二 基于CAS理论的城市创新系统理论模型

（一）城市创新系统的CAS特点体现

基于CAS理论，城市创新系统的复杂适应性体现在六个方面，具体包含：开放性与非平衡相变性、动态性、自适应性与自组织性、复杂性与竞合性、低耦合与高内聚性以及非线性与涨落性，具体如图3-6所示。

1．开放性与非平衡相变性

城市创新系统的开放性是指城市创新系统与外界环境之间不是各自孤立存在、相互封闭的。随着城市创新系统的发展，系统与系统环境之间不停地进行着物质、人才、资金、知识、信息和能量上的交换，因此，系统与系统环境之间是开放的。外界环境通过边界对系统产生摄动作用，从而影响着系统内部结构和形态上的变化。

非平衡相变是指系统在非平衡状态下，在开放的系统中出现的系统内部自组织现象。城市创新系统作为一个开放的系统，存在着物质和能量的输入与输出，城市创新系统的构建也经历了由无序到有序，从低级循环到高级循环、从混沌态到反混沌态的发展历程。

2．动态性

一方面，从系统与外界环境之间的关系看，城市创新系统不断与外界环境进行资源交流，系统的开放性、动态性特征使系统能不断从外界摄取有效资源应对系统内外部复杂多变的环境。城市创新系统的生死存亡受各种不确定因素的影响，系统的动态性也可以说是不断适应外部演化的结果。另一方面，从系统功能实现的微观角度看，系统内部各主体要素之间、资源要素之间以及环境要素之间也都存在着联系与交流，并且三大要素系统之间也存在着紧密交流，从而推进系统本身不断发展变化，因此，创新系统是动态变化的。

3．自适应性与自组织性

自适应性是指系统围绕系统自身的目的而产生的运动和存在是自发的、不受外来干预的，同时，系统能够在环境变化的情况下进行正常、稳定的运行。系统的行为取决于子系统之间相互结构而非子系统的特征，系统能够根据外界环境变化进行自我调适以适应外界环境。城市创新系统与外界源源不断地进行物质、人才、资金、知识、信息和能量上的交换，通过调整系统目标，系统能够自己调适与外界之间的关系，同时也能适应子系统内部结构的变化，协调各种资源完成系统目标。

4．复杂性与竞合性

在开放的系统环境下，政府与市场是主导城市创新系统中资源输入和产出的主要力量，因此，在城市创新系统内，大学、企业与研究机构的各个单独个体之间，城市创新系统内部各要素之间都具有非线性、时滞性和系统性的特征，这也使城市创新系统在由低级发展形态向高等城市发展形态的转变过程中，产生了复杂性特征（张省、顾新，2012）。

同时三大创新产出主体之间也表现出既竞争又合作的关系。城市创新系统内的竞合关系成为促进城市创新系统发展的内部动力源。而在城市创新系统外部，不同城市创新系统之间由于存在着知识溢出等创新资源的流动，同时一个城市的企业、大学与研究机构也与其他城市创新系统存在着创新资源和创新要素的输入和输出，因此，城市创新系统之间存在着竞合关系。

5．低耦合与高内聚性

低耦合是指各Agent之间相对独立性较强，城市创新系统内各Agent之间具有低耦合的特性；高内聚是指各Agent之间以创新为导向的各种功能高度集中，在城市创新系统内，各Agent在创新功能上具有统一性。低耦合与高内聚之间具有矛盾特征，因此，城市创新系统内Agent的发展存在着既联系又相互独立的特点，同时在城市创新功能上具有相同的发展目标。

6．非线性与涨落性

城市创新系统是一个复杂的非线性动力学系统，系统中各要素及子系统中普遍存在复杂的非线性相互作用，各要素和各子系统之间的影响交互产生，各个主体之间存在复杂的非线性函数关系，该非线性特征决定了城市创新系统发展的多样性。同时，城市创新系统具有涨落性特征，该特征表现为城市创新系统内各子系统的演变呈现动态化趋势，城市创新系统的状态由各子系统的综合状态所决定，因此，城市创新系统表现为较强的涨落性。

（二）城市创新系统理论模型构建

1．城市创新系统理论模型提出

在Jacobsson和Johnson（2000）所描述的创新系统的变化过程机制中，功能实现可能会导致良性循环的变化过程（或正反馈回路），该过程能起到相互增强的效果，从而在现有系统内产生一个创造性的破坏过程。因此，创新系统更关注各主体角色、主体之间的关系以及学习过程，因为这三个方面对创新至关重要。本书在对城市创新系统的主体要素和资源要素进行分析的基础上，通过分析城市创新系统的目标和特征，提出了基于城市创新系统主要功能和主要主体关系的城市创新系统模型，具体如图3-7所示。

如图3-8所示，城市创新系统中的主体要素——政府、企业、大学和科研机构以及科技中介机构，在执行创新型城市建设的过程中产生了密切的关联，导致各部门之间的互动，并衍生出一系列新的职能，促进了城市创新系统的整体功能的实现。在城市创新系统中，各创新主体在创新目标的指引下相互联系，各主体在履行其职责的同时，也与其他主体之间产生了千丝万缕的关系。结合CAS理论，城市创新系统的多元主体在特定环境下产生了相互联系，这些带有主动性和智能特征的城市创新主体以及相互之间所产生的关系构成了城市创新复杂系统。

在城市创新复杂系统中，政府是创新型城市的调控器，它在创新型城市建设的初期，主要引领创新型城市的发展，对资源的调配起到了主要的作用，当创新型城市发展到高级阶段，政府的作用逐渐淡出，只对市场机制起到补充作用。因此，政府行使政策协调职能，同时政府还要与中介机构不断协调创新资源的流动；大学与科研机构主要为城市创新系统提供知识、技术以及人才，大学与科研机构不断从事知识与技术生产活动，满足当地经济发展对知识和技术的需求，这也就是知识创造的过程；企业是城市创新系统中最重要的主体，企业不断将创新成果投入应用，即创新的商业化过程（财富生产过程），这是城市创新系统的最重要动力引擎；科技中介机构则主要协助城市创新系统中各主体之间的信息交流，增进主体间的合作与交流。同时，各主体之间由于相互联系也产生了相互制约、相互依存的关系，一个运行良好的城市创新系统必须达到全面协调的发展状态，才会促进创新型城市的发展。

2．五大创新主体与城市创新系统之间的关系

五大创新主体在城市创新系统内紧密联系，良好的城市创新系统能够促进系统内资源的流动，创新主体间存在一个创新资源分配过程。根据CAS理论，创新主体具有多元性特征。城市创新系统是在特定的社会经济文化背景下，由大量相互联系、相互作用、具有主动性（或智能）的主体所构成的复杂系统（丁堃，2008）。从CAS理论的角度看，城市创新系统中的政府、企业、大学、科研机构和中介机构作为创新型城市的推动者和建设者，各个主体之间产生紧密联系，具体如图3-8所示。

图3-8中Sg、Se、Su、Si、Sa分别代表创新系统的政府、企业、大学、科研机构和中介机构各自所形成的子系统，Ag、Ae、Au、Ai、Aa表示系统内各子主体。企业、大学以及科研机构作为实质性的创新主体，之间主要通过知识流动、人才流动和科技合作等方式开展合作交流，科研机构与大学之间主要通过产学研联盟、人才吸纳、技术项目合作等方式开展合作交流。虚线表示主体之间存在相互作用关系，实线箭头表示主体之间类型不同。城市创新系统内的各主体之间的知识流动、人才流动和资金流动形成了城市创新互动网络。而政府通过对创新资源进行整合，促进三大实质创新主体创新合力方向的形成。科技中介是一种新型的以推动技术创新和交流为目的的服务组织形态，是创新主体之间联系的纽带，能有效推动产学研之间资源的流动，提高创新主体与市场之间的互动。

（三）城市创新系统的驱动力模型构建

城市创新系统的驱动力是带动城市创新系统运行的关键力量，创新资源要素输入产生了城市创新系统驱动力的场结构，带动城市创新系统的运行。

1．城市创新系统驱动力的场结构

在电磁学理论中，如果在导体外部缠绕通过交变电流的线圈，那么线圈就产生交变磁场。由于线圈中间的导体在圆周方向是可以等效成一圈圈的闭合电路，闭合电路中的磁通量不断发生改变，所以在导体的圆周方向会产生感应电动势和感应电流，电流的方向沿导体的圆周方向转圈，就像一圈圈的漩涡，所以这种在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象被称为涡流现象。导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大。

磁场强度的大小用单位电流元收到的最大磁力除以导率表示，一般矢量表示式应为：任一闭合直流回路产生的磁场强度表示为：

定义了磁场强度后，电流元在外磁场中收到的安培力式可表示为：

2．技术创新、人才聚集、经济资本马太效应的形成

根据《圣经·马太福音》中对马太效应的描述：“凡有的，还要加给他叫他多余；没有的，连他所有的也要夺过来。”描述的是多的愈多，少的愈少，强者愈强，弱者愈弱的现象。莫顿（2003）率先使用马太效应来解释科学研究中的现象，他认为“科学研究中的马太效应是指，非常有名望的科学家更有可能被认定取得了特定的科学贡献，并且这种可能性会不断增加，而对于那些尚未成名的科学家，这种承认就会受到抑制”。

城市创新系统中技术、人才和经济资本的马太效应对创新型城市的资源累积不但具有重要影响，还提升了创新型城市对资源的吸引力，形成了特殊的“创新型城市的磁石”。创新型城市由于技术、人才和经济资本的累积在促进自身经济和社会发展的同时，也形成了“城市自身的品牌与文化”，在改变外界对城市认识的同时，塑造了吸引资源的“磁核”。当人才不断在城市内累积，城市就会逐渐形成无形的“磁核”，该“磁核”根据自身需求发出“磁力线”，对外界产生不同的需求信号，与外界资源产生交互作用，进而形成了磁场。

对于创新资源凝聚处于优势地位的城市而言，创新型城市不断吸引越来越多的市场资源以及制度资源，逐渐形成城市品牌效应和财富效应，不断推动城市向前发展。而对于那些在对创新资源吸纳上处于劣势的城市而言，城市自身的资源累积不丰富，城市品牌作用较小，财富效应力量不足，难以吸引更多的创新资源。

马太效应是一种短期效应，对于处于劣势的城市来说，反马太效应的一种有效途径就是打破“马太效应”束缚，寻找劣势城市的“后发优势”。对这部分城市来说，城市必须寻找到具有自身独特竞争力的“磁核”，用以吸引市场资源在区域内的聚集，在此基础上形成更大的“磁力”。

3．城市创新系统的场结构仿真

根据城市创新系统的场结构，对城市创新系统的某一要素流（以人才流为例）进行系统仿真，形成了单一要素流在城市系统内的场强，源程序见附录B。

根据计算程序得出城市创新系统的单一要素流的空间场强变化图，具体如图3-9所示。

随着人才在城市创新系统中聚集度增加，将产生相应的场，人才的聚集度越高则城市创新能力的场强越大，反之则越小。人才等要素产生的场强具有空间分布特性。人才聚集度越高的地方，产生的场强越大，对创新的驱动能力越强；离人才聚集度高的地方越远，创新驱动能力越弱。图3-9中弧形线条代表要素产生的场强，线条越密集，场强越强；线条越稀疏，场强越小。

技术进步融合了人才流、资金流、知识和技术流、创新精神文化流，以城市基础设施要素作为条件，以企业、高校、科研机构、科技中介机构以及政府等作为创新活动的行为主体，在技术创新过程中，技术创新的资源要素在城市范围内聚集，在聚集过程中，城市系统内部产生具有磁力的涡流。人才流、资金流、知识和技术流、创新精神文化流这些要素的流动越快，城市创新系统的涡流就越强，产生的动力越大；人才流、资金流、知识和技术流、创新精神文化流的流动越慢，城市创新系统的涡流越小，产生的动力越小。

城市创新系统中的人才流动、资金流动、物质流动以及在此基础上形成的知识流动，构成了技术进步路径的动态结构。在该结构中，知识和技术流、资金流、人才流和创新精神文化流的高速流动，形成高速变化的交变磁场。当场内的磁力线通过创新型城市时会在创新型城市系统内部产生无数的小涡流，这些小涡流促使作为中心导体的城市创新系统高速运动，从而促进技术进步的产生。

4．城市创新系统驱动力来源

城市创新系统理论模型源自技术创新的一个核心动力过程，该过程涉及社会的各个方面，因此，创新动力系统是城市创新系统的中心动力系统。国内学者对创新型城市发展的驱动力进行研究，例如，王程韡（2011）提出创新型城市发展的不竭动力源于经济资本、知识资本、社会资本和文化资本之间的互动和循环流转结构。但是他们并没有将人才驱动作为单独的驱动要素提出，因此本书认为创新型城市的驱动力来源于以下四个方面。

第一，知识和技术流。在城市创新系统中，系统的主要目的之一是促进知识与技术的转移，因此，产学研三大核心主体——高校、企业、科研机构之间产生知识与技术的流动，从而形成了主要的知识流动循环。科技中介机构在知识流动和技术流动中间主要起到了穿针引线的作用，城市创新链中的中介机构，加速了知识与技术在三大主体之间的流动，同时技术创新人才作为知识与技术的载体，承载了大量的知识与技术信息，通过知识流动和技术流动，人才得以进行交流，知识也得以传递。知识流的形成刺激城市创新系统各主体交互参与不同的创新活动、相互间分享知识、培养与供给人才，这正是城市创新系统的动力所在。

第二，资金流。在城市创新系统中，高校、企业与科研机构在自身筹措科研经费之余，政府为促进城市科技发展直接投入资金，此外，银行也为三大创新主体提供研究经费，三者与银行之间产生了逆向的资金流动。同时，创新型城市内聚集了大量潜在的科研成果，这吸引了大量风投资金的进入，风投是以收益为目的的金融工具，也与三大主体之间产生了双向的资金流动。这一切形成了城市创新系统中的资金流，资金流是创新主体在创新活动中的经费保障，通过流动资金流本身也得以延续发展。

第三，人才流。随着创新型城市的发展，城市从制造经济向服务经济转移，同时对人才的需求也从人力经济向人才经济转移。随着城市发展阶段的提升，城市形成巨大的磁场，吸引了大量的创新人才的加入，这就形成了创新型城市的人才流。人才流由内外部各支流汇聚而成，外部主要依靠人才的引进来实现，同时城市范围内各个创新主体也注重对创新人才的培养，城市较注重创新人才对经济的贡献。创新主体在城市中可以获得更多的创意，往往首先在自己所居住的城市里把这些思想付诸实施。

第四，创新精神文化流。创新型城市的建设需要创新精神文化的支持，同时城市建设的本身也塑造出富有特色的创新精神文化。文化资本的形成源于市民对城市本身和公民身份的认同，并且该认同深入到制度或者价值观层面，有着个人倾向的社会资本就转化成了文化资本（王程韡，2011）。城市开放包容的环境氛围和城市精神，随着城市人才流的动态变化而变化，逐渐形成了对知识和人才的尊重包容、对创新积极付诸实施的精神。创新精神文化与创新人才紧密相关，创新精神文化是创新型城市滋生的土壤，同时，创新型城市的成长也为吸引创新人才提供了“磁核”，从而形成了一个具有强大吸引力的磁场。

技术进步的路径不是简单的线性关联，而是形成了复杂的场结构，具体结构如图3-10所示。

其中，产生的合力可以表示为：

式3.4中，Fsum→为城市创新系统内四大要素流产生的创新驱动力的合力；Fp→为人才流对创新的驱动力；Ff→为资金流对创新的驱动力；Fc→为创新精神文化流对创新的驱动力；Fk→为知识和技术流对创新的驱动力。

（四）城市创新系统的适应性模型构建

从系统功能的角度看，城市创新系统通过五大创新主体：政府、高校、科研机构、企业和科技中介机构完成，整个系统通过正向反馈实现良性循环，系统的主要功能的实现如图3-11所示。

在城市创新政策、市场需求、风投资金和城市创新积累的作用下，不断刺激城市创新系统中的五大创新主体，包括：政府、科技中介机构、高校、企业、科研机构进行创新活动，政府和科技中介机构并不产生有形的创新产出，政府通过政策支持、减免税收和评估技术等功能支持三大实际创新主体进行创新生产，科技中介机构对城市创新系统内的资源进行协调分配。五大创新主体的活动促进了城市创新系统的建设，二者之间不断进行反馈。创新效益和城市创新能力是城市创新系统建设水平的两大表现。城市创新系统中的创新主体运行效果越好，城市创新系统的运行越好，反之则较差。

1．政府引领创新型城市建设

在创新型城市建设中，国家要为创新型城市的建设提供宏观政策上的指引，并根据地方优势产业与技术水平制定正确的城市发展规划。地方政府在执行层面上根据当地的实际情况，结合国家推行创新型城市建设的总方案，通过制定详细的规划，细化和落实创新型城市建设的任务。在资金投入上，政府通过财政资金的杠杆作用引导城市创新活动的开展，政府着力改善创新型城市建设中的薄弱环节。

在创新型城市建设中，政府协调各部门实现科技创新、产业创新、精神文化创新和制度创新。政府通过推动产业科技水平的进步和产业结构的优化，形成创新型城市建设的核心；通过创新文化的塑造为城市发展提供精神保障；通过制度创新塑造创新型城市发展模式的关键外部条件。在这个过程中，政府主要起到了领导、协调和利益整合的作用。政府通过整合区域内优势资源，协调产学研以及各个创新目标之间的关系，从而形成城市经济增长极，通过极化效应带动城市多个产业的联动发展。此外，政府还担当着促进产学研合作、促进大学和科研院所科技成果的转化，牵头紧密联系城市范围内各创新主体之间合作的作用。

2．城市创新系统能响应驱动力的牵引

城市创新政策、市场需求、风投资金和城市创新积累四大要素是促进创新型城市发展的驱动力。由国家以及当地政府公布的创新政策指引了城市发展方向，政策为创新型城市的塑造提供了制度保障，创新政策是创新系统存在的重要环境。市场需求为创新活动提供了主要的方向，同时也避免了政府对创新活动的过度干预。而私人资本组成的风投资金为创新活动提供了直接的经济刺激，保障了市场对创新活动需求的供给。现有的创新积累是促进创新活动产生的根基，正是基于现有的创新积累，市场产生了新的创新需求，并在此基础上产生新的知识和产品，没有创新积累，城市创新系统就是无源之水。

3．城市创新系统内部存在反馈作用

城市创新系统与系统内部主体之间存在相互制约、相互影响的关系。在创新型城市的系统内部，各创新主体之间的创新资源流动回转形成了基本的反馈作用。在创新型城市建设的初期阶段，政府对创新资源的统一分配作用较为明显，政府、企业、高校、科研机构、科技中介机构之间的交互作用以及资源的流动形成了城市创新系统，创新主体不断调整着城市创新系统的目标，在创新型城市建设的不同阶段，城市创新系统不断为创新主体进行资源配置。