研发合作中的信息资源配置系统动力学建模与仿真
赵杨, 张李义
武汉大学信息资源研究中心 武汉 430072
摘要

应用系统动力学方法对产学研研发合作中的信息资源配置演化机理进行定性与定量研究,构建系统动力学模型,并利用该模型对我国2010-2025年产学研研发合作中的信息资源配置情况进行模拟仿真,根据仿真结果提出信息资源优化配置方案,以此提高研发合作中信息资源的投入-产出效益。

关键词: 研发合作; 信息资源配置; 系统动力学; 仿真
中图分类号:G203
System Dynamics Modeling and Simulation for Information Resources Allocation in R&D Cooperation
Zhao Yang, Zhang Liyi
Center for Studies of Information Resources of Wuhan University, Wuhan 430072,China
Abstract

By the application of system dynamics, this article makes a qualitative and quantitative research on mechanism of information resources allocation in Industry-Academia-Research (IAR) R&D cooperation, and conducts a system dynamics model. Based on this model, the article simulates the implementation of information resources allocation of our country in 2010-2025, and according to the simulation results, proposes the information resources optimal allocation program which can improve the information resources input-output efficiency in R&D cooperation.

Keyword: R&D cooperation; Information resources allocation; System dynamics; Simulation
1 引 言

国家科技创新活动的有效开展需要各类创新主体打破组织界限,进行广泛的研发合作。研发合作是以企业、高等院校、科研机构等创新主体的研发活动为中心,在政府、中介机构、金融机构等相关主体的支持下,共同开展研发、产业化等活动的合作过程,旨在通过主体间的相互影响产生协同效应,实现技术创新、成果转化、人才培养、社会服务等功能,提高国家科技创新实力[ 1]。研发合作的推进离不开信息资源的有力保障,需要合作各方根据自身的资源优势在不同研发阶段投入充足的信息资源(包括数字和文献资源、信息技术、信息人才、信息设备等)。为了充分发挥投入资源的最大效益,必须进行有效的信息资源配置。研发合作中的信息资源配置是一项复杂的社会工程,涉及不同行为主体间的信息交互,具有多回路、非线性、高阶次和难以量化的特点,是一个典型的系统化问题,属于系统动力学(System Dynamics,SD)的研究范畴[ 2]。因此,本文应用系统动力学原理,分析产学研各行为主体间的信息资源供求关系,揭示研发合作中的信息资源配置协同演化机理,在此基础上构建信息资源配置系统动力学模型,进而对研发合作中的资源配置过程进行模拟仿真,通过仿真结果对我国科技创新活动中的信息资源配置效果进行科学预测,以此提高研发合作中的信息资源投入-产出效益,实现国家可持续发展。

2 信息资源配置系统动力学机理分析

系统动力学是一种以系统反馈控制理论为基础,以计算机模拟技术为主要手段,通过结构-功能分析,研究复杂信息反馈系统动态行为的仿真方法[ 3, 4, 5]。为了清楚揭示产学研研发合作中的信息资源配置机理,需要首先掌握研发合作中的信息流动状态和整个资源配置流程,然后应用系统动力学原理分析各行为主体在资源配置过程中产生的因果关系,明确主体间的相互作用。

2.1 研发合作中的信息资源配置流程

产学研之间的研发合作是基于创新价值链运作的,包含了基础研究、应用研究、实验发展、市场推广等一系列环节[ 6]。面向产学研研发合作的信息资源配置活动围绕各主体在研发过程中的信息需求展开运作,其基本流程如图1所示:

图1 研发合作过程中的信息资源配置基本流程

(1)独立研发。在国家创新发展战略引导下,受市场需求拉动,企业、高校、科研机构分别在各自领域开展研发活动。在研发过程中,各主体所需的信息资源主要来自自身供给以及政府和中介机构的供给。

(2)选择是否进行合作。随着各领域创新活动的深入开展,企业、高校、科研机构为了提高自身的创新能力,需要扩大自身的资源优势。各主体将根据自身的资源生产情况和实际需求选择是否与其他主体进行研发合作,进行资源共享、优势互补。

(3)组建临时合作网络。如果选择合作研发,创新主体间将形成临时合作网络,共同开展新产品研发、技术革新等活动[ 7]。当合作取得阶段性成功时,各创新主体依据一定的分配规则获取创新收益,并决定是否进行后续的合作活动;反之,当合作失败时,临时合作网络解体,各主体仍然进行独立研发或寻找新的合作伙伴。

(4)选择是否继续合作。各创新主体根据阶段性合作效果和实际收益决定是否继续合作,如果选择继续合作,则逐渐形成稳定的合作创新网络,进而形成研发合作联盟。

(5)组建合作联盟。企业、高校、科研机构间本着“利益共享、风险共担、优势互补、共同发展”的原则组建研发合作联盟,共同开展高难度的创新研发活动,彼此间进行信息资源交换与共享,同时政府和各类中介机构也投入大量的信息资源[ 8]

(6)产生协同效应。在研发合作联盟运作过程中,各主体不断调整自己的创新行为规则以适应彼此的发展需求,进而产生整体协同效应,实现协同创新和信息资源优化配置,使信息资源投入-产出效益达到最大化。

2.2 因果关系分析

因果关系分析是构建系统动力学模型的基础,能够从微观上分析信息资源配置过程中各行为主体之间的内在关联。根据研发合作中的信息资源配置基本流程,以及各行为主体在其中表现的配置行为,本文绘制了产学研之间的信息资源配置因果关系图,如图2所示:

图2 研发合作中的信息资源配置因果关系图

其中,鉴于高校和科研机构都属于知识创新主体,在研发合作中起着相似功能,故将其视为一个整体进行研究。在系统动力学中,因果关系通过“反馈环(因果回路)”来表示,反映系统内某一单元输出与输入之间的关系[ 9]图2所示的因果关系图中一共包含了14个反馈环,反映了研发合作中各相关变量在信息资源配置过程中产生的相互作用关系和目前所处的状态,从定性的角度揭示了研发合作中的信息资源配置流动规律和配置机理。

3 系统动力学模型构建

利用因果关系图,可以进一步绘制出系统动力学流图,用更加直观的符号刻画各变量之间的逻辑关系,明确研发合作体系内部的反馈机理和控制规律,从定量的角度构建信息资源配置系统动力学模型。

3.1 系统动力学流图

按照系统动力学流图的绘制原理和变量表示方法,绘制信息资源配置的动力学流图,如图3所示。

3.2 系统动力学模型

根据信息资源配置的系统动力学流图和各变量性质,结合对信息资源配置动力学机理的分析,本文综合应用趋势外推法、灰色预测法、回归分析法和经济计量学、专家评估法等,从定量角度确立了不同变量之间的关系和初始值,编写系统动力学方程,构建信息资源配置模型,如表1所示。

图3 研发合作中的信息资源配置动力学流图

表1 信息资源配置系统动力学模型方程表达式

在此仅对其中一些关键变量方程进行解释:

(1)合作创新程度方程

在信息资源配置因果关系分析中已经得出以下结论:企业、高校和科研机构之间的研发合作程度取决于双方的合作意愿、市场机制完善程度、中介服务水平和政府宏观管理绩效,则有:

合作创新程度=企业合作创新意愿×高校和科研机构合作创新意愿×市场机制完善度×中介机构服务能力×政府宏观管理绩效其中,企业合作创新意愿由企业实际创新收益和企业信息资源需求决定,由于企业信息资源需求难以用具体数值进行界定,本文拟用“信息消费指数”这一变量进行企业信息需求测度,如果消费指数越高,则代表企业信息需求越大。信息消费指数的计算公式如下[ 10]

η=R/G=(R0+ΔR)/R0(G0+ΔG)/G0

其中:η为企业信息消费指数,R为企业信息资源指数,G 为信息消费生产指数或经济指数,R0为某一基准年信息资源指数,G0为某一基准年信息消费生产指数,一般均设为100。同理,高校和科研机构的合作创新意愿也可以遵循这一方法进行测算。

(2)政府宏观管理绩效方程

政府宏观管理绩效对信息资源配置的顺利实施起着至关重要的作用。在国家创新系统中,政府通过消耗一定的人力、物力、财力来行使其管理职能,因此,人力、物力、财力的数量和质量直接影响着政府的宏观管理绩效[ 11]。本文主要从政府的财力投入与利用率方面来衡量政府宏观管理绩效,即用政府财政收入与GDP之比和政府行政开支与政府财政支出之比进行测算,构建方程如下:

政府宏观管理绩效=政府财政收入/GDP政府行政开支/政府财政开支

显然,该值越大代表政府宏观管理绩效越高。

(3)市场机制完善程度方程

市场机制主要通过价格机制、竞争机制、供求机制、激励机制等来影响创新主体之间的信息资源配置。目前,国际上通常采用市场化指数对一国的市场机制完善度进行测度。北京师范大学经济与资源管理研究院在其2008年编写的《中国市场经济发展报告》中,结合国际统计资料、国家统计局及其他部门的统计分析指标,与中国国家统计局相关部门合作建立了中国市场化测度指标数据库和指标评价标准,主要从政府行为规范化、经济主体自由化、生产要素市场化、贸易环境公平化和金融参数合理化5个方面对中国2004年-2006年的市场化指数进行了测算[ 12]。目前,该套指标体系已成为我国通用的、权威性市场化程度测度体系,本文也应用该体系对信息资源配置的市场机制完善度进行测评。因此,本文中市场机制完善程度方程可表示为:

市场机制完善程度=∑评价指标i×相应分值i

3.3 模型有效性检验

本文所构建的信息资源配置系统动力学模型包含了5个状态变量、7个速率变量、15个辅助变量和8个常量,涵盖了信息资源开发与利用、投入-产出、供给-需求等各项环节。通过与有关专家座谈、咨询,以及对部分企业、高校和科研机构的实地调研,验证了该模型的边界适当性和结构合理性。同时,通过历史数据检验测试了模型的有效性。基于输出响应变量历史数据的可获取性,本文选择了GDP和新产品产值作为检测对象。利用Vensim 仿真平台对模拟模型进行了初步测试,结果如图4图5所示。

图4 GDP值检验拟合曲线

图5 新产品产值拟合曲线

从检验结果来看,GDP、新产品产值这两个输出变量的仿真值与历史真实值之间的相对误差均较小,历年误差取绝对值后的平均值为2.78%和3.36%,说明该模型能够较真实地反映产学研研发合作中信息资源配置地实际情况。在此基础上,为了更精确地检验仿真值与模拟值之间的拟合程度、验证模型的有效性和稳定性,本文采用以下公式分别计算GDP、新产品产值两个变量的仿真值与历年真实值之间的相关系数:

R2=1-∑i=1nyi-y^i2∑i=1nyi-y-i2

其中:R2为相关系数,yi为第i年的真实值,y^i为第i年的仿真值,y-i为真实值的平均值,n为仿真年数。R2值越接近1,说明仿真值与真实值之间的相关性越大,即拟合度越好。经计算求得,GDP变量的相关系数为0.891,新产品产值的相关系数为0.804,均接近1,说明该模型是有效的,能够用于实证仿真研究。

4 仿真模拟
4.1 数据来源与参数值确定

基于数据的时效性、可获取性和权威性,本文分别从中华人民共和国国家统计局官方网站上公布的“科技年度主要数据(2009年)”、中华人民共和国科学技术部官方网站公布的“科技统计数据(2009)”,《中国统计年鉴2000-2009》、《中国科技统计年鉴2009》、《2009年全国工业企业创新调查统计数据》、《社会统计数据(2009年)》、《2009中国市场经济发展报告》中提取了仿真所需的各项关键历史数据,同时结合实地调研、专家咨询等方法对各主要变量设置了初值。应用Vensim仿真平台设置了模拟初始条件,选取2010年-2025年为仿真时间段(时间跨度单位为1年)对我国产学研研发合作中的信息资源配置效果进行了模拟,在此基础上对我国信息资源配置的未来发展趋势进行预测。

4.2 仿真结果分析

按照产学研研发合作中的信息资源配置因果关系,最优配置结果的产生需要各主体通过不断调整自己的研发行为和信息资源投入比例来适应彼此间的运行规律和信息资源需求,使信息资源投入结构达到最优组合,进而形成协调、有序、稳固的协同效应,在研发合作中产生最大的资源投入-产出效益[ 13]

(1)政府宏观管理绩效影响效果仿真

根据系统动力学模型中政府宏观管理绩效方程,政府宏观管理绩效是通过对年度GDP总额、政府财政收支、政府行政开支4个指标进行综合计算得到的。按照统计数据计算得到,2009年政府宏观管理绩效指标值为1.33(其值越大表示绩效越高)。因此,对我国2010年-2025年信息资源配置情况进行仿真预测时,在不考虑其他因素影响的情况下,分别取政府宏观管理绩效值为1.50和1.80 进行比较,考察不同管理水平下政府对信息资源配置效果的具体影响,仿真结果如图6所示:

图6 政府宏观管理绩效对信息资源配置影响效果的仿真结果

由仿真结果可以看出,如果按照当前我国的政府宏观管理绩效水平(即取1.33时),产学研之间需要经过较长的时间才能达到较高的合作程度,其合作进程十分缓慢;而当政府宏观管理绩效提高到1.50 时,产学研之间在相对短的时间内就能达到较高的合作水平,且逐渐进入合作稳固期,产生协同效应;当政府宏观管理绩效进一步提高到1.80时,产学研之间很快就达到一个非常高的合作程度,虽然整体合作趋势仍然是朝着协同化方向发展,但其合作关系并不稳定(合作创新曲线呈上下波动状态)。由此可见,提高政府宏观管理绩效能够有效地促进产学研相互合作、协同发展。但是,如果政府在合作创新、资源配置过程中的宏观调控范围和力度过大,即使在短时期内能促使产学研间达到较高的合作水平,但从长远来看,并不利于其充分发挥自身的主动适应功能,无法推动多方合作关系的稳定发展。就我国政府目前的宏观管理绩效水平来看,还有较大的提升空间。

(2)市场机制完善程度影响效果仿真

根据信息资源配置模型中的市场机制完善程度动力学方程,其值由政府行为规范化、经济主体自由化、生产要素市场化、贸易环境公平化、金融参数合理化5个指标确定。根据《中国市场经济发展报告》中的统计数据,2009年中国市场化程度指数为78.4%(国际上测定的市场经济临界水平为60%),在此基础上,不考虑其他因素变化的影响,分别取市场化指数为0.60,0.78,0.85作为比较值,考察不同市场化程度下的信息资源配置实施情况,仿真结果如图7所示:

图7 市场机制完善程度对信息资源配置影响效果的仿真结果

由仿真结果可以看出,当市场机制完善度处于临界水平(0.60)时,产学研之间很难形成稳定的合作状态,合作程度曲线上下波动很大;当市场机制完善程度达到我国当前水平(0.78)时,产学研之间的无序竞争状态有所改善,并能在相互作用中通过不断调整自身的行为规则来适应彼此的需求,实现协同演化,使整条合作程度曲线最终朝着稳定化方向延伸;当市场机制完善度达到非常高的程度(0.85)时,产学研之间经过很短的相互适应期就很快达到了协同状态,且协同程度比其他两种情况都要高。由此可见,市场机制越完善,越有利于促进信息产品的有效生产和公平获取,从而实现信息资源最优配置。

(3)中介机构服务水平影响效果仿真

根据模型中的中介机构服务能力系统动力学方程,采用专家打分法测算出2009年我国中介机构整体服务能力水平值为3.26(满分为5),在不考虑其他影响因素变化的前提下,分别取3.26,4.00,4.50作为比较值,考察不同服务能力水平下我国信息资源配置的实施情况,仿真结果如图8所示:

图8 中介机构服务水平对信息资源配置影响效果的仿真结果

由仿真结果可见,随着中介机构服务能力水平的提高,产学研之间的合作程度也越高,形成协同效应的速度越快,充分显示出各类科技中介机构在产学研合作研发过程中的桥梁纽带作用,他们不仅是国家创新系统中主要的信息资源存储者、生产者和提供者,还是国家公共信息资源基础平台的建设者,对政府、各类创新主体、市场之间的信息流动和技术转移发挥着关键性的促进作用,能够有效降低信息资源配置成本、化解创新风险、加快科技成果转化、提高国家创新绩效。

(4)行为主体合作意愿影响效果仿真

按照信息资源配置因果关系分析,产学研之间的合作研发意愿主要受到双方各自的资源结构和最终合作收益分配两个因素的影响。其中,起决定作用的是合作收益分配,所以本文主要考察该指标对信息资源配置的影响。在不考虑其他影响因素变化的前提下,以合作收益平均分配比例(0.5)为基点,上下浮动0.2,即分别取0.3,0.5,0.7(高校和科研机构所得比例)作为比较值,考察不同分配比例下信息资源配置的实施情况,仿真结果如图9所示。

图9 合作收益分配比例对信息资源配置影响效果的仿真结果

由仿真结果可以看出,产学研之间的研发合作程度并不是随着高校和科研机构收益分配比例的增加而递增的。当高校和科研机构的收益分配比例为0.3时,产学研间的合作意愿不断增强,将在更高的合作水平上实现协同创新和信息资源配置;而当收益分配比例达到0.5时,产学研间的合作意愿变化并不明显,整体合作程度呈现缓慢下降趋势;当收益分配比例达到0.7时,整体合作程度开始明显下降。由此可见,协同效应的实现主要受企业研发合作意愿的影响,只有当企业获得较高收益分配时,整体研发合作程度才会逐步提高,这也充分反映了企业在我国创新型国家建设中的主体地位。

5 结 语

本文从产学研研发合作中的信息资源配置动力学机理出发,分析了产学研研发合作中的信息资源交互关系,应用系统动力学方法构建了信息资源配置系统动力学模型,并对我国未来15年产学研研发合作中的信息资源配置情况进行了模拟仿真。仿真结果显示,产学研协同发展将是我国未来信息资源配置模式演变的必然趋势,对我国经济快速发展和创新型国家战略目标的实现起着重要作用。研发合作中的信息资源配置受到政府、市场、创新主体多方面因素的综合影响,其最优状态的形成有赖于产学研间的有序合作、相互融合,就目前我国信息资源配置现状而言,尚未达到最优状态,亟需各主体间紧密配合,充分发挥市场作用机制。同时,还需要政府从体制、政策、法律等方面给予引导和支持。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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