大科学项目的国际科学合作模式及特点探究

侯剑华+王仲禹

〔摘 要〕国际科学合作已经成为当今大科学时代开展大科学项目研究的主流科学生产方式。研究大科学项目的国际科学合作的运行模式及其特征，对我国开展大科学项目研究具有一定的理论和实践指导意义。由美国牵头发起的斯隆数字巡天（SDSS）项目是21世纪以来典型的大科学项目，在Web of Science平台检索依托这一项目的科学论文，利用CiteSpace信息可视化软件系统对这一项目的国家和机构两个层面的科学合作情况进行分析，揭示了该项目的国际科学合作中以多边交叉型合作模式、双边交互性合作模式和补充型合作模式为核心的“外、中、内”3层合作体系，总结了大科学项目国际科学合作的基本特征，为我国参与和主导国际大科学合作提供参考借鉴。

〔关键词〕大科学；国际科学合作；科学合作模式；CiteSpace；斯隆数字巡天项目

〔中图分类号〕G311 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1008-0821（2016）12-0126-07

〔Abstract〕International scientific cooperation has been the main scientific production mode of big science projects in big science times.Research big science operation mode and characteristics of international scientific cooperation has theoretical and practical significance for developing big science project in China.SDSS project is a typical big science project leading by the United States since 21 century.This paper retrieved the articles based on SDSS project from Web of Science and made a information visualization on countries and institutions scientific cooperation by CiteSpace software system.This paper revealed the three layers scientific cooperation system including multilateral cross cooperation pattern，bilateral interactive cooperation mode and complementary cooperation mode.It summarized the basic characteristics of international scientific cooperation of big science projects in order to providing important reference of participating and leading international scientific cooperation for China.

〔Key words〕big science；international scientific cooperation；scientific cooperationmodel；CiteSpace；Sloan Digital Sky Survey（SDSS）project

21世纪以来，随着经济全球化进程的不断加深，各国间科学交流与合作日益密切。特别是基础科学研究领域的科研合作得到快速发展。以“大科学”为基础的国际科学合作也取得了长足的进步。早20世纪60年代，作为科学计量学奠基人的普赖斯（Derek John de Solla Price）就在其著作《Big Science Little Science》[1]中给出了大科学的定义：大科学即为占用社会资源庞大的科学研究形式，如欧洲核子研究组织下属的大型强子对撞机（LHC）项目。此类科学研究项目有两大特点：

1）投资强度大，需要巨额投资建造、运行和维护大型研究设施。

2）多学科交叉，需要跨学科合作的大规模、大尺度的前沿性科学研究项目。

因此，大科学项目一般是由多个国家或机构通过合作研究完成，其中科学合作的模式将直接影响到大科学项目的确立、运行及相关管理。2000年，Sloan Digital Sky Surveys（斯隆数字巡天项目）（下称SDSS项目）在美国正式启动。作为世界上迄今为止最大规模的星系图像和光谱巡天项目之一的SDSS项目，使用了位于美国、智利等多国大型天文探测设备，项目耗资巨大，目前已经进入到SDSS-Ⅳ阶段（SDSS-Ⅰ，2000-2005；SDSS-Ⅱ，2005-2008；SDSS-Ⅲ，2008-2014），完成了12次数据发布（Data Release 12）。SDSS项目参与人数众多，仅SDSS-Ⅳ就有超过40研究机构的200余位天文学家参与其中。此外SDSS项目所研究的银河系结构、近邻星系二维性质和宇宙大尺度结构等3个领域是现阶段天文学研究领域最为前沿的研究方向，其中涉及到，天文学、天体物理学、地理学等众多学科的交叉与融合。SDSS项目同时具有大科学项目的两大特点，是典型通过国际科学合作完成的大科学项目。目前学术界针对国际科研项目合作方面的研究尚处于起步阶段，主要有从宏观角度对国家或区域科学合作特点或趋势的分析[2-4]，以及部分针对某个特定研究领域合作情况的分析[5]。已有研究对大科学项目的国际科学合作模式的探究仍需进一步深化。本文基于科学计量学和引文分析方法，利用CiteSpace软件系统对 SDSS项目中国家与机构两个层面的科学合作进行可视化分析，探索SDSS项目中的科学合作情况，揭示大科学项目的国际科学合作模式及其特征。同时在SDSS项目研究的基础上，通过对比发现我国在国际大型科学合作项目中的现状、存在的问题及其成因，为我国大科学项目的国际科学合作研究与实践提供参考。

1 数据的来源与处理

本研究使用的数据均来自美国汤森路透集团（Thomson Reuters Corporation）的科学引文索引数据库。数据检索和处理由两个步骤确定，首先在Web of Science检索平台的核心合集（Web of Science Core Collection）中以主题词为检索项，输入Sloan Digital Sky Surveys与SDSS两个主题词，二者为或含（OR）关系。SDSS项目于2000年开始进行探测活动，到2004发布了较为完整的数据，Web of Science核心合集中第一篇收录文献出现在2005年，故将检索时间范围设定在2005-2015年，初步检索得到数据6 382条。其次，由于SDSS机构主页显示为该项目提供资助基金为：Alfred P.Sloan Foundation、The National Science Foundation、U.S.Department of Energy Office of Science 3家资助机构[6]，故在初步检索结果中，选取资助基金为：NATIONAL SCIENCE FOUNDATION、ALFRED P SLOAN FOUNDATION、US DEPARTMENT OF ENERGY及其简称DOE和NSF的5项资助基金进行精炼，得到精炼后数据2 327条。最后所有文献数据均包括全纪录与引用的参考文献形式并以纯文本格式下载。

从文献的时间分布上来看，SDSS研究项目的文献数量整体呈上升趋势，如图1所示。其中2005-2007均为1条文献数据。但文献数据在2008年出现激增，并在2012年达到峰值为384条。而这两个时间节点分别是SDSS项目二期三期工程观测数据发布的时间节点，引发文献数据出现突增。

从文献产出的国家分布来看，高产国家主要有美国、德国、英国、西班牙、中国、法国等（图2），其中美国的文献产出量远远超过其他国家达到1 582篇，占到整个样本数据的67.98%，其次是德国、英国、西班牙。中国的文献产量为347篇，占整个样本数据的14.91%。这说明美国在SDSS项目研究中起到了十分重要的作用，其次是德国、英国、西班牙等国家。文献产出量在一定程度上能反引出一个国家合作能力的强弱。

2 结果分析

为方便下文对于科学合作形式的探索和分析，现将本研究使用的相关概念界定如下：

1）合作主体。即合作项目中的参与主体，在本研究中分为国家与机构两个层面，每个层面均包含多个独立的合作单位。

2）合作能力。在单篇文献产生效果相同的前提下[7]，基于大科学的两个特点，本研究定义合作能力有国家的经济实力及科研能力两部分构成，合作能力即为二者两部分能力之和，合作能力的最主要体现是合作单位的发文数量。

3）合作效果。在与2）相同的前提下，合作效果即用合作发文数量进行表征，合作发文数量越多即被视为合作效果好。

2.1 SDSS项目国家间科学合作的可视化图谱分析

借助信息可视化软件CiteSpace[9-10]对SDSS项目研究产出的科学论文进行国家层面的科学合作分析，展现国家层面不同合作单位间的科学合作情况。通过软件对数据样本进行可视化处理，得到国家间的合作网络图谱如图3所示。

SDSS项目国家间的科学合作网络整体上呈放射状分布，从中心向四周，节点的合作频次逐渐减小。其中美国占据着网络的中心是最大的一个节点，也是网络中中心度最大的一个节点。此外较大的节点还有英国、德国、西班牙3国，也同时具有较高的中心度。美国、德国、西班牙、英国4个节点的位置较为紧密，构成了整个合作网络的主体结构，周围还环绕着一些合作频次相对较低的国家如：意大利 、法国、加拿大、澳大利亚等。中国处在整个网络的边缘位置，虽然节点较大，但网络中心度较低。中国的合作频次较高但合作关系较为集中，主要分布在少数国家。通过CiteSpace运行得到SDSS项目国家间科学合作频次表（表1），选取了合作频次排名前20位的合作国家进行分析。

结合表中给出的合作频次及中心度等信息可以进一步对科学合作网络图谱进行分析。

从表1可以看出，合作国家的合作频次高低与文献产出频次高低基本呈正相关关系。中国的合作频次较高，跃居第二位为251次。可见中国的单篇文献合作率较高即中国在SDSS项目科学合作中的合作研究较为普遍，多与其他国家共同合作开展研究活动。作为2012年才加入SDSS合作项目的中国目前仍然需要与高合作能力单位进行科学合作来提高自身合作能力。从表中的网络中心度来看，美国的合作频次为1 136次，远远超过其后国家的合作频次。此外美国也具有极高的中心度（0.53），这直接证明了美国处在网络结构的绝对中心位置。合作频次排名第二的中国，在图谱中节点的中心度为0.01，处在网络结构边缘。在合作项目中的影响力较弱。

通过对SDSS项目国家合作网络图谱的分析可以发现以下特征：

1）国家间的合作呈现“一超多强”的关系。“一超”是指美国。从图谱中可见节点美国在图谱网络中处在绝对中心的位置，结合图4发现美国与超过30个国家产生合作关系。其中既包括同样拥有高科研能力的英国、德国、西班牙等国家，此类国家内部均有一个或数个大型合作单位参与到SDSS项目中。此外还包括科研能力有待发展的国家，如：比利时、南非、智利等。此类国家往往以个别合作组的形式参与其中。而美国拥有强大的合作能力主要源于两方面：一方面美国拥有雄厚的经济实力，大科学之所以为大，其中一个重要原因需要庞大的资金支持来维持项目的运行，国际大科学项目的合作研究则是大科学合作的代表，往往需要巨大的资金投入。而SDSS项目的3个资助基金机构：斯隆基金会、美国国家科学基金会和美国能源部均为美国机构，其提供的庞大资金为天文台的运行及维护提供了有力的保障。另一方面，美国拥有数目众多的在天文学研究领域处于顶尖地位的研究机构，如劳伦斯伯克利国家实验室、约翰霍普金斯大学、宾夕法尼亚州立大学等。这些机构作为SDSS项目最早发起者和参与者，在SDSS项目中拥有较高的话语权。这使得美国在SDSS项目中具有远超其他国家的合作频次，合作效果突出。合作网络中的“多强”是指英国、德国、西班牙等国家。此类国相较于美国而言合作能力稍弱，但仍具有很高的合作能力。其在合作网络中产生的合作关系较少但仍然具有相当高的合作频次，在整个项目中发挥极为重要的作用。

以英国的国际合作网络为例，截取英国与相应国家的合作网络图谱（图5）。英国的合作频次相对较低，与之存在合作关系的单位较少，但仍然是合作网络中不可或缺的部分。在SDSS项目合作网络中由美国起主导作用，英国、德国、西班牙、法国等国家起重要作用，构成的整个国家合作网络主体结构的合作模式可以被定义为多边交叉合作模式。即合作单位之间存在着多边合作情况，并以此构成一个较为紧密的合作体系。但由于合作单位之间的合作能力差距导致合作频次出现不均衡分布。不过SDSS项目所体现的不均衡多边合作模式并不会出现在所有的科学合作项目中。部分科学合作会呈现出均衡多边合作模式，即高合作能力单位间不存在较大的合作能力差距。

2）典型代表。值得注意的是SDSS项目国家合作图谱中存在少数合作能力较低但合作效果较高的节点，最为典型的代表就是南美洲高纬度国家智利。天文观测对于观测点地理位置有特殊要求，如银河的中心部分和麦哲伦星云天体，只能从南半球观测。因此巴西和智利境内均建有大型的地面观测站。其中SDSS-Ⅳ探测项目所使用的Irenee du Pont望远镜就位于智利安第斯山脉的Las Campanas天文台。此外智利还建有托洛洛山美洲际天文台（Cerro Tololo Inter-American Observatory）、阿塔卡玛大型毫米/次毫米波阵列（ALMA）等大型地面观测设备。而这些天文台的建立均是源于智利境内得天独厚的天文观测优势。智利由于地理因素而参与到SDSS项目研究中。在一定程度上弥补了合作能力的不足，并在研究项目中发挥不可或缺的作用。本研究将此类基于特殊因素弥补合作能力，并参与到相关科学合作项目中的合作模式称之为补充型合作模式。其中地理因素是作为互补合作模式产生的一个重要诱因，在天文学研究领域的相关合作项目中体现的最为明显。不过此类补充型合作模式在科学合作中体现较少但仍然是不可忽视的一种合作模式。

2.2 SDSS项目研究机构间科学合作的可视化图谱分析 为了进一步探索SDSS项目的合作模式，在国家合作网络图谱分析的基础上，通过对机构间合作的分析来进一步地解释上文中的合作模式产生的原因，以及探索新的合作模式。对样本数据进行可视化处理后得到机构合作网络图谱如图6所示。

从图6中可以看出，SDSS项目机构合作网络图谱整体也呈现放射状，中心聚集着数目较多的高频次合作机构，机构合作频次从中心向四周逐渐减少。这基本符合大型科研项目中国家与机构合作模式，即合作能力较强的合作单位处于合作网络的中心位置，与其他合作单位展开科学合作，以此形成高频次节点。但中国科学院作为网络图谱中合作频次最高的节点却处在较为边缘的位置，远离高频次节点集群。针对这一特殊情况将在后文进行详细分析。高频次节点中除了中科院还有马克斯·普朗克天文研究所、加州理工学院、哈佛史密斯天体物理中心、加州大学伯克利分校、约翰斯·霍普金斯大学、普林斯顿大学等机构，以上这些机构在合作网络中的分布相对集中，形成了一个密集的合作群落。整理出机构合作频次排名前15的信息表（表2），进一步分析SDSS项目的机构合作情况。

表2选取了合作频次前15的机构。从表中可以看出，合作频次最高的机构是中国科学院119次，其次是马克斯·普朗克天文研究所106次。从合作单位的国家分布上来看，机构数最多的为美国10个，其次是英国2个，中国与德国各1个。以智利为代表的补充型合作国家的机构没有出现在上表中。从合作机构的地域分布即可解释SDSS项目国家合作网络中美国为何处在中心的位置且具有远超其他国家的合作频次。在SDSS项目中，其国家内部数目众多的合作单位承担了SDSS研究工作相当大的比重。通过广泛的国内及国际合作使得美国在合作项目中起到主导地位。以加州理工学院为例，其合作网络如图7所示。其合作网络呈现放射状分布，与其合作的机构超过30个。既有包括相当多的高合作能力的机构，也包括少数合作能力较弱的机构。既有美国国内的合作单位，也有其他国家的合作单位。与此相似的机构还有普林斯顿大学、约翰斯·霍普金斯大学等高合作能力机构。这些机构在SDSS项目的机构合作层面上形成了一个较为紧密的多边交叉式合作体系，上升到国家层面就表现为美国在合作网络中表现出的超高合作效果，以及形成以美国为主体的多边交叉式合作网络。而英国、德国等国家内部也具有此类合作单位如：英国剑桥大学、朴茨茅斯大学。德国马克思普朗克天文研究所等，但数目较少，这就导致国家层面表现出的合作效果相对较低。而中国科学院作为SDSS项目机构合作网络中的特例，其合作模式有别于其他高合作效果单位。中国科学院国家天文台作为国内惟一一家科研单位同SDSS合作组于2012年12月正式签署合作协议，成为SDSS-Ⅳ的所级成员单位（Full Institutional Member）[11]。并组成了一支由千人计划学者、国家杰青为核心成员的高水平SDSS-Ⅳ研究团队，这些研究团队成员多数来自与中科院国家天文台有合作关系的高校等合作单位。通过中科院合作网络图谱（图8）即可展现出中国科学院的相关合作状况。中科院在其合作网络中起到了一个纽带作用，其一方面连接了图中左下侧数目较多的合作频次极低的机构如：南京大学、北京师范大学、太原科技大学等，此类合作机构的合作发文频次均不超过四篇，且内部的合作作者多数存在拥有包括中科院在内双重或多重工作单位，这导致一定数量的中科院内部合作被判定为机构间的合作，从而推高了中科院合作频次，而此类高合作频次并不能被定义为高合作效果而是被定义为内部交叉型合作。另外由于中科院内部合作单位均处在合作网络最边缘的位置，因此中科院在SDSS项目合作中明显区别与其他高合作能力机构，处在机构合作网络的边缘。另一方面中科院又与图中右上高合作能力机构产生合作关系，但合作单位数目较少，其中合作效果最突出的为德国马普学会、英国朴茨茅斯大学。作为世界上最知名的SDSS研究机构之一，英国朴茨茅斯大学的宇宙学与引力研究所（ICG）与中科院联合开展围绕SDSS-Ⅳ项目的国际合作，这有助于帮助中科院快速融入到SDSS项目合作中去。此外中国科学院国家天文台还在中德科学中心合作框架下与德国马普学会出现较为广泛的合作。作为SDSS-Ⅳ才加入SDSS项目合作组的中科院，通过与SDSS项目中高合作能力机构进行合作，使自己快速融入到SDSS项目合作组当中去。本研究将这种合作模式定义为外部协助型合作。即合作能力较低的合作机构通过与高合作能力机构进行一对一或多对一的协助式合作，此类合作中的合作机构之间存在着较为明显的合作能力的差异且此类合作的主要目的在于帮助低的合作能力机构快速融入到科学合作当中去。通过以上两点可发现在SDSS项目中，中科院合作模式可被定义为交互型合作模式，此类合作模式包括内部交叉与外部交互两个方面，其中内部交叉主要体现在较为庞大的研究机构中，其内部研究机构众多并通过内部自行优化合作结构，分配科研资源的方式提高自身合作能力，与此类似的还有德国马普学会等大型科研机构。外部交互主要体现在不均等性协助合作方面，即高合作能力机构对低合作能力机构提供技术指导、援助等，帮助其提高合作能力。交互型合作模式整体旨在提高合作机构的合作能力。

2.3 SDSS项目整体科学合作体系构建

通过对SDSS合作项目国家与机构两个层面合作情况的可视化网络分析，可以发现SDSS项目中存在这3种较为明显的合作模式：

1）多边交叉型合作模式。此类合作模式中的合作单位通常具有较高的合作能力，通过高合作能力单位之间的交叉型合作做，构成了整个合作网络的主体结构。

2）双边交互性合作模式。此类型合作模式中的合作单位通常存在合做能力的差异，即主要体现在高合作能力单位

与较低合作能力单位之间，构成整个合作网络次外围结构。

3）补充型合作模式。此类型合作模式中合作单位的合作能力通常存在两极分化，主要表现为高合作能力单位与极低合作能力单位之间合作。此类型合作单位中合作能力较低的单位通常处在合作网络较为边缘的位置。3种合作模式有机的结合，构成了SDSS项目围绕一个整体科研目标的“外、中、内”3层科学合作体系（图9）。

在这个3层合作体系中，不同合作能力的合作单位，在科研合作中均具有不同的作用。他们之间的相互作用使得3层合作体系成为一个不可分割的整体。作为天文学研究领域迄今为止规模最大、研究成果最有价值国际大型科学合作项目，SDSS项目的科学合作体系经历10余年的发展，已经相对完善。究其原因在于这个3层网络体系在科学合作中具有诸多优势和特征：

1）集中优势资源，攻克核心问题。通过高合作能力单位之间的多边交叉合作，有利于优势资源的有效利用。高合作能力单位间的合作可将核心问题细化分配，从而降低了大型科研项目的推进难度，保证项目的顺利进行。

2）提升合作能力，保障持续发展。在双边交互式合作模式中，低合作能力单位通过自身内部优化、整合及外部协助可与效提升自身的合作能力。此类合作能力不断增强的合作单位可在合作体系起到越来越重要的作用，为合作项目持续平稳的推进提供强有力的保障。

3）整合特殊优势资源，带动区域发展。在补充型合作模式中，一方面由于补充型合作单位的加入，可确保合作的完整性。另一方面补充型合作单位本身也可获得技术与资金上的支持，带动自身科技与经济的发展。

3 研究结论

本研究以SDSS项目的科学合作为例，探索大科学项目的国际科学合作的合作模式，在其他大型国际合作项目中也均有不同程度的体现，例如在人类基因组计划（Human Genome Project）中就存在多边交叉型合作模式及双边交互型合作模式两类合作模式，而在国际空间站（International Space Station）项目中则主要体现为多边交叉型合作模式，其初创期的5家合作单位均为载人航天领域的顶尖机构。基于大科学项目中合作性质的相似性，通过借鉴SDSS项目中所包含的成熟的科学合作模式，可有效降低大科学项目管理的运行风险，促进成果的产出。对于中国而言，中科院作为国内惟一合作单位于2012年加入SDSS项目合作组。虽然取得了一定的成绩（主导进行南银冠U波段巡天项目（SCUSS）），但在合作网络中仍处在较为边缘的位置，在整个合作网络中的影响力仍有待提升。因此我国在积极主导或参与大科学国际科学合作中，一方面要注重不断加强与外部高合作能力单位进行合作，通过学术交流、联合培养人才等方式提升自身合作能力。另一方面要整合现有资源，加强国内机构之间协调性，发挥科研资源效率的最大化。此外，国家应加强对大科学项目的投入，主导开展大科学项目的国际科学合作。构建自主科学合作体系，加强科学合作管理，促进科研产出。未来研究中我们将进一步对其他大科学项目的科学合作模式进行分析和探究，进一步挖掘和解释大科学合作模式及其特征。为我国今后在基础科学领域开展国际大科学项目的合作研究提供参考借鉴。

参考文献

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（责任编辑：马 卓）