山东省创新发展与产业结构升级耦合协调关系研究

□刘清春 公廉洁 夏小荷

[内容提要]促进创新和产业结构升级的良性互动是提高区域发展经济质量的关键。以山东省为研究区域,基于熵权法测度了2006-2018年山东省17地级市的创新水平和产业结构升级水平,并运用耦合协调模型分析了二者协调发展程度。结果表明:总体上,山东省创新与产业结构升级平均耦合协调度处于中级协调状态,但随时间推移无显著改善;子系统中,创新产出与产业高级化、产业合理化的耦合协调度相对较低,但与整个系统耦合协调度相关性较大;空间上耦合协调度呈现出非均衡格局,表现为东高西低,以济南、青岛为核心向外围降低的特征。随时间变化各城市耦合协调度数值有所上升,但地区间的极化趋势有所增强,马太效应明显:障碍度模型表明劳动生产率和发明专利是影响创新与产业结构升级耦合协调发展的主要因素。本研究为山东省实现创新与产业的良性互动提供理论和现实依据。

一、引言

创新发展是经济增长的内生动力，也是产业结构升级的关键，企业通过自主创新，可以创造超额利润，并引导资源转向高生产率部门，最终实现产业结构升级[1-3]。产业结构升级可以为创新提供原动力和基础条件，并对新知识和新技术产生更高的需求，最终带来创新能力的提升[4-6]。然而，由于我国创新发展还存在产出能力不足，创新效率低下等问题，创新与产业结构升级之间往往存在不匹配现象，致使创新驱动作用难以充分发挥。因此，促进产业结构升级和区域创新的耦合协调发展，是实现我国经济高质量发展的迫切要求。

目前，关于区域创新与产业结构升级关系的研究较多，主要集中于以下两方面。一是对区域创新与产业结构升级单向影响关系进行研究。学者们普遍认为产业升级对自主创新存在显著正向溢出效应，能够有效带动国家和区域的自主创新[7-9]。创新通过对劳动力、资本与技术的重置，在一定程度上影响着产业结构升级的效率与速度[10,11]。二是区域创新与产业结构升级之间内在互动关系研究。蒋天颖等[12]、李国凤[13]运用耦合研究理论分别探讨了城市区域创新与城市化间、产业集聚与区域创新能力间的内在联系。目前关于创新与产业结构升级互动关系的研究主要集中于全国、京津冀、珠三角区域[1,2,5,7]，基于省域内部探讨的研究相对缺乏，由于区域经济的差异性，城市创新与产业结构升级的耦合协调关系也不同，这不利于制定有效的创新和产业发展政策。

山东省是黄河流域中下游地区重要的经济大省，当前正处于推动新旧动能转化的关键期。基于此，本文以山东省17个地级市作为研究对象，运用熵权法、耦合协调度模型测度了创新与产业结构升级之间的耦合协调关系，并基于障碍度模型进一步揭示了主要的影响因素。

二、创新与产业结构升级耦合协调的理论分析

(一)创新与产业结构升级的互动关系

1.创新对产业结构升级的影响

一是优化资源配置。创新通过运用技术与知识等要素，优化配置劳动力和资本等要素，提高劳动生产效率，引导区域主导产业转向资本密集、技术密集型，最终实现产业结构升级。二是推动产品和技术创新。企业要保持比较竞争优势，持有更多超额利润，就会不断更新或创新技术与产品，引导消费者减少对旧产品的需求，从而形成新的产业链，促进产业结构升级。三是产生知识技术溢出效应。在创新网络协同效应下，通过知识、技术溢出效应，企业可以不断提升产品的研发、生产与销售等环节的产出能力，提高劳动生产率，最终推动产业升级发展。

2.产业结构升级对创新的影响

一是提供创新基础条件。产业结构在演化过程中，提供了创新发展的原动力和基础条件，生产环境的更新对新知识和新技术产生更高的需求，而新的产品市场一旦形成，就会带来新的创新需求，最终促进产业创新能力的提升。二是推动了创新成果的转化和扩散。产业结构升级往往带来资本、知识和技术的聚集，为创新成果的应用和扩散提供了良好的环境和基础，推动新知识、新技术的产生和应用。

(二)创新与产业结构升级的耦合协调关系

要素(知识、技术、资本)、组织结构(在集群性、开放性)和产业发展顺序、政策制度等使得创新与产业结构升级存在密切的耦合关联关系，区域创新与产业升级相互转化、相互溢出和相互依赖的程度决定了系统耦合程度的大小，而耦合度又是耦合协调度的基础，但耦合协调度主要反映系统之间的内在协调关系，其大小取决于系统间步调、速度和方向的一致性程度[5]。由于区域创新与产业结构升级系统具有周期性，在两系统演化过程中，系统间的耦合协调度也具有阶段性。在发展初级阶段，由于缺乏互动，两系统处于不协调的发展状态。随着创新能力的不断提升，创新开始为产业结构升级提供技术支撑，产业结构升级带动企业市场扩大，企业通过不断更新技术、创新产品来应对扩大的市场需求，两个系统之间开始出现交互作用，此时处于低级协调状态。随着二者间互动作用增强，互为支撑，系统开始处于稳定的中级协调状态。当系统间实现了高水平的良性互动、协同发展，系统处于成熟的高级协调状态。

三、研究方法和数据

(一)评价指标体系构建

根据相关研究[1-2]，考虑数据的可得性，本文从创新的投入、产出与转化和环境三方面选取指标，创新投入与创新环境是区域创新的基础，创新产出与成果转化则是创新能力的表现。产业结构优化升级系统是以实现经济、生态、社会效益目标，不断合理化、高度化的动态系统，其中创新是产业结构升级的重要手段。产业结构合理化刻画了技术进步引起的产业结构横向变化，反映了各生产要素被有效利用水平的高低，度量了产业间协调程度、资源环境的合理利用程度[6]；而产业结构高级化刻画了主导产业的更替，反映了一次产业占主导过渡到二次产业、三次产业占主导的演进规律[10]。详细指标体系如表1所示，其中泰尔指数作为合理化的度量标准[14]，公式如下：

(1)

其中TL表示泰尔指数，Y表示地区生产总值；L表示从业总人数，Y/L表示平均生产率，i=1，2，3，其值越大，表示各产业结构越趋合理。

表1 创新水平和产业结构升级评价指标体系

(二)评价模型

1.熵权法

熵权法在评价应用中客观赋权、减少了主观性，为多指标综合评价提供依据，在社会经济分析、自然环境评价等方面得到了广泛运用。因此，本文使用该方法进行创新系统和产业结构升级系统的评价，保证研究的科学性、合理性。

(1)数据极差标准化。采用极差标准化方法以消除指标之间单位量纲的影响，标准化过程如下[16]：

(2)

(3)

其中：i=1，2，……，m(m为评价对象个数)；j=1，2，……，n(n为指标个数)。

(2)计算各指标权重，过程如下[16]：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2.耦合协调度计算

由于耦合度仅能反映创新与产业结构升级系统关联发展的程度大小，忽视了两个系统互动的动态性和复杂性，为了科学反映两系统在动态发展过程中协调的程度，测度整体协同效应，引用耦合协调度模型，公式如下[17]：

(9)

(10)

其中，C为创新与产业升级的耦合程度；Z1和Z2分别表示创新与产业升级水平指数，T表示两系统的协调指数，α和β为两系统对总系统的贡献度，且α+β=1，在此认为创新与产业升级同等重要，因此α和β均为0.5；D表示创新与产业升级的耦合协调度，且0≤D≤1，D值越高表明两系统协调程度越高，研究中多运用主观设定法进行分类[15]，本文将耦合协调度划分为失调区(0

3.障碍度模型

在评价山东省创新能力和产业升级水平的基础上，更重要的是寻找制约城市创新和产业发展的障碍因素，以便揭示区域创新和产业结构升级之间脱节发展的原因。方法如下：

(11)

其中hij为单个指标对创新与产业结构升级耦合协调度影响的障碍因素，yij为单项指标的标准化值，wij为其相对应的权重，n为指标个数。

(三)数据来源与处理

本文所需数据主要来源于2007-2019年《山东统计年鉴》《山东科技年鉴》《中国城市统计年鉴》和各地级市统计年鉴和统计公报。对涉及相关经济数据均以2005年为基年，采用GDP平减指数进行消胀处理。

四、实证分析

(一)创新与产业结构升级的特征

1.总体特征分析

基于前文熵权法计算得到的山东省各城市的创新和产业结构升级指数值，以研究期内各城市指标的平均值表示该时期山东省区域创新与产业升级的整体态势，参见图1。结果发现山东省产业升级指数在0.43-0.52之间，呈缓慢上升趋势，创新水平处于0.27-0.30之间，呈现出一定的波动性。2006-2010年间，创新和产业结构均呈现出提升趋势，分别由0.27上升到0.29，0.44上升到0.45。2011-2015年间产业结构升级水平继续上升，由0.45上升到0.47，但创新水平有所下降由0.29下降到0.28。显示出山东省创新发展速度较慢。2016年创新指数上升到0.29，但后下降到0.27，呈现出波动性，产业升级指数2016年上升到0.52，而后下降到0.48。总体来看，近13年两个子系统均呈现提升的态势，发展速度与水平大体一致，说明区域创新与产业升级的发展较为均衡。但创新指数一直低于产业结构升级指数，表明山东整体创新水平有待提高，反映了山东加快实施创新驱动发展战略的必要性。

就创新子系统指标来看，各子系统差异较大，其中创新产出得分最低，随时间变动不大，一直处于0.2-0.24，创新环境得分最高，随时间变动呈上升的趋势，各指标中创新产出水平提升会对创新水平得分起到了关键的作用。就产业结构升级水平而言，各子指标差异也较大，其中产业合理性指标得分较高，处于0.48到0.54之间，随时间变动有缓慢上升趋势，而产业高级化得分较低，处于0.37到0.50之间，是影响总升级水平的关键指标。

2.创新与产业结构升级的区域特征

(1)创新区域特征

从创新投入来看，青岛、济南居全省前列。2006-2018年青岛优势明显且得分总体呈上升态势，由0.78提高至0.96，明显高于山东省平均水平；济南市创新投入也具有优势但略有下降。烟台、潍坊水平居中但得分有所上升，分别由0.37上升到0.43、0.21上升至0.30；枣庄、莱芜、菏泽及日照等相对不足，创新投入得分始终居于全省后位。

从创新产出来看，地区间差距较大，青岛、济南优势突出。2006-2018年青岛优势显著且得分明显提升，由0.85提高至0.99，高于山东省整体水平；济南市由0.89降为0.75，得分有所下降，相对优势在下降；烟台、潍坊水平居中但得分有所上升，分别由0.28上升到0.36、0. 30上升至0.42；枣庄、日照得分有所上升，但仍低于全省平均水平。

图1 2006-2018年山东省平均创新与产业结构升级指数变化趋势图

从创新环境来看，地区间差距较小。随时间变化，多数城市得分有所上升，青岛、威海、潍坊等城市具有相对优势。2006-2018年青岛具有优势但得分有所下降，由0.81下降到0.70，高于全省平均水平；威海得分上升较大，由0.26上升到0.62；枣庄、聊城、日照得分有所上升但仍然相对不足，低于全省平均水平。

综上，创新水平表现为：(1)青岛和济南的创新一直具有显著优势。2018年创新平均水平分别为0.92和0.64，这类城市凭借发达的科技水平、丰富的人力资源优势，创新水平最高。(2)随时间变化城市间创新水平差距增大。2006-2018年城市间创新水平差距由0.75增加大0.87。其中创新投入差距由0.77增加到0.96，创新产出差距则由0.89增加到0.99。如聊城、菏泽、枣庄、东部日照及中部莱芜5市，均低于全省平均水平0.26，这些城市创新过程往往具有投入与产出均低的特点，较低的创新投入严重抑制了创新产出，导致专利产出低、创新成果转化慢，地区科技创新能力始终处于低水平区，尽管近13年创新子系统得分有所提升，但仍难以实现向高水平创新发展的跨越。(3)区域创新产出是影响创新水平的关键。创新系统各指标中，创新产出得分相对较低，且地区间差异也较大，是影响总体创新水平提升的关键。

(2)产业结构升级地域特征

从高级化来看，2018年全省平均值为0.42，41%的城市高于该值。各城市中济南优势最为显著，得分为0.99，显著高于全省其它城市；而青岛市得分为0.86，较2006年略有下降；威海、烟台得分居于全省平均水平之上，2006-2018年得分上升幅度较大，分别由0.45上升到0.59、0.50上升到0.53；东营市上升幅度也较大，由0.08上升为0.26，但仍低于全省平均水平，其他城市升降的变动幅度并不大。

从合理化来看，2018年全省平均值为0.55，47%的城市高于该值。青岛、威海优势显著。其中，青岛市2006-2018年得分由0.68上升到0.79，超越威海，优势逐步突现；济南市得分也居前列，且随时间变化有所提升，其得分由0.53提高至0.72，得分增加0.19。2018年东营、威海的得分均高于0.82，显著高于全省平均水平，并且得分随时间变动有所提升。聊城、菏泽、德州得分均低于全省平均水平，且得分随时间变动呈现下降趋势。

表2 2006、2018年山东省各地级市创新指数

综上，各地市产业结构升级水平呈现出：(1)济南和青岛具有产业结构升级的显著优势。这类城市产业结构呈现出合理化与高级化双高的特点，2018年综合得分分别为0.85、0.83，高于全省平均水平；(2)随时间变化，区域不平衡度加大。2006-2018年间，产业升级水平地区间差距由0.49扩大到0.62。区域内城市产业结构升级缓慢的城市主要位于山东西部的聊城、菏泽及北部的滨州、东营及中部的莱芜等市，其中莱芜市最低，为0.25。聊城、菏泽等市长期以来农业发达，但劳动效率水平低、二产和三产发展相对缓慢，高级化和合理化程度均较低，抑制了产业结构升级水平的提升。而东营市、滨州和莱芜等市产业结构单一，第二产业占比大，特别是以石油、化工、钢铁等为主的重工业占比较大，随时间变化产业结构升级缓慢，始终处于低水平区。(3)产业结构高级化是影响产业结构升级的关键。产业结构高级化水平相对较低，且提升缓慢，区域间差距较大，制约了整体产业结构升级的提高。

(二)创新与产业升级耦合协调度分析

1.总体演化特征

计算得到2006-2018年山东省创新与产业结构升级平均耦合协调度，如图2所示。发现近13年来山东省总体耦合协调度均处于0.5以上，其中2016年最高，达到0.62，2006年最低，其值为0.58。耦合协调度随时间变化较为平稳，表明山东省在该时期整体上呈现相对平稳的中级协调发展状态。

为更好的认识要素在创新与产业结构升级协调过程中的作用，计算子系统间的耦合协调度，并分析其时间变化特征。从平均值来看，发现子系统协调度均大于0.5，居于中级协调类型。其中创新环境与产业高级化之间耦合协调度值最高，创新产出与产业高级化间最低。随时间变化高低值间差距逐渐变大。总体上，虽然创新产出与产业高级化、产业合理化的耦合协调度相对较低，但与总体耦合协调度相关性较大，相关系数高于0.94。因此，促进创新产出与产业结构升级的耦合协调度的提升，对于提高系统整体耦合协调度尤为重要。

表3 2006、2018年山东省各地级市产业结构升级指数

图2 2006—2018年山东省创新子系统与产业结构升级子系统耦合协调度

2.城市耦合协调度时空演化特征

为充分揭示耦合协调度在山东省各城市的时空演化特征，选取2006、2010、2018年做耦合协调度的空间分布图，并作各城市耦合协调度的时间变化图，如图3、图4所示，结果发现耦合协调度在空间上具有梯度变化，呈现出以济南、青岛为核心向外围地区递减的空间特征。东部沿海城市经济相对发达，系统耦合协调度普遍较高，而经济发展水平较低的中、西部城市普遍较低。随时间变化，中协调类型分布范围有所扩展，但70%以上的城市协调类型未随时间发生改变，短期虽有波动但长期保持稳定，也反映出耦合协调度在短期内较难实现质的飞跃。

目前，根据耦合协调度的时空变化规律，将全省17地市分为三种类型区域：

(1)高协调区，主要包含经济相对发达的青岛、济南，耦合协调度均高于0.8，普遍高于其它地区，同时创新与产业结构升级发展能保持同步，耦合协调度随时间变化呈现上升趋势。其中青岛市、济南市分别为区域性中心城市和省会城市，是创新资源和创新产业的集聚地，初步形成了产学研一体的创新网络。从产业结构升级水平来看，现代服务业与高新技术产业发展较快，产业结构合理化与高级化水平均较高。这类城市创新系统与产业结构升级系统的互动性相对较强，能够协同发展，但创新的发展对协调度的改善起到了关键作用。

(2)中协调区，包含城市最多，主要有东营、泰安、潍坊、烟台、济宁、滨州、威海、淄博和临沂9市。这类城市创新环境优良，经济发展基础较好，区域创新与产业升级均处于中等发展水平，创新与产业升级互动发展处在互动发展的稳定期。其中东营市随着黄河三角洲经济区发展战略的推进，作为中心城市通过引导企业产业集群、加大新兴战略性产业集群推动了产业优化升级，2010产业升级的跨水平提升推动其由低协调向中协调水平的发展。而鲁南经济带崛起的战略也为济宁、临沂提供了发展机遇，2010年实现了由低协调向中度协调的转变。从创新与产业结构升级发展相对发展程度来看，潍坊和烟台保持同步，且呈现显著的上升趋势，但其它城市表现为创新相对滞后状态。

(3)低协调区，主要包括德州、枣庄、日照、莱芜、聊城及菏泽6市。这些城市创新研发投入相对不足，创新环境相较差，总体城市创新水平低于全省平均水平。产业发展缓慢，产业高级化和合理化程度均较低，使得产业结构升级水平也低于全省平均水平。总体上，创新系统与产业结构升级系统处于相互作用的初级阶段，耦合协调度低，且随时间变化仅有微弱变动，整体趋于平稳，陷入低水平协调发展的循环陷阱。从相对发展状态来看，创新严重滞后于产业结构升级水平。

图3 2006、2010、2018年山东省各地级市创新和产业升级协调水平演化图

图4 2006～2018年山东省各地级市创新和产业升结构级耦合协调水平变化图

(三)创新与产业结构升级的障碍因子分析

基于2007～2018年各城市创新系统与产业升级系统各指标的平均值，运用障碍度模型诊断出各城市两大系统的主要障碍因子，按照障碍度值进行排名，选取前四位影响因素，如表4所示。结果发现，64.7%的城市中，劳动生产率(I4)、发明专利授权量(C7)占居前两位，障碍度平均值达到16.6%、12.1%，因此提高劳动生产率与创新产出是今后促进耦合协调度的关键。

对于不同的城市，主要障碍因素有所差异。在创新系统方面，如济南市主要面临政府科技预算支出(C4)不足，而青岛市主要面临R&D人员中硕博人数(C1)的障碍，障碍度达到15.9%，多数城市面临的发明专利授权量(C7)障碍值均超过12%，政府科技预算支出(C4)、R&D经费投入(C5)障碍值也均超过9%、7.5%，表明应从政府和企业两方面加大对创新的财政支出力度，增加创新投入，这是提高创新产出水平，有效推动创新与产业结构升级耦合协调发展的重要途径。在产业结构升级系统方面，对于升级水平较高的济南、青岛，劳动生产率(I4)与产业高级化指数(I7)是重要的阻碍因素。对于其它城市而言，产业升级水平障碍因素集中于劳动生产率(I4)和高新技术产业占工业产值比重(I5)两方面，因此，提高劳动生产率和大力发展高新技术产业是推动创新与产业升级耦合协调的重要任务。

表4 山东省创新和产业结构升级主要障碍指标及其障碍度(%)

五、结论与建议

(一)结论

基于创新与产业结构升级间的互动关系，运用熵权法客观评价了2006-2018年山东省17城市创新水平与产业结构升级水平，并运用耦合协调模型和障碍度模型，探究了二者的耦合协调关系与障碍因素，得出以下主要结论。

1.山东省创新发展水平滞后于产业结构升级，并且区域内部差异显著，空间上均形成了济南、青岛双核驱动发展的格局，表现为东部高于中西部城市，经济发展水平高的优于低水平城市的非均衡特征。

2.山东省总体创新与产业结构升级的耦合协调度一直居于中级协调发展阶段，尽管随时间变动有所提升，但未有显著提升。子系统中创新产出与产业高级化、产业合理化的耦合协调度相对较低，与系统耦合协调度的相关性较高。

3.从空间分布来看，创新与产业结构升级耦合协调度呈现出以济南、青岛为核心向外围降低的梯度变化格局，随时间变化各城市耦合协调度有所上升，但地区间的极化趋势有所增强，马太效应明显。经济发展水平高的城市如济南、青岛始终处于高协调水平类型，这些地区由于创新资源集聚、产出效益和创新环境上占有优势，具有维持自身高协调发展状态的能力；而经济欠发达地区如菏泽、莱芜、聊城、德州、日照和枣庄则一直处于低协调类型区，在短期内未摆脱低水平的发展困境。

4.劳动生产率和发明专利授权量为影响山东省创新与产业结构升级耦合协调发展的主要障碍指标，城市间的主要障碍因素存在差异。

(二)政策启示

基于上述研究结论，为推动山东省创新水平与产业升级水平的协调发展，提出以下政策建议：

1.大力提升创新产出水平，强化创新的引擎作用。针对创新基础好但存在成果产出及转化效率低的问题，如济南要加快孵化创新型企业，构建有效衔接的产学研合作长效机制，拓宽成果转移转化渠道；青岛、烟台加快科技创新平台等载体建设，培育技术成果的扩散与转化中心，形成山东半岛海洋创新集聚地。对于创新基础弱的城市，围绕提高创新产出的目标，加大创新投入力度尤为关键，如菏泽、枣庄、日照等城市要吸引拓宽融资渠道，实现投入、产出正反馈的互动。

2.提高劳动生产率，强化高新技术产业的支撑作用。对于经济结构偏重的淄博、日照等城市，要以技术创新引领传统产业的改造和升级，摆脱产业发展对资源的路径依赖，提升产业的高级化水平。对于产业结构升级水平高的城市，则应注意产业合理化发展，提高要素生产力。如济南要加快战略性新兴产业的发展，尽快形成以智能制造、高端软件、电子信息技术产业为特色的产业集群，提升产业竞争力；而青岛要发挥海洋经济优势，做优做强特色产业。

3.推动区域一体化进程，保障创新与产业结构升级协调发展。尽快形成全省区域一体化发展的机制，东部城市在集聚全省资源实现自身发展的同时，要加强与中西部城市的产业关联，实现地区间在资源、技术等要素上的优势互补，更好地发挥东部城市经济发展的溢出效应，辐射带动周围区域，推动创新与产业升级耦合协调发展。