杨善林，吕鹏辉，李晶晶

(1.合肥工业大学 管理学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 计算机网络研究所，安徽 合肥 230009；3.合肥工业大学 信息管理与信息系统研究所，安徽 合肥 230009)

大科学时代下的科研合作网络

杨善林1,2，吕鹏辉1,2，李晶晶1,3

(1.合肥工业大学 管理学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 计算机网络研究所，安徽 合肥 230009；3.合肥工业大学 信息管理与信息系统研究所，安徽 合肥 230009)

科研合作活动已经逐渐成为目前大科学时代下科研界的主流现象，基于对科研合作及其演化的阐析，从科研成果创造主体出发，分别对国家合作网络、机构合作网络和科学家合作网络的结构特征以及创新特点进行了分析，并以管理科学这一新兴学科为例，利用社会网络软件绘制了科研合作网络知识图谱，对大科学时代下的科研合作网络进行了解析，并据此对全球管理科学领域科研合作网的研究方向与合作对象的选择提出了相应的建议。

大科学时代；科研合作；管理科学；合作网络

科学研究是一项复杂、艰巨的群体劳动，科研活动中的科研合作是科研人员为完成同一科研任务而彼此按照计划协同合作的劳动形态。在过去相当长的历史时期内，科学研究处于相对分散、缺乏组织的状态中，科学研究是个体进行的“自由活动”。而随着现代科学研究的深入，科研合作的重要性正被越来越多的人们所认识到，尤其是在当今的大科学时代下，进行科研合作越来越成为促进科技进步和社会发展的必要行动。2016年5月，习近平总书记在哲学社会科学工作座谈会上的讲话中强调了“要加快发展具有重要现实意义的新兴学科和交叉学科”[1]，而新兴学科和交叉学科的特性决定了它们的发展更离不开学科和科研上的合作。本文拟对科研合作及其演化进行阐析，对所构建出的三种科研合作网络的结构特征与创新特点进行分析，并以管理科学这一新兴学科为例对大科学时代下的科研合作网络作以解析。

一、科研合作网络及其演化

21世纪前期的科学时代中，科学家独自或个人就能完成科学知识创造活动，伴随着工业经济时代的到来，仅靠科学家个体已经很难胜任一些大型科学研究，这时候科学家或者科研机构之间就以合作的形式组织起来进行科学知识集体创新，农业经济时代及其以前的那种个体独自组织和进行创新的模式一去不返。科研合作可以取长补短、降低研究难度，大幅度提高自己的科研产率并培养出复合型人才，因此科研合作自出现后就获得了科研人员的普遍欢迎。从工业经济时代到知识经济时代，科学知识创新乃至社会上的其他创新活动，在合作方面逐渐由自发到自觉，从或然到必然，最后进入创新的自由王国。诺贝尔奖获得者狄拉克甚至认为在这种合作态势下二流的物理学家去做一流工作变得日趋容易，否则一流的科学家去做二流的工作都感觉到有些困难[2]。

科研合作使得科学家个体拥有的知识在科学家之间得到快速交换和流动，正如发生在人体内的生物化学反应一样活跃。单个来考察细胞之内的上百万次化学反应，并不足以解释生物体何以拥有如此强大的功能，同样科学家之间的偶尔合作，对于人类知识的促进也许贡献有限，但在当今的大科学时代，群体的成千上万次协作与合作，才最终使得像载人航天、太空探索和原子能开发等这样的大型科技项目研究成为可能，最终也才获得了科学技术上的巨大创新。

然而，包括科研合作在内的人类合作现象的研究，却是人类有史以来极为重要的一项科学难题。Science杂志社在其创刊125周年之际总结出的125个重大科学难题中，合作行为位列第16位。目前国内外有关合作研究的比例呈现出稳步上升态势，而且朝着高水平、深层次和多方位的方向发展。1978年，美国科学家Beaver和Rosen提出科学专业化分工是合作网络研究的起源和发展动因[3]；2004年，Newman从论文数量分布规律、合作人数分布规律、网络节点平均距离等方面研究了科研合作网络，并提出一种计算合作网络权重的具体方法，由此可估算出合作强度的大小[4]，他还对物理学等三种学科的数据进行采样，分析了不同主题和时间的推移对合作模式产生的影响[5]。另外，Harande的研究表明，在技术研究领域，高产研究者在科研合作上同样也是最为活跃的[6]；Holdder等的研究指出，科学家高产与合作水平的高低成正比关系，最高产的科学家之间的科研合作也最为频繁[7]。在我国，刘则渊等通过理论与实践相结合的方式，对经济学、能源技术、蛋白质工程、国际纳米技术、世界航空航天技术等领域的发明专利与学术论文的科研合作网络进行了深入的研究，发表了多篇有影响力的学术论文[8]。

二、科研合作网络的研究方法与类型

目前对于科研合作网络的研究主要有两种路线，一种是宏观角度的对于整个网络的研究，另一种是微观角度的处在个体视角的研究节点与其他节点产生的链接关系。对于后者，一般使用社会网络分析(Social Network Analysis, SNA)的方法来研究行为主体之间的关系。该方法是一种综合了数学、图论和统计学的基于个体行为观察的科学研究方法。科研合作网中的社会网络研究方法[9]，这种特殊的源于社会学的研究方法，更着眼于网络中的节点也就是对个体的研究，因此对于创新主体的研究更为直接，经常在合作网络中大量使用。

在科研活动中大量的研究合作行为之下，产生了占比极高的科研合作论文，这部分论文目前在绝大多数学科与领域中占据着科学文献主体地位。除了时代客观条件促使科研合作的形成外，科研主体内在需求甚至对于合作绩效的利己性也促进着合作。从合作博弈的角度来看，重复囚徒困境的实验结果表明，一个理性成熟的人或者一个理性成熟的集体甚至国家，因其自身长期利益的考虑也决定着选择对于自身最佳的策略，也就是选择去与其他个人、集体和国家进行研究合作，因此在科学研究文献成果中可以看到科研主体之间大量的合作关系存在。

对于科学文献中反映出来的合作关系，从知识共现角度来看，共现的字段主要是以作者、机构和国家为主。本文从这三种基本的文献创造主体出发，构建出对应的三种单一类型科研合作网络，并且这三种网络之间也彼此紧密相关，对于三种科研合作网络而言，个体与社团作为网络主要节点的规律并无二致。Fallah等认为知识扩散主要集中在网络内部进行，受知识扩散边界的限制，知识扩散还可以分为个体层面、机构层面和国家层面等三种层面上的有效扩散。因此本文科研合作网络的研究也将在这三个层面进行，知识创新路径的考察也限于这三种合作网络之内。

三、典型科研合作网络及知识创新

(一)国家合作网络与科学知识创新

科学项目研究中经常能见到国家合作的现象，比如由美国国家航空航天局、欧洲空间局和意大利航天局合作的卡西尼-惠更斯号(Cassini-Huygens)探测计划，由于这类愈来愈多的大型研究课题的需要，来自多国的科学家通力合作，最后就形成了国家合作网络。正因如此，近年来在科学数据库中我们也可以见到超级庞大的成果著者团队，甚至出现“一篇论文、三千作者”的团队著者现象，在国际上的学术同行圈里越来越多的研究合作已经成为一种趋势。据统计，2013年度我国科学家参与的作者数量大于1 000、合作机构数大于150个的国际合作论文就有167篇；作者数量超过100人、合作机构数量大于30个的论文有427篇[10]。同时，Naren等的研究发现，国际合作论文的被引用频次是来自单个国家论文的被引频次的两倍[11]，这说明国家合作网络可以有效提升研究成果的水平与档次。

从世界各主要科技大国的国际合作论文占所有科技论文的比例来看，绝大数国家的国际合作论文比例都在稳步上升，在科学知识创新方面，很多崛起的欧洲国家正是通过科研合作的国际化来带动国家科技实力的进步，比如20世纪80年代的荷兰，90年代的西班牙、意大利均是如此，这说明国家合作网络是科学知识创新的一条重要路径。

1.国家合作网络结构特征

国家合作网络是全球最大范围的一个社会网络的小规模原型，它的独特之处是所有的链接均可定期发布，并且这些链接关系都被记录在科学数据库中，这相当于为科学家间的合作链接自动建立了一个详细的数字化记录，该记录使得科学活动及其背后的创新特点能够有迹可循。

国家合作网络中有着鲜明的结构特点，由于全球总共有195个国家、31个地区，因此该网络中最大节点数一般不会超过226个，实质上绝大数国家合作网络的节点数都小于此数，国家合作网络间的最大区别主要是由国家之间的合作强度造成的。全球国家合作网络的节点数目比较固定，这是因为在这个高度一体化的时代，在科学合作这个无国界的领域，鲜有不存在国家合作领域的例子存在。因此对于国家合作网络这样的小型复杂网络来说，主要的问题是如何加强现有的链接关系，而非创造新的链接。

2.国家合作网络创新路径

国家科研合作网络集合了合作国家间的优势力量，一般用于从事非常规力量所不能完成的大型科研任务，而且这种网络中节点指向的都是具有较强科研实力的国家，通过发挥双方甚至几方的研究优势来共同攻克科学难题。该网络对于创新的启示是他山之石、可以攻玉，要善于与他国合作取长补短，可在短时期内使得一国的创新能力得到大幅度提升。

对于科研合作网络来说，知识在局部范围内扩散时，科研主体之间的交流与合作路径的发现极为重要，在创新网络内高水平的知识创造者是整个知识网络的扩散源头，合作行为则为知识扩散和流动创造了条件并制造了多种相关或关联关系。对于网络中节点这个创造主体而言，一方面需要选择知识互补的个体进行合作，另一方面需要按照择优链接的原则进行链接。

(二)机构合作网络与科学知识创新

在大科学时代，科学家之间的合作已经难以胜任大型科学探索和研究项目的需要，机构合作经常是国家层面上为实现大科学工程而采取的机构合作行动。机构合作在人类历史上实现的巨大科技创新案例不胜枚举，像美国由著名洛斯阿拉莫斯国家实验室、布鲁克海文国家实验室、阿贡国家实验室、芝加哥大学等参与完成的曼哈顿工程(Manhattan Project)即为一个典型案例。

本文将机构合作网络视为科学家合作网络的一个上位的簇(Cluster)网络，这是因为在一个机构内部科学家社团之间本身有着很强的链接关系，大家之间拥有彼此相同或者相似的研究主题和知识结构，而机构间的合作可视为这种强链接之外的一种弱链接，而机构合作网络中往往是弱链接在起作用。

1.机构合作网络结构特征

印度学者Basu等通过对印度科研机构的案例研究，发现国际机构之间的合作不仅增加了科研机构论文的产出，而且国际合作论文对于科研机构论文的平均影响力也贡献巨大[12]。Narvaez-Berthelemot等认为在当代科学研究中，国际机构合著论文已经成为主要组成部分，越来越多的发展中国家科研机构都在积极参与国际合作，以增加其合著论文的产出[13]。

机构作为特点鲜明的科学家社群，具有非常突出的社会性，机构合作网络以科学家合作网络为桥梁，但又与科学家合作网络明显不同。发展定位不同或研究领域不同的科研机构间在战略层面上很难发生合作关系，共同产出论文就更谈不上了，这导致机构间的合作关系与机构内部聚类系数密切相关，少数机构个体间的合作大大缩短了机构合作网络的平均路径，但这却很难明显改变其聚类系数。

2.机构合作网络创新路径

科研机构间的合作网络的创新路径，目前大多是由机构的行政力量促使其达成合作关系，但是从长远来看遵循科研合作本身的规律较好。机构科研实力由于历史、资源和人才等因素，分布极不平衡[14]，因此如何寻找能与自身优势互补、克服劣势的科研机构，并通过机构合作网络进行深入研究来进行合作决策是未来需要进行的课题之一。

本文认为通过对海量科学文献数据的分析，以科学为中心的“科学学”研究能够揭示，什么样的组织和合作模式，能够产生最具影响力的原创性科学成果。尽管科学家个体经验无法依法照搬，但这对大学、科研机构和政府部门来说，却具有非常重大的决策价值，目前研究机构合作网络特征为科研合作决策服务的的研究尚不太多，值得深入开展。

(三)科学家合作网络与知识创新

科研合作网络是由科学家有意识的慎重选择形成的，是合作者基于知识交换和知识共享为目的的一种结构化合作形式。站在作者的角度看，这种网络也可称为共作者网络(Co-authorship Networks)，属于目前研究较多的一类知识网络。

科学家之间因成功合作而导致科学史上产生重大创新的例子也数不胜数，像物理学领域内的杨振宁与李政道合作发现宇称不守恒定律，生物学领域沃森与克里克合作发现DNA双螺旋结构等等，都需要不同的学科背景知识结合进行科学创新。科学家合作网络中，不同领域的科学家之间的间隔为4-6个合作链接，欧盟科学家曾对全世界36个国家在科学家合作偏好方面的数据进行研究后发现，不同的地理位置、文化和语言区域决定了合作和参考、引用时的具体选择，其中历史文化和语言上的接近程度是影响合作行为的最主要因素[15]。

1.科学家合作网络结构特征

Newman的研究结果表明，科学家合作网络具有高聚类性，如果两个科学家都与第三个科学家合作过，那么这两个科学家之间的合作概率相对于随机网络中的概率要大，因为通过互相介绍并建立信任后比较容易形成新合作关系。因此科学家合作网络并非一个标准的随机网络，而是个高度聚类的知识网络。

科学家合作网络也具有一定的幂律分布特征，即网络节点的度分布为幂律分布，这样的无标度网络中，通过网络的主要节点就能获得很高的知识交流与共享效率。从创新路径角度来看，科学家宜通过与科研合作网络中度数大的节点型科学家展开合作，共同来完成科学研究以交换科学思想、激荡科学想法去产生科学创新。在合作网络中可以通过介数来确定最有影响力的科学家，介数高的科学家对于整个合作网络中的信息流动和知识传播起到的作用较大，该网络因此具有典型的小世界特征[16]。

2.科学家合作网络创新路径

科学家之间合作网络的形成与演化，是由一定的内在动因驱动的，研究表明虽然稀缺知识资源的不平衡性是这种网络得以形成的根本原因，但科学家合作网络的演化却受到能否等值回报等多方面动因的驱动。只有当合作双方拥有了足够多的知识资本并可互换时才能形成与另一方的合作网络，科学家通过合作网络以利益动因和非利益动因来维持和进行网络动态演化[17]。

对于合作双方利益互相矛盾的合作路径与模式的选择，可以使用经典力学中的吸引力和排斥力模型来进行分析，如果两种力在一定条件下能够达到平衡，则该创新路径就能通达。在领域专家的识别与寻找方面，主要可通过专家知识识别来完成合作方的寻找，科学知识网络可以提供潜在合作者、潜在创新团队识别的线索，通过这个路径可以较快的获得知识交换、科研合作以及科学创新。

四、管理科学科研合作网络案例

管理科学是近年来新兴的前沿交叉热点领域，其目的是打破基础研究与实际应用间的人为屏障，将基础研究获得的成果快速转化为工程化应用，同时对工程上出现的问题又能及时反馈到理论研究并进行更为深入的研究，从而推动管理科学全面、可持续性发展。管理科学既是为推动基础科学研究成果实际转化所开辟的新领域，又具有非常强烈的实际应用背景，是实际推动管理科学发展、工程管理研发和实际管理的引擎[18]。目前管理科学研究已受到全球各国重视，美国、俄罗斯和欧盟等发达国家与地区已经实施了各种研发计划来刺激管理科学的大力发展。在著名的Science、Nature和PNAS等刊物上每年都有大量管理科学论文发表，甚至这些顶级期刊还给管理科学发布过专刊。

本文使用相关策略在WoS数据平台中进行检索[19]，截至2015年可得到317 854条管理科学文献数据，在高水平的SCI数据库中可得到274 279条文献数据。本文使用UCINet与Netdraw软件结合进行合作网络分析，UCINet软件能够进行中心性分析、子群分析、角色分析和基于置换的统计分析等，Netdraw软件可以同时处理多种关系，并可以根据节点的特性设置颜色、形状和节点大小，在数据可视化方面具有独特优势并已全面嵌入前者中[20]。

(一)管理科学领域国家合作网络

通过对参与管理科学的科学家的国别字段进行知识元分析，在存在一位以上作者的论文当中，本文将每个作者的国籍分离出来，如果这些作者的国籍相同则去除论文，如果作者来自于不同国家，则归为国家间合作论文，通过对这些国家间的共现关系构建共现矩阵，最后使用Netdraw软件绘图，得到如图1所示的知识图谱。该图中基本包括了全球管理科学研究的主要国家，整个图中节点间的链接程度较高，只有海地等个别小国没有与其他国家展开合作，国家合作网络的未来发展趋势是在节点之间添加更多的链接关系，网络主要格局已不会发生大的改变。

图1 管理科学学术领域国家合作网络

国家合作网络知识地图显示，在管理科学这一交叉学科中世界各主要国家除了投入巨资展开合作研究外，互相之间也进行了密切的合作研究，形成了以美国为中心的星型国家合作网络。其中，主节点美国的中间中心性最高，美国与其传统的合作国如英国、德国、法国、加拿大和意大利等国在管理科学领域内的科研合作较早、合作强度和网络密度较高，并且这些国家之间也存在较为紧密的合作关系。相比而言，中国虽然也与美国之间有着较高的合作关系，但与其他管理科学强国之间的科研合作关系却很弱，这就对美国形成了较为强烈的合作路径依赖。这对于未来我国发展管理科学不利，因此需要选择更多的具有技术优势的发达国家如英国、德国和加拿大等展开管理学上的科研合作。

在管理科学国家合作网络图谱中，美国、加拿大、英国、德国和法国等G7国家集团互相之间已经形成一个凝聚子群，国家之间合作频繁，形成了合作网络中的核心层，大量发展中国家还处于整个合作网络的外围层。而中国、日本、巴西与俄罗斯等国家则介于中间层，与核心层的国家间有一定合作关系但不紧密。鉴于在管理科学这一需要大量经费和时间投入的领域中国目前实力有限，因此短期内选择与上述G7国家之间在管理科学前沿领域展开合作是明智的选择，但要避免与核心节点美国过分的合作依赖，在加强与现有其他合作国家的链接关系之外，多考虑产生新的合作链接和创新路径，这样通过发展以我国为主的国家合作子群并形成有中国特色的管理学交叉研究，可有力提升我国的管理学研究水平。

(二)管理科学领域机构合作网络

在新兴的管理科学领域，全球主要合作机构形成了一个复杂合作网络，如图2所示。该网络以德克萨斯大学(University of Texas)、麻省理工(MIT)等机构为核心，佐治亚理工大学、密歇根大学、香港科技大学与之合作频繁，形成了世界级管理科学研究合作中心。另外，香港科技大学、香港城市大学和中国科学院等机构合作紧密，形成仅次于前者的管理科学研究机构合作子群，因此在管理科学机构合作网络中，德克萨斯大学是点度中心度最大的节点，处于整个网络中极具影响力的明星地位，其余机构的研究合作规模较小，皆处于从属地位，但美国几所处于核心地位的机构使得自身在网络中的受攻击能力较强。在管理科学机构合作网络中最大的另一个凝聚子群是以中国的研究机构为主、美国和新加坡的研究机构为辅形成的具有长尾的子网络，香港理工大学处于这个最大子网的关键链接性节点位置，并且也是除了德克萨斯大学以外合作频次最大的机构。

图2 管理科学学术领域机构合作网络

在管理科学这个新兴的研究领域，机构之间的紧密合作网络尚未完全形成，网络中还有大量节点处于孤立或者相互之间频次极低的链接状态。在这些机构下一步的发展战略中，主动寻求国内外优秀的合作机构展开合作是进行优势互补、尽快提升自身实力的较优选择。但由于复杂网络在增长机制方面具有择优链接的特点，极易形成合作团体中的小世界现象，可通过合作网络加强自身的研究实力。因此对于我国来说，鉴于合作网络中这样的特点，启示了我国在发展管理科学研究时，也要鼓励各个具有实力的机构分散寻找合作机构，一方面使得现有优势得到加强，另一方面也避免在外界合作环境突变时对自身产生大的不利影响。

(三)管理科学领域著者合作网络

在科研合作网络研究尤其在同一数据科学知识网络分析中，国家、机构和著者之间具有上下位的包含关系，从国家、机构到著者可构建网络的节点越来越多，这些从科学文献中提取但却比文献本身数量要多得多的知识元共现关系极为复杂。本文在数以百万计的著者间使用UCINet软件构建了合作网络图谱，得到了如图3所示的著者合作网络。

图3 管理科学学术领域著者合作网络

研究结果显示这是一个尚在继续发展中的小世界网络，网络中产生了较多的凝聚子群，只有部分节点没有与整个网络产生链接关系，网络密度较小。管理科学著者合作网络中的子网的节点较大，说明合作研究同时有力的促进了科学成果产出，科学家之间的知识交流较多。在最大的子网络中，加州大学各分校的研究人员之间形成了极为紧密的研究合作社群，内部的合作关系较为充分且子网密度较大。但该社团与其余子网间仅有微弱的链接关系。在研究合作促进科学创新上，著者合作网络中体现的链接关系最为根本。管理科学领域内除了以德克萨斯大学科学家为主的链接度较高的子网外，尚有其他不少子网络，并且其中的链接关系也较为充分，但研究结果表明这样的研究合作均产生于机构内部人员有充分交流机会的情形之下。

从最大的子网络出发，管理科学领域中还产生了一个子网数目较多的合作网络群，这个子网群中有多个呈星型的小网络，然后有数条链状长尾与这些小网络相链接，并且还有一些星型小网络处于这些长尾的终端位置。部分较大的星型子网、链状网络和零散节点并未与最大的子网相链接，目前还处于孤立状态。这说明管理科学领域的著者合作网络类型复杂，研究合作样式极多，网络未来还有很大的继续演化和趋向复杂链接的趋势。由于科学家是科学创新的主要载体，多个子网和链状网络涌现说明极其复杂的学科前沿和热点领域正在出现，整个管理科学研究仍处于变动当中，科学创新也将在该网络的多个节点和子网上产生。

五、结论

本文从科学史上国家、机构和科学家科研合作成功的案例出发，阐析了当前大科学时代的合作研究已逐渐成为科学界的主流现象。从科研主体的角度，通过对科学文献隶属者的分析，得到了三种科研合作网络类型，并对这三种合作网络的结构特征及其与科学创新之间的关系进行了探究，利用社会网络分析、复杂网络以及数理统计等多种方法对管理科学这一新兴交叉学科的科学数据进行了实证案例分析。结果表明，在管理科学的合作网络图中，国家合作网络由于节点数目少首先接近最大节点阈值，网络的连通程度较高；机构合作网络与作者合作网络目前还是稀疏网络，网络处于继续生长和演化当中；科学家合作网络中有部分节点的中间中心性较高，处于链接和沟通不同子网的中间人的重要位置，节点对于信息的传递和控制能力较强。从长远看，我国要鼓励管理科学研究的个人以及机构与国外具有优势研究实力的对象进行科研合作，以期在短期内提高自己，但在群体策略上应鼓励根据自我研究特色选择合作对象，避免与单一创新主体高强度合作而产生较大的路径依赖。

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(责任编辑：张 丛)

Study on Scientific Research Collaboration Networks under Big Science Era

YANG Shanlin1,2, LV Penghui1,2,LI Jingjing1,3

(1.School of Management, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Institute of Computer Network System, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 3.Institute of Information Management and Information System, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Cooperative research has gradually become the mainstream of scientific research, the research carried on the thorough analysis about the evolution of the cooperation mechanism. This paper embarks the three basic types of literature creators, builds up three single scientific research cooperation networks such as national cooperation network, institutional cooperation network and scientist collaboration network respectively, the detailed research about the structures characteristics and innovation of the three cooperation networks were carried on. And the emerging interdisciplinary of management science data were taken as example with the social network software UCINet and Netdraw building three cooperation network maps in this paper, and then a thorough analysis of various cooperation networks carried on and the suggestions about our country concreted in the direction of scientific research cooperation and the choice of cooperation partners were put forward.

Big Science Era; research cooperation; management science; cooperation network

2016-09-03

国家自然科学基金重点项目(71331002)；中国博士后科学基金面上项目(2015M581984)

杨善林 (1948- )，男，中国工程院院士，合肥工业大学计算机网络研究所所长；吕鹏辉 (1982- )，男，通讯作者，合肥工业大学管理学院博士后。

G311

A

1008-245X(2016)05-0094-007

10.15896/j.xjtuskxb.201605017