能源產(chǎn)業(yè)前沿探索：基于科學(xué)創(chuàng)新視角

欒春娟

(大連理工大學(xué)知識產(chǎn)權(quán)學(xué)院,遼寧　盤錦　124221)

0　引言

探索能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前沿，對國家構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推動中國能源革命、加快經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型發(fā)展等，具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于能源產(chǎn)業(yè)的相關(guān)研究成果，主要集中于以下幾個方面：第一，關(guān)于新能源產(chǎn)業(yè)的研究，學(xué)者們研究了新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展困境及對策[1]、新能源產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)[2]、新能源產(chǎn)業(yè)金融支持路徑與風(fēng)險防范方法[3]、新能源產(chǎn)業(yè)政策分析[4]、新能源產(chǎn)業(yè)競爭能力模型分析[5]等。第二，關(guān)于可再生能源的研究，學(xué)者們探討了基于博弈模型的可再生能源產(chǎn)業(yè)補貼標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計[6]、可再生能源對碳排放的影響[7]、可再生能源技術(shù)吸收能力對中國能源產(chǎn)業(yè)績效的影響[8]等。第三，關(guān)于新興類型能源，比如生物能源等的研究。國內(nèi)外學(xué)者分析了美國生物能源產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)演化過程[9]、生物能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑[10]、生物能源產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建[11]等。第四，關(guān)于能源產(chǎn)業(yè)前沿的研究。國內(nèi)外學(xué)者探討了能源產(chǎn)業(yè)前沿研究中心的科學(xué)合作與演變[12]、海洋能源產(chǎn)業(yè)前沿的發(fā)展[13]、太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前沿[14]、高能前沿的晶體準(zhǔn)直系統(tǒng)[15]等。

“基于科學(xué)的創(chuàng)新”思想，學(xué)界一般認(rèn)為起源于18世紀(jì)，經(jīng)濟學(xué)家亞當(dāng)·斯密提出的經(jīng)驗與科學(xué)促進了勞動分工和進步與創(chuàng)新[16-18]。傳統(tǒng)的創(chuàng)新理論更多地聚焦于技術(shù)創(chuàng)新，但最近幾十年來，“基于科學(xué)的創(chuàng)新”越來越引起學(xué)術(shù)界和決策者們的關(guān)注。學(xué)者們探討了基于科學(xué)創(chuàng)新的思想起源與發(fā)展，以及基于科學(xué)創(chuàng)新的模式和類型[16]；企業(yè)科學(xué)能力及其與創(chuàng)新關(guān)系[19]；基于科學(xué)創(chuàng)新視角，全球太陽能產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新能力及其與科學(xué)發(fā)展的關(guān)系[20]；生物技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)知識是如何影響公司創(chuàng)新績效的[21]等。

美國能源部科學(xué)辦公室的科學(xué)用戶設(shè)施計劃是“基于科學(xué)的創(chuàng)新”的重要實踐平臺。美國能源部在美國經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，將科學(xué)創(chuàng)新放在優(yōu)先發(fā)展的地位，并將其視為美國經(jīng)濟繁榮的基石[22]。本研究中，我們選擇基礎(chǔ)能源科學(xué)計劃，從基于科學(xué)的創(chuàng)新視角，探索能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前沿。與以往的研究相比較，本研究選擇美國能源部正在培育的、經(jīng)過專家評議的、有發(fā)展?jié)摿Φ?、有可能發(fā)展成為新興能源產(chǎn)業(yè)的、對美國乃至世界能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展具有引領(lǐng)作用的科學(xué)用戶設(shè)施項目為數(shù)據(jù)來源，將更能夠代表未來能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，為能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿的預(yù)測提供一個嶄新的視角和方法。

1　數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1　數(shù)據(jù)來源及處理

本研究選擇2016年美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施計劃統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的“基礎(chǔ)能源科學(xué)”(Basic Energy Science Program，簡稱BES)計劃培育的全部27881個項目數(shù)據(jù)，從“基于科學(xué)的創(chuàng)新”視角，探索能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿。

美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施培育項目數(shù)據(jù)，可以是科學(xué)家正在進行的研究，也可以僅僅是個概念或想法，因此不存在像科學(xué)論文或?qū)＠墨I那樣較長的時滯。從時間上看，選擇正在培育的項目為數(shù)據(jù)來源，更具有新穎性；從范圍上看，選擇經(jīng)過專家評議、被認(rèn)為有未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ呐嘤椖繑?shù)據(jù)，更聚焦于未來能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。因此，利用美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施培育項目的數(shù)據(jù)進行能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)前沿的探測和分析，具有更強的學(xué)術(shù)價值和實踐意義。

1.2　研究方法

對能源產(chǎn)業(yè)前沿主題的探測，我們采用從科學(xué)用戶設(shè)施項目名稱中提取主題詞的方法，并借助信息可視化軟件VOSviewer進行。項目名稱雖然字?jǐn)?shù)不多，但其反映了項目的核心主題，是對一個項目的創(chuàng)新思想和主要內(nèi)容的高度概括和凝練[23-25]。我們將BES全部項目名稱匯總為一個文本體，采用VOSviewer軟件分析工具，選擇關(guān)聯(lián)強度算法，對該文本體的主題詞進行關(guān)聯(lián)強度、頻次和可視化分析：

(1)

式中，SA(Cij,Si,Sj)表示項目i和j的相似度，Cij為項目i和j的共同出現(xiàn)頻次，Si和Sj為項目i和j各自出現(xiàn)的頻次。常見的計算共現(xiàn)矩陣的方法有Jaccard系數(shù)、Cosine系數(shù)等，但是Van Eck與Waltman 通過大量的實證研究和比較分析[26-27]，認(rèn)為總體來看存在著兩種重要的相似性測度理論與方法，即集論測度(Set-Theoretic Measures)和概率測度(Probabilistic Measures)；Cosine、Inclusion Index和Jaccard三種都是集論測度方法，而關(guān)聯(lián)強度則屬于概率測度方法；在科學(xué)計量學(xué)共現(xiàn)分析研究中，選擇關(guān)聯(lián)強度的測度指標(biāo)比Jaccard和Cosine更合適。

2　能源領(lǐng)域前沿探索

2.1　能源產(chǎn)業(yè)前沿創(chuàng)新主體：項目主要來源機構(gòu)

我們選擇“項目來源機構(gòu)”，即美國能源部科學(xué)辦公室“基礎(chǔ)能源科學(xué)”(Basic Energy Science，BES)計劃培育的全部27881個項目數(shù)據(jù)中的“Home Institution Name”字段，對其進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，提煉出高于300項的項目來源機構(gòu)，將其視為能源產(chǎn)業(yè)前沿創(chuàng)新主體(見表1)。這些高產(chǎn)的項目來源機構(gòu)，代表著他們擁有基礎(chǔ)能源科學(xué)研究領(lǐng)域的強大研究實力和全球領(lǐng)先水平，這些機構(gòu)在基礎(chǔ)能源科學(xué)領(lǐng)域的研究，為未來能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展提供了重要的支撐，也很有可能成為未來新興能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)的引領(lǐng)者和先驅(qū)者。

表1　能源產(chǎn)業(yè)前沿創(chuàng)新主體：高于300項的項目來源機構(gòu)

表1顯示，在15個高產(chǎn)的能源產(chǎn)業(yè)前沿創(chuàng)新主體中，有六個是聯(lián)邦政府的國家實驗室，七個是高水平的研究型大學(xué)，另外一個是華盛頓卡耐基研究所，還有一個是德國的電子同步加速器。前四個高產(chǎn)機構(gòu)全部是聯(lián)邦政府的國家實驗室：排在第一位的阿貢國家實驗室是一個多學(xué)科的科學(xué)與工程研究中心，是美國能源部最大的研究中心[28]。阿貢在能源資源領(lǐng)域的研究項目確保了未來社會與經(jīng)濟發(fā)展所需的高效、清潔能源的可靠供應(yīng)[29-30]。排在第二位的橡樹嶺國家實驗室成立于1943年，現(xiàn)由田納西大學(xué)和Battelle紀(jì)念研究所共同管理。是美國能源部所屬最大的科學(xué)和能源研究實驗室。排在第三位的SLAC國家加速器實驗室直屬美國能源部，主要從事自然界基本規(guī)律的探索研究，取得了許多重大發(fā)現(xiàn)，揭示了許多自然界的秘密。

2.2　能源產(chǎn)業(yè)前沿的創(chuàng)新資助方：主要資助機構(gòu)

我們選擇BES項目數(shù)據(jù)中的“項目主要資助機構(gòu)”字段，對其進行了數(shù)據(jù)處理。比如，將美國能源部(DOE)單獨資助的和美國能源部與其他機構(gòu)聯(lián)合資助的合并為“美國能源部及其他機構(gòu)”(DOE and Others)，這樣合并處理后，有利于我們從整體上把握能源產(chǎn)業(yè)前沿的主要資助機構(gòu)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析之后，提煉出資助項目占項目總數(shù)比例超過1%的9個主要資助(聯(lián)合資助)機構(gòu)(見表2)。

表2　能源產(chǎn)業(yè)前沿的創(chuàng)新資助方

表2顯示，美國能源部參與資助的項目數(shù)量最多，僅在2016年，其單獨資助以及與其他機構(gòu)聯(lián)合資助的項目數(shù)量達到12560項，占BES項目總數(shù)的45.05%，幾乎占了半壁江山。排在第二位的是美國國立衛(wèi)生研究院NIH及其他機構(gòu)，共同資助了4669個項目，占總數(shù)的16.75%。國外學(xué)術(shù)界(美國之外其他國家/地區(qū))的資助率為11.13%；美國自然科學(xué)基金會及其他機構(gòu)的資助率為10.72%。另外兩個資助率超過5%的資助主體，美國大學(xué)/教育機構(gòu)及其他機構(gòu)、其他的聯(lián)邦機構(gòu)。

2.3　能源產(chǎn)業(yè)前沿項目的培育機構(gòu)：科學(xué)用戶設(shè)施

我們選擇BES全部項目數(shù)據(jù)中“科學(xué)用戶設(shè)施”字段，對其進行了數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，共有12個科學(xué)用戶設(shè)施承擔(dān)了BES計劃的全部項目培育。圖1顯示了每個科學(xué)用戶設(shè)施的名稱、培育項目數(shù)量及其占BES計劃全部項目的比例。

圖1顯示，培育BES計劃項目數(shù)量最多的科學(xué)用戶設(shè)施是“先進光子源”，它是美國能源部阿貢國家實驗室提供的超級明亮的、高能存儲環(huán)形x射線束，幾乎可以應(yīng)用于所有學(xué)科的科研工作中[31-33]。這些X射線可以幫助科學(xué)家探索地心、外層空間以及二者之間任何一點的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能，并獲取新知識[34-35]。排在第二位的科學(xué)用戶設(shè)施是“斯坦福同步輻射光源”，它由斯坦福大學(xué)為美國能源部進行運作，其經(jīng)費主要由能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)局及生物和環(huán)境研究局提供。培育項目超過2000項的科學(xué)用戶設(shè)施還有“直線加速器相干光源”和“先進光源”。

2.4　能源產(chǎn)業(yè)前沿主題

在此我們采用美國能源部“基礎(chǔ)能源科學(xué)BES”計劃培育項目的項目名稱為能源產(chǎn)業(yè)前沿出題可視化分析的數(shù)據(jù)樣本，我們將全部27881個項目的項目名稱提煉出來，匯總為一個文本文件，選擇VOSviewer軟件分析平臺的“基于文本數(shù)據(jù)制作圖譜”(create a map based on text data)選項，共萃取主題詞16741個，頻次高于10次的主題詞為1680個，其中聯(lián)系關(guān)系最強的60%的主題詞，即1008個主題詞被選中為最終圖譜中的主題詞(見圖2)。

圖1　項目培育的科學(xué)用戶設(shè)施

圖2　能源產(chǎn)業(yè)前沿主題詞圖譜

圖2顯示，能源產(chǎn)業(yè)前沿高頻主題詞主要有衍射研究(diffraction study)、數(shù)據(jù)采集(data collection)、大分子結(jié)晶學(xué)(macromolecular crystallograp-hy)等。生物大分子衍射技術(shù)從衍射線的方向和強度推算生物大分子的空間結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)，X 射線衍射技術(shù)能夠精確測定原子在晶體中的空間位置,是迄今研究生物大分子結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)[36-37]。數(shù)據(jù)采集是大分子結(jié)晶學(xué)與衍射研究以及能源基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域其他一些研究的基礎(chǔ)和前提。超高分辨率晶體學(xué)的常規(guī)大分子結(jié)晶學(xué)能量優(yōu)化研究[38]、大分子晶體學(xué)用于高和低能量的分相和可變束聚焦研究[38-40]等，是近年來能源基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域研究的重要課題。中子和X射線散射學(xué)校(NX學(xué)校)設(shè)立的主要目的，是為研究生提供中子和X射線散射教育，以及如何使用中子與X射線用戶設(shè)施。NX學(xué)校的設(shè)立和發(fā)展得到美國能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)研究計劃的支持。表3列出了BES培育項目頻次高于100次的高頻主題詞。

表3　BES培育項目高頻主題詞：≥100次

表3列出的高頻主題詞包括以下幾類：第一類反映基礎(chǔ)能源科學(xué)研究領(lǐng)域前沿的主題詞，比如“衍射研究”、“高分子結(jié)晶學(xué)”、“串行飛秒晶體學(xué)”、“單粒子計劃運行”等。第二類是反映了通用方法的主題詞，比如數(shù)據(jù)采集、衍射實驗、光束線調(diào)試等，這些方法廣泛應(yīng)用于能源基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域；第三類是代表能源前沿研究主體機構(gòu)相關(guān)的主題詞，比如NX學(xué)校、生命科學(xué)合作獲取團隊等。這幾類主題詞并不是孤立存在的，比如，“生命科學(xué)合作獲取團隊”(LS CAT)的主要作用就是為那些需要確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究者們提供大分子結(jié)晶學(xué)相關(guān)的研究資源，在阿貢國家實驗室先進光資源科學(xué)用戶設(shè)施為研究者提供X射線衍射實驗設(shè)施，那里有超強的強流離子束[41]，可以應(yīng)用于微小蛋白質(zhì)晶體的反射和柔性聚焦研究。由此可見，研究團隊、研究方法和研究前沿主題內(nèi)容都是密切相關(guān)的。

3　結(jié)論與啟示

本文基于科學(xué)的創(chuàng)新思想，選擇美國能源部“基礎(chǔ)能源科學(xué)”計劃培育的全部27881個項目數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)統(tǒng)計和信息可視化技術(shù)，對其進行能源產(chǎn)業(yè)前沿創(chuàng)新主體、能源產(chǎn)業(yè)前沿的創(chuàng)新資助方、能源產(chǎn)業(yè)前沿項目培育機構(gòu)和能源產(chǎn)業(yè)前沿主題等分析，探索基于基礎(chǔ)能源科學(xué)研究的能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)前沿。得到如下結(jié)論：能源產(chǎn)業(yè)前沿創(chuàng)新主體主要是美國聯(lián)邦政府的國家實驗室和高水平的研究型大學(xué)；能源產(chǎn)業(yè)前沿的創(chuàng)新資助方，資助項目比例超過10%的機構(gòu)主要有：美國能源部及其他機構(gòu)、美國國立衛(wèi)生研究院及其他機構(gòu)、國外學(xué)術(shù)界(美國之外其他國家/地區(qū))和美國自然科學(xué)基金會及其他機構(gòu)。培育BES計劃項目數(shù)量比例超過10%的科學(xué)用戶設(shè)施分別是“先進光子源”和“斯坦福同步輻射光源”。能源產(chǎn)業(yè)高頻主題詞主要有衍射研究、數(shù)據(jù)采集、大分子結(jié)晶學(xué)、中子和X射線散射學(xué)校、光束線調(diào)試等。

美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施對基礎(chǔ)能源科學(xué)研究項目的創(chuàng)新培育，是基于科學(xué)的創(chuàng)新思想與實踐的比較完美的結(jié)合。美國能源部作為一個政府科學(xué)機構(gòu)，對美國科技經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展發(fā)揮著重要的作用[42]，積極催化了基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)的轉(zhuǎn)化、新興能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，并將“基于科學(xué)的創(chuàng)新”放在優(yōu)先發(fā)展的地位，視其為國家經(jīng)濟繁榮的重要基石[43-44]。以往產(chǎn)業(yè)技術(shù)前沿的研究，多是采用科學(xué)論文數(shù)據(jù)或?qū)＠麛?shù)據(jù)進行的，本研究中我們選擇了一個嶄新的視角，基于美國能源部科學(xué)辦公室的“基礎(chǔ)能源研究”計劃支持的、美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施培育項目的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進行了能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)前沿的探測研究。這些項目，可能僅僅是一個概念，或者是一個想法，也可能是正在進行的科學(xué)研究，它們有一個共同的特點，那就是經(jīng)過了專家的論證、并且被認(rèn)為是有培育和發(fā)展?jié)摿Φ?、可能代表未來能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和前景的項目。我們認(rèn)為，采用這樣的數(shù)據(jù)進行能源產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)探測研究，更具有時效性和實效性、新穎性和聚焦性。從理論視角，本研究是基于科學(xué)的創(chuàng)新理論與思想的一個嘗試研究；從方法視角，本研究可以算是補充計量學(xué)研究的一個嘗試，是對科學(xué)計量學(xué)研究數(shù)據(jù)來源和方法的重要補充和發(fā)展?；趧?chuàng)新概念與創(chuàng)新想法的新興產(chǎn)業(yè)培育計劃，大大縮短了從科學(xué)到技術(shù)再到產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新路徑，美國能源部基于科學(xué)的創(chuàng)新實踐，為中國新興產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供了重要的借鑒思路。