從國家實驗室的核心能力構成看美國科研的頂層布局

李 昊 徐 源

作為國家科研體系中的“定海神針”，美國國家實驗室與高校、工業界構成了其科研體系的三大支柱。國家實驗室在穩定性和前瞻性方面彌補了其他兩部分組成的先天不足，具有不可替代的地位，其核心能力構成體現出“長期穩定、局部微調”的特點。

能源部國家實驗室的核心能力

美國能源部（DOE）國家實驗室即通常所說的美國“國家實驗室”，屬于美國頂級的科研機構系統，在一定程度代表了美國在科學和能源領域科研實力的最高水平和發展趨勢。能源部國家實驗室共有17個，其中13個以科學研究為主要任務，由能源部科學局直接或間接管理。

每年，能源部科學局都要對其所制定的《科學和能源國家實驗室十年規劃》進行調整，根據年度統計的數據和分析結果，形成核心能力指標體系，并由能源部主管科研的次部長上報聯邦政府。能源部科學局對國家實驗室所應具備核心能力體系組成進行甄別的標準，多年以來從未改變，主要有三個方面：以實驗室為核心，匯聚大量科研基礎設施、高水平科研團隊和先進儀器設備；具有獨一無二或世界頂級的構成部分（成果、科學家、數據信息等）；與能源部、國家核安全管理局和國土安全部等聯邦政府機構所承擔的國家使命密切相關。

基于上述標準，能源部科學局甄別出國家實驗室的核心能力。2015年以前，核心能力指標共有17項，覆蓋基礎科學、能源和有關應用領域。2016年科學局對核心能力作了進一步梳理，新增7項，形成由24項能力構成的國家實驗室核心能力指標集并沿用至今。這24項核心能力具體如下：

加速器科學與技術開展離子束物理學領域的試驗、計算與理論研究，以及開發在加速器和存儲環路中對離子束進行加速、特征描述與操控的技術的能力。

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室

核心能力體系在各個國家實驗室中的分布情況（標紅色的“ ”表示2018年新增，標紅色的“×”表示該實驗室的此項核心能力在2018年被去除。）

先進計算機科學、可視化和數據在計算機科學與工程領域所有應用的發展中被廣泛認可的能力。在這些領域中的核心能力將包含諸多領域內的實踐，如：程序設計語言，高性能計算工具，千兆級或千兆兆級的科研數據管理與可視化演示，分布式計算平臺，新的計算機體系結構的程序模型，以及提升代碼性能的自動調試功能，等等。在這些領域的一個或多個中具有獨一無二或世界領先的地位。

應用材料科學與工程通過開展理論、試驗和計算研究，實現對各種材料的理解與特性分析，以支持設計、合成、配比，以及對組織性能關系的預測和測量，分析在材料性能控制中缺陷的影響，通過研究材料在惡劣環境中的性能以確定材料的性能與長期環境穩定性，對具有特殊性能新材料大規模生產技術的研發，等等。

應用數學支持開展數學領域基礎研究的能力，通過開發數學模型，計算方法和分析技術，支持能源、環境和安全領域國家層次問題的科學與工程方面的解決，通常依靠高性能計算平臺的支持來實現。

生物學與生物過程工程應用復雜生物系統和現象的研究成果支持對生物學相關領域中基礎成分、技術和系統的設計、原型開發、測試與驗證，相關領域包括：生物能源產品，環境污染應對，全球碳循環與生物循環，等等。

生物系統科學該能力針對復雜生物系統研究中的關鍵科學問題，通過對國家實驗室所專有的研究設施、儀器設備國家級的超算系統，以及在生物系統及相關研究領域的高水平專業人員的集成，推動DOE在能源、氣候和環境領域的國家層次的科研進展。

化學工程該能力支持開展化學領域的應用研究，覆蓋從分子級別到宏觀級別的多重空間譜系、從皮秒到年的多重時間譜系。化學工程將科學發現轉化為可供應用的成果，以推動能源系統和美國在環境、安全和國家實力相關方面的進步。

化學與分子科學該能力通過開展試驗、理論和計算研究，在分子系統層面分析化學變化和能量流動的基本原理，為能源的生產、存儲和應用的新方法和工藝的研發提供基礎，并支持研究能源應用造成環境破壞的緩解途徑研究。

氣候變化科學與大氣科學該能力應用對大氣、海洋、陸地、生態環境、水文和冰凍圈變化規律的研究成果，與對人類活動和人類排放物的研究成果相結合，來分析和預測天氣變化和氣象條件的不同模式，并為軍事和民用應用提供服務。

計算科學該能力實現應用數學計算機科學與其他科研學科（如，生物學、化學、材料學、物理學等）的連接。該領域的核心能力包含在應用數學、計算機科學和其他科研學科領域的專業經驗，通過一種被證明是有效且高效的模式，利用高性能計算資源來得到其他學科領域重要的科研和工程成果，以滿足DOE和其他聯邦政府部門在國家層次的需求。

凝聚態材料物理學與材料科學該能力通過開展試驗、理論和計算研究來獲得凝聚態材料物理學與材料科學的基礎研究成果，為開發新材料提供基礎，以提升能源生產、轉化、運輸和應用中的效率、經濟性、環境方面的可接受性和安全性。

賽博與信息科學（2016年新增，下簡寫為“新增”）構建用于保護、分析和傳播來自由計算機系統、計算機網絡和傳感器網絡所構成電子資源信息的學科、技術和實踐。這一領域的能力將包含在以下一個或多個領域中被認可的實踐經驗：賽博安全、情報安全、情報分析、知識描述、信息論、控制系統設計與工程、嵌入式系統、逆向工程，以及高級破解技術。

決策科學與分析（新增）從觀測的數據和構建的數學模型的集合中推導知識和信息，以提升對來自不同資源和技術選擇之中的理解和權衡，辨識和量化分析在環境系統中當前和不斷涌現新技術的風險和影響，并評估市場變化，人類的行為與法規、政策，及研究機構的實踐對技術的開發和應用所造成的影響。

地球系統科學與工程（新增）通過研究環境和生態系統及其變化過程和相互關聯關系，以實現對過去、當前和未來能源的生產、運輸、分配和應用對地下、大陸、沿海與海洋環境所造成影響的預測、評估與緩和。

環境地表科學通過從物理學、化學和生物學角度對地下環境的結構和功能的分析和預測，實現系統層次的環境預測和決策支持，以解決地下資源可承受開發問題，過去將地下作為核武器生產、存儲和試驗所造成的環境問題，以及利用地下處理核廢料的長期安全性問題等。

美國陸軍研究實驗室的材料科學家正在使用3D成像原子探針技術分析原子級的金屬和陶瓷樣品

大規模用戶設施/先進設備構想、設計、研發和運營具有引領先進研究設施的能力，以支持高校、工業界和國家實驗室的乙方開展具有突破性的研究與開發活動，或支持對技術成果的“最權威的”測試和演示。

機械設計與工程（新增）應用物理學、機械學和化學的基礎，實現對先進工程系統、機械和工具的分析、設計、測試、校驗，并支持其運行。

核工程（新增）通過使用各類設施、儀器、設備，并組建多學科團隊，應用核工程、機械工程、核反應堆物理學、測量學和風險評估領域的知識、數據、方法和技術，完成DOE和國土安全部所負責的國家級任務。

核物理學通過開放式試驗和理論分析，提供對物質和能源本質的新認識，并更新現有知識。

核與放射物化學（新增）通過使用各類設施、儀器、設備，并組建多學科團隊，應用核化學、機械工程、化學工程的知識、數據、方法和技術，完成DOE和國土安全部所負責的國家級任務。

粒子物理學通過進行開放式試驗和理論分析，提供對物質和能源的本質以及空間和時間本身的基本屬性的新認識，并更新現有知識。

等離子體與聚變能科學開展具有世界領先的等離子體研究，覆蓋從低溫到高溫/高壓等離子體的全部范圍。

能源系統與電機工程（新增）應用對電磁現象的研究成果，實現對電路、電氣和電子設備和儀器、傳感器、測量儀器和控制系統的設計與制造，以解決電能傳輸和分配系統的效率和可靠性問題，并支持對結構和負載不斷發生復雜變化的輸電網絡的接口設計。

美國橡樹嶺國家實驗室的電子顯微鏡

系統工程與集成通過多學科交叉融合，解決從概念和方案階段到最終交付和完成階段全壽命周期內各種問題的能力，并獲得和應用最優方案/最優解。

能源部國家實驗室在核心能力方面保持高度穩定，3～5年內幾乎不發生變化；核心能力在各個國家實驗室之中并不呈非常均勻的分布，最少的艾姆斯實驗室僅占其中的3項，而橡樹嶺國家實驗室幾乎擁有全部核心能力，充分體現出實驗室的個性差異。

國防部國家實驗室的核心能力

美國國防部是美國科研經費最大的資助來源之一，其主持設立或實施頂層監管的國家實驗室大體包括兩類：一是由各軍兵種設立在軍隊內部的國家實驗室，國防部下屬的陸軍部、海軍部和空軍部分別建立了陸軍研究實驗室、海軍研究實驗室和空軍研究實驗室；二是由國防部發起、資助或與高校聯合建立的國家實驗室，具體包括聯邦政府資助的研究與發展中心（FFRDC，Federally Funded Research and Development Center）和大學附屬研究中心（UARC，University Affiliated Research Center）。由于后者在美國其他聯邦政府部門中也有相同情況（如FFRDC的政府發起部門還包括：能源部、國家航空航天局、衛生與公共服務部、國土安全部等），因此這里僅分析前者，并以陸軍研究實驗室（ARL，Army Research Laboratory）為代表。

ARL是以美國陸軍為法人的研究型實驗室，總部設在馬里蘭州德爾菲市的阿德爾菲實驗室中心。ARL最大的獨立實驗區域位于馬里蘭州的阿伯丁試驗場，其他的主要實驗區域包括：位于北卡羅來納州的三角研究園區，位于新墨西哥州和佛羅里達州奧蘭多市的白沙導彈試驗場，以及與NASA共同運營的位于俄亥俄州的格倫研究中心和位于弗吉尼亞州的蘭利研究中心。除了陸軍研究辦公室外，ARL下設6個研究室，分別是：計算與信息科學研究室、人體研究與工程研究室、傳感器與電子設備研究室、生存性和致命性分析研究室、交通工具技術研究室、武器與材料科學研究室。

為了實現對ARL的監管，并確保ARL的先進性，國防部委托美國國家科學、工程和醫學院所組建的陸軍研究實驗室技術評估委員會，每兩年對ARL進行一次評估。評估中，選擇ARL核心能力所依據的標準如下：在科研探索和技術進步方面都具有引領性；能夠為其他科研項目提供廣泛的支撐作用；實驗室的設施和設備是最先進的；能夠通過對研究計劃的精心設計，實現對理論、計算和試驗的綜合。

國防部國家實驗室的核心能力突出表現在對軍事應用的支撐方面，共性基礎能力保持穩定，先進的應用技術有小規模調整。核心能力在各研究室中分布也不均勻，SEDD即傳感器與電子設備研究室幾乎擁有全部核心能力。

啟 示

美國國家科研體系一個突出特點是沒有全國統一的科技管理專職部門，因此美國的科技發展呈現出一種看似“松散”和“隨意”的組織結構和發展趨勢。但也正是這種多元化的科研結構，支撐著美國贏得了以“熱對抗”為主要形式的二戰、以“冷對抗”為主要形式的冷戰，并在當前甚至未來很長時間內保持其科研和軍事方面的強大實力。究其原因，除了有關領域學者提出的諸多觀點外，本文認為，作為國家科研體系中引領者和重要支柱的國家實驗室，是美國科研發展均衡并保持強大實力的重要原因之一。除了能源部、國防部，美國的國家航空航天局、國家科學基金會、國立衛生研究院、國家標準和技術研究院、商務部、衛生與公共服務部、國土安全部，甚至民營企業，均建有國家實驗室或具有國家實驗室地位和作用的科研實體。具有以下不可替代的重要特征：

風景優美的勞倫斯伯克利國家實驗室

成規模美國國家實驗室作為其最頂層的科研機構，是對大量科研設施、人才團隊和先進儀器設備進行集成配置的綜合性平臺，其規模是其他類型科研機構無法比擬的，也是科研資源集中化程度最高的。美國聯邦政府財年計劃中，獲得研發經費最多的研究機構幾乎都是國家實驗室，此外還通過對科研資源整合的形式強化國家實驗室的能力和水平。

上檔次美國國家實驗室在核心能力方面具有排他性，要求在其構成中具有獨一無二的內容。以能源部國家實驗室為例，二戰以來涌現出了30多位諾貝爾獎獲得者，加上曾經受DOE國家實驗室雇用或得到國家實驗室在儀器設施、科研經費等方面支持的科學家，獲得諾貝爾獎的總計超過110人次。還產生了數百項國家級重要獎項。

目標明確美國國家實驗室的核心職能是服務于國家，特別是在能源、環境和國家安全相關的戰略必爭領域。這些領域包括重要基礎前沿研究、關系國家競爭力和國家安全的戰略性高技術研究、未來技術先導性研究、產業通用技術和共性技術研究、重大與關鍵科技創新平臺和基礎設施、顛覆性技術等等。

保持穩定美國國家實驗室在設立階段就充分考慮其長期穩定性，甚至極端到“非需長期穩定投入的領域不建”的程度，排除可由高校和工業界在短期內能夠解決的問題。因此其核心能力方面保持高度穩定，一般以3～5年為調整期，其研究領域和總體目標經常十余年甚至幾十年不變。

注重規劃幾乎每一類型的國家實驗室，在每年都要制定或調整其年度規劃，以與美國政府的財年規劃相配合，通過逐級上報最終匯總到國家實驗室所屬聯邦政府部門的財年規劃報告中。一般情況下，未列入財年規劃的經費支出和實驗室建設內容，是無法獲得來自聯邦政府經費支持的。

美國國家實驗室的上述特征，是美國半個多世紀以來在國家科研頂層布局的經驗所在，對我國在科研體系構建、基礎科研平臺建設、優先支持發展領域等方面，具有一定的借鑒和參考價值。