數據驅動的大型科研儀器設備管理模式探索

范傳偉，付琴琴，郭朝維，朱曉東，單智偉

（西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049）

0 引言

大型儀器設備在當今科學研究中發揮著越來越重要的作用。近些年我國高校大型儀器設備投資購置迎來了快速增長，以金屬材料強度國家重點實驗室為例，2020年實驗室30萬元以上大儀器設備共計113臺，近10年投資購置金額年均增長率約20%，增長趨勢如圖1所示。隨著實驗室大型儀器設備臺數和單臺購置金額的不斷刷新，實驗室設備的運行管理［1-3］、技術人員的服務水平［4-6］、設備的利用率［7-10］、開放共享程度［11-13］和收費機制［14-15］都受到了前所未有的挑戰和關注。針對以上問題，金屬材料強度國家重點實驗室多年來進行了持續探索和實踐，實驗室始終以一線用戶需求為中心，通過管理制度的合理設計和與之相匹配的設備預約管理系統的自主研發應用，初步實現了實驗室7×24 h高效運轉。

圖1 金屬材料強度國家重點實驗室30萬元以上儀器設備購置趨勢

1 大型儀器設備可持續運行管理機制

1.1 設備使用分級培訓制度

實驗室對重點儀器設備使用實行分級培訓，設備管理員根據用戶需求和設備實際情況制定分級培訓標準，確定各級別培訓項目，表1展示了日立H-9500環境透射電鏡分級培訓項目。新用戶經過申請、理論考查、上機培訓等標準流程，在綜合考核合格后，由管理員頒發初級操作證書，并分配相應設備預約及使用權限。用戶積累足夠操作經驗后可申請更高級別培訓，直至擁有獨立操作設備的權限。此外，當用戶長期不操作設備，達到一定天數后自動取消設備預約及操作權限，重新考核通過后方可上機。

表1 日立H-9500環境透射電鏡分級培訓項目

分級培訓為用戶和設備管理員都帶來了諸多益處。

（1）用戶。①通過培訓獲得了親自操作設備的資格，鍛煉了操作設備的能力，有利于深入開展課題和實現創新型的實驗設計；②實驗計劃和時間安排都更加自主，通過高級培訓考核，獲得獨立操作設備資格的用戶可以自由預約晚上和節假日機時，大大提高了實驗時間的靈活性；③高級用戶將有資格被聘為設備協助管理員，在幫助實驗室高效運轉的同時，可以獲取一定報酬并得到進一步的管理鍛煉。

（2）設備管理員。①工作重心由為用戶代做實驗變為用戶培訓，大幅減少了低水平重復勞動，可將更多的精力用于設備開發升級和自我能力提升；②用戶經過高級培訓和授權后有能力和資格獨立操作設備，即使管理員在下班、休假和出差時設備也能提供正常服務，有效增加了設備的使用效率。

1.2 技術人員年假和輪崗制度

高校實行的寒暑假制度對研究型大學越來越顯示出它的弊端。如設備通常會和管理員一起“休假”，導致大量可用機時被浪費。金屬材料強度國家重點實驗室從幾年前就開始嘗試將部分技術人員的休假由原先的寒暑假模式轉變為年假模式。每位技術人員年假基數為20 d，實際年假天數按照工齡累積，每增加1年工齡，年假時間增加1天，個人休假時間可在不影響正常的教學和科研工作的前提下自由安排。這樣既保證了實驗室在寒假期間的正常運轉，又使得技術人員的休假時間可避開假期期間旅游景點和公路交通的人流高峰期。

為配合年假制度，實驗室同時在技術人員中推廣輪崗制度，定期（2～3年）輪換技術人員的工作崗位，鼓勵技術人員一專多能。輪崗制度一方面拓寬了技術人員的工作范圍，提升了工作能力和業務素養；另一方面，在技術人員出差或休假期間，也能夠有其他同事能夠為設備提供不間斷服務。

年假制度和輪崗制度的設立有效提升了設備在各類假期中的機時利用率，為設備全年工作在飽和狀態下提供了制度和條件保障。

1.3 設立在線預約管理平臺

為了配合以上制度的高效執行，實驗室自主研發了基于互聯網的設備在線預約管理系統“易約”。

系統的設計在保證簡潔易用的基礎上，重點強化了用戶預約權限配置功能。設備管理員可根據實驗室復雜的現實情況靈活地為用戶分配預約權限，不同權限組的用戶對工作、下班和假期時間擁有不同的預約權限，同時每個權限組的單次最小預約時間、單次最大預約時間和周期內最長預約時間均可靈活配置。系統權限組功能和用戶分級培訓制度的有機結合，能夠最大限度地實現用戶預約的高效、公平和靈活性。此外，系統提供了詳細的機時統計和報表導出功能。通過上述功能的開發和應用，在規范預約流程的同時將設備管理員從煩瑣的事務性工作中解放出來。

2 設備運行數據分析與應用探索

在設備預約管理平臺長期運行過程中，系統積累了寶貴的運行數據，對這些數據分析挖掘，可快速獲取實驗室各方面的準確運行信息，進而將實驗室管理決策方式從以往的經驗主導模式轉變為數據驅動模式。

2.1 設備機時分析

圖2展示了聚焦離子束設備2015～2018年間設備預約趨勢。由歷年的運行曲線可見，每年2月份由于春節假期預約機時會達到最低值，此時是設備最空閑的時期，3月后預約機時將快速到達每月400 h左右的平臺期，而每年12月通常會迎來機時預約的最高峰，2018年12月當月預約機時高達526 h，設備日均工作17 h，處于高負荷運轉狀態。

圖2 聚焦離子束設備2015～2018年預約機時趨勢

設備管理員可以通過上述周期性的機時預約曲線合理預測設備繁忙程度，據此安排設備保養計劃和個人休假計劃。實驗室管理者也可以通過曲線的異常變化獲知設備出現的異常狀況。如圖2中預約曲線在2017年10月出現異常下降，查詢設備維修保養記錄可知，該月份設備樣品臺發生故障持續了1周時間，導致實驗暫停，加之當月有1周國慶假期，該設備預約機時較往年同期明顯偏低。

圖3展示了聚焦離子束設備2018年6月按自然周統計的日均預約機時數，可見設備預約機時僅在周六出現了小幅下降，除周六外的其他時間設備當日預約機時均超過12 h。圖4展示的聚焦離子束設備全天各時段預約人次數據是基于2018年全年預約數據統計獲得，可見絕大部分用戶會在每日8：00-21：00使用設備，1年中有接近1／3的用戶會選擇在晚上22～23：00進行實驗，0：00點以后進行實驗的用戶極少。

圖3 聚焦離子束設備2018年6月日均預約機時

圖4 聚焦離子束設備全天預約時段分布

圖2～4分別在年、周和天的尺度上描繪了設備的詳細預約情況，由這些數據可以客觀地獲得設備使用的閑忙規律，為進一步利用空閑機時，分流使用高峰提供了可靠依據。實驗室甚至可以在此基礎上嘗試對設備機時進行浮動定價，對夜間和假期等典型空閑時段的機時費用給予一定折扣，利用價格因素調控供需關系，進一步提升設備的使用效率。

2.2 用戶使用分析

圖5展示了聚焦離子束設備2018年度用戶預約機時排行。團隊負責人對團隊成員的工作量通常只能進行定性評價，當獲得團隊成員在各臺設備上的準確使用數據后，結合團隊成員的科研產出，便能為衡量每位成員的投入產出比提供一種量化的指標，為團隊負責人更高效地指導團隊成員開展科研活動提供參考。

圖5 聚焦離子束設備2018年度用戶預約機時排行

2.3 設備橫向對比

圖6展示了實驗室多臺大型設備2018年度機時預約占比，通過對各臺設備運行機時的橫向對比，一方面能夠為確定后續實驗室重點支持方向提供參考，另一方面能夠客觀衡量各臺設備管理員工作量，合理分配工作任務。

圖6 實驗室大型儀器設備2018年度預約機時占比

3 結語

大型儀器設備運行管理是一項系統性工作，各項管理制度的制定和管理系統的應用需要相互配合，環環相扣。本文介紹的分級培訓制度、年假制度、輪崗制度和預約管理系統的應用為大型儀器設備的高效率運行提供了制度保障和平臺保障。隨著實驗室信息化管理系統的普及，系統長期運行所積累的運行數據是一項寶貴的財富，對這些數據的充分挖掘利用，能夠幫助實驗室的管理決策由以往的經驗主導模式過渡到更加科學高效的數據驅動模式。

·名人名言·

自己動手，自己動腳，用自己的眼睛觀察這是我們實驗工作的最高原則。

——巴甫洛夫