212项，增长超10倍。上海申请的USPTO国际专利中，跨国联合申请的专利占比达24%，远高于全球10%和全国16%的水平，创新活动全球化程度同样不断走高。在世界知识产权组织 (WIPO)公布的 《2020年全球创新指数》报告中，上海首次跻身 “十大全球创新城市集群”，排名第9。这一系列数据反映了上海在建设全球科技创新中心过程中的不断突破，但国际专利申请中严重依赖国外技术合作，申请的国际专利被引用频次偏低等问题仍然长期存在。大部分相关文献囿于数据可得性，对上海城市创新发展的分析局限在线性的数据描述。少数以上海为节点的创新网络研究，视野被局限在国内，多是探讨上海在长三角26个主要城市协同创新网络中的地位[1-2]。现阶段全球创新活动的网络化特征凸显[3]，从全球视野实现对上海在创新网络中的精准定位，对进一步深入推进科技创新中心建设，实现网络地位突破具有重大现实意义。鉴于此，本文利用Python爬虫方法，深度挖掘了美国专利商标局 (USPTO)的专利文本，以全球十大创新城市集群中17个城市为网络节点，构建城市层级的创新合作及互引网络，计算上海的网络中心性指标，从城市整体、细分技术领域以及代表性企业3个维度对上海进行精准的网络定位。在定位基础上，为上海进一步提升全球创新网络地位提供丰富的实践启示。本研究一方面搭建全球主要创新城市为节点的创新网络，丰富了创新网络分析的文献研究视角，另一方面在全球情境下，对上海在全球创新网络中的地位进行多维测度，为上海在全球创新网络中地位的进一步跃升提供可行的对策建议，具有一定的现实启示意义。

在全球创新网络的理论阐释方面，Ernst[4]首次在全球生产网络的基础上提出了全球创新网络的概念，并对创新网络加以描述。Degbey等[5]从企业视角切入，认为创新网络是网络内掌握异质性资源的企业主体之间超越自身组织边界，从外部获取技术和创新资源的重要方式。后发理论指出，嵌入全球创新网络有助于发展中国家通过战略资源获取和技术锁定突破，从而最终实现创新追赶[6-7]。在创新网络的构建方面，专利的联合申请和互引在既有文献[8-9]中被广泛使用来构建各节点间的网络连接。在分析方法上，社会网络分析方法在创新网络相关研究[10-11]中被广泛运用。创新网络构建层级上，既有研究由于数据的限制，多依赖于调研资料，或者局限于某一国家内部，鲜有研究构建的创新网络能够突破国家边界。少数着眼于全球创新网络的相关研究又多以国家作为网络节点，尚未将网络节点下沉到城市层级。殷德生等[2]的研究发现创新网络参与和地位提升对城市经济高质量发展和创新产出增长等具有显著促进作用。

1 研究设计

1.1 研究对象

本研究选取世界知识产权组织公布的 《2020年全球创新指数》报告中，全球十大创新集群中17个城市为研究对象。十大创新集群分别为东京-横滨、深圳-香港-广州、首尔、北京、圣何塞-旧金山、大阪-神户-京都、波士顿-剑桥、纽约、上海和巴黎。利用Python爬虫技术，从美国专利商标局数据库中爬取了相关城市的专利文本信息。该数据库信息质量高，专利文本格式规整，与本研究将上海放在全球创新网络视角下进行定位的需求相符，在创新网络相关研究中也被广泛使用。本文爬取的1976—2020年的专利库中包含共144995条专利文本，专利文本体现了专利申请时间、IPC技术分类号、申请人、申请城市等丰富信息，能够充分支撑本文研究主题。

1.2 研究方法

本文运用社会网络分析方法，对搜集整理的144995条专利信息进行研究。利用UCINET6.186软件进行网络指标测算，NewDraw2.084可视化软件刻画网络谱图。UCINET6.186被广泛运用在社会网络相关研究中，可以帮助准确定位参与者的网络位置与角色[12]。网络构建上，参考现有学者[8-9]的做法，以十大创新集群中的城市为网络节点，专利合作以及互引信息为网络连接，构建本文所关注的全球创新网络。地位测度上，本文借鉴姜春林等[13]的方法，使用网络地位测度中常用的点度中心性反映上海在全球创新网络中的地位。Wasserman等[14]的研究提供了点度中心性的具体算法，并指出点度中心性越高，代表网络节点的社会关系越多，节点就越重要。

(1)

式中，xij值取0或1，当节点i和节点j存在专利合作或互引关系时，xij取1。具体计算时，本文以专利申请年份为准，构建网络节点的合作和互引年度邻接矩阵，用以计算专利合作和互引网络中，对应节点的网络中心度指标。

2 上海在全球创新网络中的地位测度

2.1 城市层级合作网络中的地位测度及分析

2000—2020年上海与其他城市节点间的合作申请专利总数及其当年占上海所有USTPO专利的比重如图1所示。数据显示，上海与全球主要创新城市间的专利合作量及其在上海USPTO专利总量中的占比均呈现出不断上升的趋势。这说明，与全球主要创新城市间的创新合作在上海的城市创新活动中地位越来越重要，探究上海与全球主要创新城市间的合作网络演变，测度上海在其中的地位具有重要现实意义。上海历年前三大创新合作伙伴的统计结果见表1，由表1可见，随着时间推移，上海合作关系最密切的伙伴城市逐步向国内城市集中。进一步地，本文根据网络中心度计算公式，计算了上海在全球创新城市专利合作网络中的度数中心性指标。2000—2020年期上海在全球创新合作网络中度数中心性的变动趋势以及上海度数中心性在17个城市中的排名情况如图2所示，可以看出，2004年以前，上海的国际专利联合申请中，还不存在与其他主要创新集群的合作，没有与其他节点构建有效网络连接。2003后上海参与到了全球主要创新集群城市的专利合作网络中，尤其在2012年后，上海在创新网络中的地位提升十分迅速，在创新合作网络中占据了相对核心的地位。上海在17个城市中网络中心度排名也在2012年后加速上升，2015年后稳定在第3的位置，前两名为国内城市深圳和北京。

在计算度数中心性的基础上，划分2000年前、2001—2010年和2011—2020年3个时间段，对以十大创新集群城市为节点的创新合作网络进行图谱

图1 上海与其他城市间专利合作总量及其占比统计

表1 上海历年前三大专利合作伙伴城市统计

图2 创新合作网络中上海度数中心性及其排名年度趋势

可视化，以更直观反映创新网络特征和上海地位的变化。图谱中，本文在0、1邻接矩阵反映节点间有无合作关系的基础上，用两个节点间合作申请专利数来反映合作的密切程度，分别绘制不包含城市内部合作的单点跨城市网络图以及包含城市内部合作的双点网络图。节点间存在连接线时，表明该时间段内节点间存在专利联合申请记录。连接线的粗细反映该时间段内节点间累计合作专利数量的多寡，也就是合作的密切程度。节点大小对应节点在网络中的度数中心性高低。图3中 (a1)和 (a2)显示了2000年前的全球主要创新集群专利合作申请情况，从单点图上可以看到，上海 (方块形状节点)在2000年前，孤立在全球主要创新集群城市合作网络外，国际专利申请中仅仅存在城市内部合作。东京-横滨集群在2000年前的合作网络中占据绝对的核心地位。观测双点合作网络图还可以发现，基本上所有创新集群城市都反映出城市内合作比城市间紧密，同一集群内比不同集群间合作更紧密的特征。

2001—2010年，从网络图谱特征来看，相比2000年前，城市间合作越来越密切，上海进入了创新集群间的专利合作网络，度数中心性也有了明显提升。上海从没有跨城市合作到拥有了七个合作伙伴，分别是中国香港、北京、波士顿、剑桥、圣何塞、东京和纽约。旧金山-圣何塞集群网络地位显著提升。整体网络仍然表现出城市内部合作密切程度高于城市间，集群内部合作多于集群间合作的特征。

2011—2020年，上海的网络度数中心性提升显著，合作伙伴数量大幅增加，与其余16个城市节点中的15个城市 (除神户外)都建立了专利合作关系。这10年间上海与深圳的合作最为密切，专利合作更频繁的国内城市是北京和深圳，国外是纽约和圣何塞，整体上上海在国际专利申请中与国内城市的合作紧密度高于国外城市。整体网络的密集程度进一步提升，仍然表现出城市内合作比城市间合作更密切的特征，与前两个时间段不同的是，不同集群间的合作变得更加密切了。随着时间的推移，上海在全球主要创新集群城市创新合作网络中的地位不断提升，合作伙伴数量稳步增长，并且在国际专利申请中相比跨国合作，更多地转向与国内城市合作。

图3 全球十大创新集群城市专利合作网络

2.2 城市层级互引网络中的地位测度及分析

专利合作网络中，本文研究发现上海的网络地位不断提升，跨国联合专利申请行为越来越频繁。进一步，本文构建专利互引网络，搭建专利间父-子关系，探究上海申请专利时主要依赖国内还是国外的专利技术，申请的国际专利的创新性和质量到底如何等问题，何欢浪等[15]的研究也指出，专利被引次数是衡量专利质量的常用指标。本文用上海申请的专利对其他专利的引用情况来表征上海对其他城市技术的依赖程度，反映在专利互引网络中就是上海的入度中心性指标。专利创新性和质量方面，采用上海专利被其他专利引用情况来表征，反映在专利互引网络中就是上海的出度中心性指标。本文首先计算2000—2020年上海在全球主要创新城市集群专利互引网络中的入度和出度中心性，结果见图4。需要说明的是，本文用子专利的申请时间确认年份区间，点度中心性指标计算方式与合作网络类似，不同之处在于互引网络是有方向的。具体而言，当i为子专利节点时，其度数中心性反映的是互引网络中的入度中心性。当i为父专利节点时，其度数中心性反映的是互引网络中的出度中心性。

图4 专利互引网络中上海出入度中心性年度变化趋势

从图4的测算结果可以看出，上海的点入度中心性一直维持着比较高的水平，说明上海申请的国际专利中，有大量专利引用了其他16个城市的专利，对其他城市专利的技术依赖性比较强。再看上海被其他城市引用的情况，随着时间的推移，上海在专利互引网络中的点出度中心性呈快速提升趋势，全球十大创新集群中越来越多其他城市的专利在申请时引用了上海的专利技术，这反映了上海在专利互引网络当中地位和专利质量的提升。结合图5对上海点入度和点出度中心性的排名，横向比较不同城市后可以发现，在2012年前，上海的点出度排名在中后甚至垫底的位置，而点入度则一直稳定在前3位，说明上海在专利技术水平上很长时间处于 “跟随者” “学习者”的角色，专利技术对其他城市的输出非常有限。但自2012年后，上海的点出度排名跃升明显，点入度排名有轻微下滑。这说明，近年来，上海不再是仅仅充当 “跟随者”的角色，开始与其他城市间形成 “你中有我” “我中有你”的互引网络格局。与北京和深圳相比，上海国际专利的质量还存在一定差距，北京和深圳自2015年后点出度稳居前列，深圳更是多年居第1位。

图5 专利互引网络中上海出入度中心性排名变动

为了更直观反映上海在专利互引网络中的地位变动，本文对互引网络同样进行了可视化处理，网络图谱见图6。图中方块形状的节点为上海，节点大小反映点出度中心性高低，箭头指向节点表示节点对其他节点的专利引用，指出节点表示节点专利被其他节点引用，连接线粗细反映节点间互引关系的密切程度。2000年前，上海的点出度中心度较低，低于所有海外城市，与国内城市对比仅低于香港但高于广州、深圳和北京。从图6中连接线粗细还可以发现，上海引用横滨、圣何塞和东京的专利最频繁，国际专利申请主要依赖这3个城市的专利技术。除上海外，其他国内城市节点的国际专利申请也存在较强的国外技术依赖，尤其依赖东京、纽约等创新节点的专利技术。这个阶段的上海在全球主要创新集群专利互引网络中处于边缘地位，所申请的国际专利创新性和质量不高，存在较强的国外技术依赖。东京、横滨以及圣何塞等城市占据了互引网络的核心地位。与同时间段的合作网络对比看，全球主要创新节点间专利技术互引网络密度远高于合作网络密度。另外，属于同一集群内的创新城市节点间并没有展现出更为密切的专利互引关系，但同一集群内节点在互引网络中的点出度中心性密切相关。例如，东京和横滨市在互引网络中均占据了核心的地位，而同属一个集群的深圳、香港和广州三市点出度中心性都较低。

2001—2010年，上海依旧在创新网络中充当 “跟随者”角色，国际专利申请中对东京、旧金山和圣何塞3座城市技术依赖度最高，与国内城市间的专利互引关系依然较为疏远。2011—2020年，全球十大创新集群城市组成的专利互引网络格局发生了较大变化，上海的网络点出中心度提升显著，不再仅仅充当 “追随者”角色，申请的专利开始被更多城市引用。上海、北京和深圳等国内城市的互引关系变得更密切，但同时上海对东京和圣何塞等海外城市的技术依赖度仍然较高。目前，在美国为首的发达国家对中国采取不断加码技术管制的背景下，上海需要进一步加强与国内主要创新节点城市的合作和互引关系，逐步降低对国外城市的技术依赖，以抵御发达国家的技术封锁。比较各城市节点的大小还可以发现，全球十大创新集群城市由一开始的少数城市掌握技术优势，其他城市充当 “跟随者”的格局逐步向各创新集群 “我中有你” “你中有我”的网络格局转化。

(a)2000年前 (b)2001—2010年 (c)2011—2020年图6 全球十大创新集群城市专利互引网络

2.3 细分技术领域子网络中上海的地位测度及其分析

细分技术领域子网络分析中，本文选取与集成电路密切相关的技术领域，对上海的网络地位进行测度及分析。目的是更深入细致的发掘上海在集成电路领域的网络合作对象、对外依赖程度等信息。集成电路是上海重点发展的核心领域之一，也是近期拜登提出的对华技术审查四大领域中的重要板块，明确上海在集成电路领域的创新网络地位对上海重点产业发展、应对美国制裁等都具有重要现实意义。从本文对数据的统计结果来看，上海无论是被引用次数最多的技术领域还是技术对外依赖度最高的技术领域，几乎都集中在集成电路产业内，这也反映了集成电路产业的重要地位，表2列示了本文重点聚焦的七大集成电路核心技术领域。从表2可以看出，上海被其他城市引用次数较多的专利涉及跨国联合申请的专利数占比较高，平均高于美国专利商标局中10%的全球联合跨国申请专利数占比。这说明在被引用次数多的高质量专利技术领域，上海更多地依赖与国外城市进行合作。而被上海引用最多的几个技术领域，上海专利的父专利中，完全由中国城市研发的专利占比除了H02M领域外，平均在7%左右。这些数据初步说明上海在集成电路领域的专利申请整体上对外技术依赖度较高，更多地依赖于和国外城市而非国内城市的合作。

表2 集成电路七大细分技术领域特征

为了更细致地展现上海在集成电路细分技术领域网络地位的动态变化，本文测算了集成电路领域合作网络中上海的点度中心性及排名变动趋势。结果表明，2000—2020年上海在集成电路技术领域合作网络中逐步占据了核心地位，度数中心性及排名的迅速提升与整体网络一样起始于2012年。2012年以来，全球十大创新集群包含的城市中，国内城市北京、深圳和上海逐步占据了合作网络的核心地位。从上海的度数中心性指标上看，2014—2017年上海的合作伙伴数量曾经历过短暂的收缩期。但整体上看随着时间推移，上海与越来越多的全球创新集群城市建立了集成电路技术领域内的合作关系。2017后，即使经历了中美贸易摩擦等重大国际事件的冲击，上海的集成电路领域合作对象数量仍不断扩张。

本文对2000年前、2001—2010年以及2011—2020年3个时间段的集成电路技术领域创新合作网络进行可视化图谱绘制，如图7所示。整体上看，集成电路技术领域的专利合作网络相比整体合作网络，合作关系更松散。随着时间推移，网络呈现出密度越来越高的特征。合作密切程度上看，城市内合作比城市间更密切，集群内比跨集群更密切。从上海的网络地位变动来看，在2000年前，上海处于集成电路网络边缘的位置，与其他国内城市一样尚未参与到创新集群城市的专利合作网络当中。2001—2010年上海融入到集成电路技术领域专利合作网络当中，但并没有取得网络核心地位，也仅仅与东京、剑桥、圣何塞和北京四座城市建立了合作关系。2011—2020年，上海的网络地位提升十分显著，逐步占据了网络核心地位，北京、深圳和上海形成了 “三足鼎立”之势。上海与所有城市都建立了合作关系，与北京和深圳的合作关系尤为密切。相比于整体网络，2011年后在集成电路核心技术领域，上海、北京和深圳的跨集群合作网络核心地位更为突出。

2.4 上海典型企业的创新网络地位测度及分析

在日益激烈的创新竞争中，企业的核心地位逐步凸显。城市网络地位的跃升，离不开龙头企业的率先突破，比如深圳创新网络地位的跃升就与华为的专利申请和被引密切关联。对上海在全球创新网络中的精准定位，典型企业创新表现也是至关重要的维度。本文从整理的专利数据库中，根据专利权所属实体信息，筛选2000—2020年专利申请数量最多的10个上海企业，具体企业名录见表3。在本文的专利数据库中，拥有最多专利的上海企业主要分布在集成电路、生物医药等重点产业，其中仅一家外资企业，超过半数 (6家)为总部在上海的企业。在网络地位和测度分析方面，本文从电子通信、集成电路和生物医药各选取一家代表性企业进行深入探讨，分别是拥有最多和第2多专利数的中芯国际集成电路制造 (上海)有限公司 (下文简称中芯国际)和上海天马微电子 (简称天马微电子)，以及唯一一家生物医药企业上海联影医疗科技有限公司 (简称联影医疗)。

图7 2011—2020年集成电路技术领域专利合作网络图谱

表3 上海专利申请量最多的10个企业统计

本文分析3家企业所申请专利的技术分布情况，并进行词频统计。图8反映3家企业所申请专利的技术跨度以及分布情况，字体大小反映词频高低。从技术领域分布上看，典型企业专利的技术领域跨度广泛，尤其是天马微电子和中芯国际。技术优势领域十分突出，联影医疗在G06T和A61B领域技术优势突出，且A61B领域上海申请的专利整体质量高，被其他城市引用的次数较多。天马微电子和中芯国际最突出的技术领域都在H01L领域，该领域整体上上海对其他城市技术依赖度高，专利申请依赖与国外城市合作以及引用国外城市专利。

数据统计中发现，本文选取的3个典型企业的美国专利商标局专利申请绝大多数依靠自主研发，很少依赖于与国外城市合作，与国内城市深圳、北京等合作关系更密切。专利联合申请上，企业的专利合作网络化特征与整体城市合作网络相比并不明显。这表明，上海在生物医药、集成电路等领域的龙头企业具备了较强的自主研发能力，专利申请的跨国城市联合行为较少。在此基础上，本文对3家企业为起点的互引网络进行细致刻画，以更全面的评估其创新自主能力。网络刻画上，本文提取了3家企业与十大创新集群城市间的专利互引关系，如图9所示。可以发现，联影医疗、天马微电子以及中芯国际均与十大创新集群中的大多数城市建立了专利互引联系。在互引关系当中，上海的典型企业整体上还处在一个技术 “跟随者”而非 “溢出者”的角色。联影医疗的专利技术仅仅被波士顿和上海的其他申请人所引用，互引关系最紧密的城市是上海。天马微电子的专利得到了更多城市的引用，首尔、广州、东京、香港、上海、北京和深圳7个城市的申请人引用了天马微电子的专利，上海天马微电子与北京的互引关系最紧密。中芯国际是上海申请USPTO专利最多的企业，但与其建立互引关系的城市较少，仅有北京和上海的申请人引用过中芯国际所申请的专利。

图8 典型企业专利涉及技术领域分布图

(a)联影医疗

(b)天马微电子

(c)中芯国际

3 结论与建议

3.1 结论

本文以2020年世界知识产权组织发布的 《2020年全球创新指数》报告中全球十大创新集群包含的17个创新城市为研究样本，从美国专利商标局中利用Python爬虫技术爬取了相关城市的专利文本。并根据专利文本中的申请城市、技术领域IPC分类号等信息，构建了以17个城市为节点的全球创新合作及互引网络，对上海的网络地位从城市层面、技术领域层面和典型企业层面进行了多维测度。研究发现，1976年至今，全球创新活动的网络化特征越来越显著，网络密度越来越高。上海在全球创新网络中从边缘角色，逐步攀升到了核心地位。在集成电路的相关核心技术领域，上海也完成了从 “跟随着”到 “并跑者”的角色。但是国际专利申请中依赖国外技术的现象仍然较为严重。企业层面，上海涌现出中芯国际、天马微电子和联影医疗在内的龙头企业。然而，相关企业所申请的专利质量还有待进一步提升，所申请的专利较少被国外专利权人引用。

3.2 政策建议

(1)持续深化与其他城市间的专利合作，上海过去在创新网络地位的提升离不开与其他创新城市集群间的合作。随着时间的推移，上海与北京、深圳的合作关系越来越紧密，但与其他国外城市的合作关系却并未呈现出愈加紧密的显著特征。上海需要更主动地融入到专利合作的国际网络中，在深化与国内创新城市集群合作的同时，进一步强化与国外创新集群间的网络合作关系。一方面有利于上海更好地吸收转化先进技术，另一方面也有利于上海突破引用国外专利较多但被引用较少的问题，通过更广泛的合作，更好地与其他创新集群间形成你中有我、我中有你的制衡格局。

(2)瞄准重点领域，维持网络优势地位。广泛的深化合作固然对网络地位攀升大有裨益，但要想在创新网络中持续维持优势地位，离不开核心、重点技术领域的自主创新能力。集成电路相关的G部和H部专利技术是创新网络中，各方主体合作、互引最紧密的领域之一。在创新网络中各节点间合作、互引最密切的领域，率先抢占核心地位，对节点网络地位的整体提升和持续维护具有重要战略意义。上海在相关重点领域，可以依托与北京和深圳的紧密合作关系，加强技术交流互通，形成合力优势，逐步摆脱对外国先进技术的依赖，加强核心重点领域专利自主可控能力。

(3)引导龙头企业建立专利合作网络，加速整体产业创新发展。对上海的现状分析表明，集成电路、生物医药等领域上海已涌现了部分龙头企业。这部分企业存在专利申请数量多但专利合作网络化特征尚不明显、专利申请对国外技术依赖仍较强等问题。仅仅依靠龙头企业的力量，较难满足创新网络地位突破的需求，中小企业更是完全不具备技术领先的优势。政府可以通过引导相关龙头企业建立产业内部和产业间的专利合作网络，并鼓励中小企业利用自身的独特优势不断嵌入。打造各技术领域内部的良好合作生态体系，充分利用集群优势，实现网络地位的进一步提升。