美國國家實驗室科研特征的情報計量學分析

成 波，梅 濤，王柏弟，丁 宇，田 李

(鵬城實驗室，廣東深圳 518055)

美國的國家實驗室是在不同歷史時期滿足國家重大戰略需求，維護國家安全、完成重大科技任務中形成的實現國家使命的戰略科技力量，至今在美國國家創新系統中具有重要地位和影響。根據美國科學基金會（NSF）公布的2017—2018 財年聯邦研究和開發資助調查數據［1］，2017 年美國聯邦資助的研究和開發中心（federally funded research and development center,FFRDC）（共42 個國家實驗室或研究中心）基礎研究、應用研究和實驗開發的研發經費量占全美聯邦研發經費開支的比例分別為15%、10.8%和5.5%，顯示美國國家實驗室是美國科技創新中的重要基礎力量。中國的國家實驗室建設尚處于起步階段，對于國家實驗室的建設和管理還缺乏認識，有必要參考發達國家的成功經驗。目前關于國家實驗室研究的文獻集中于以定性方法選取案例對國家實驗室的體系、地位、模式、運行管理機制和評估等理論概念問題進行分析和總結［2-14］，還缺乏對于歐美等國國家實驗室科研特征的系統、客觀、定量化的基于實證數據資料的分析和揭示。

本文選取美國聯邦資助的研究和開發中心(FFRDC)及能源部所屬的19 個典型國家實驗室，利用情報計量學的工具和方法，通過實證方法系統揭示美國典型國家實驗室的科研特征，對于我國國家實驗室建設尤其是探索新型運行機制和管理體制、提高科研管理效率具有重要意義。

1 研究對象與數據來源

本文以美國能源部下屬17 家國家實驗室、美國國防部下屬1 家國家實驗室和美國航空航天局（NASA）下屬1 家國家實驗室為研究對象。從國家實驗室戰略使命、職能定位、經費規模、運營管理機制等屬性上看，這些國家實驗室在美國的國家實驗室體系中具有典型性［15］。19 家國家實驗室名單及其主管部門和運營管理機構見表1。

表1 19 家國家實驗室名單

本研究以19 家國家實驗室發表的論文為主要數據，此外收集和分析了美國能源部發布的《美國能源部國家實驗室年度報告》、美國自然科學基金會發布的聯邦資助的研究開發中心研究與開發調查及美國能源部科學辦公室發布的科學設施用戶統計數據等中的相關數據。主要數據來源于Clarivate Analytics 的Web of Science（WOS）核心合集數據庫。數據檢索分別以19 家國家實驗室在WOS 的索引機構名稱（OG 機構擴展字段）為入口，數據檢索和獲取時間為2020 年4 月，檢索時間范圍限定為從2009年至2019 年。檢索文獻語種為英語，文獻類型為期刊論文（article)。對檢索到的數據，以制表符分隔和純文本兩種格式下載全記錄。本研究主要采取統計學中統計分析方法和工具對下載論文數據的文獻情報計量特征進行定量的分析和描述。

2 數據分析

2.1 發表論文數量

美國能源部、國防部、航空航天局19 家國家實驗室2009—2019 年總共發表論文182 843 篇（見表2）。圖1 是美國能源部、國防部、航空航天局19家國家實驗室2009—2019 歷年發表論文數據和趨勢圖。從圖1 看，能源部、國防部、航空航天局19 家國家實驗室近年來發表論文數量基本持平，略有增長，表明這些實驗室已進入穩定運行狀態。

圖1 美國19 家國家實驗室歷年發表論文數據趨勢圖

表2 2009—2019 年美國19 家國家實驗室發表論文數據

2.2 美國典型國家實驗室論文作者類型分析

通信作者(Corresponding author)能夠體現研究人員在科研中的組織和領導作用，承擔通信作者的論文數量可以反映研究機構在科研組織和領導上的影響力。第一作者（first author）反應研究機構在研究實施和產出原始創新研究結果方面的條件能力。雙聘作者（Joint faculty）指論文署名的研究人員同時具有兩個或以上作者所屬機構的研究者，反映出科研機構在凝聚各領域優勢力量、與其他研究機構進行協同創新的能力。

表3 是美國能源部、航空航天局、國防部19 家國家實驗室2009—2019 年發表論文的通信作者、第一作者和雙聘作者情況。19 家實驗室通信作者論文平均占比為37.6%，第一作者論文平均占比為33.5%，雙聘作者論文平均占比42.4%，雙聘人員在國家實驗室作者總數中所占比例較為突出。

表3 2009—2019 年美國能源部實驗室作者情況分析

表3（續）

結合各國家實驗室2016 年論文數量和科研人員數量情況，可以發現各國家實驗室論文數量與人員總量無明顯相關（2016 年論文數量與人員總數相關系數值為0.57），與全職人員數量也未呈現明顯相關（2016 年論文數量與全職人員人數相關系數值為0.42），而論文數量與流動人員數量具有較高正相關（2016 年論文數量與流動人員總數相關系數值為0.79）（見表4）。進一步分析全職人員情況，2016 年各實驗室論文數量/全職人員數量比為0.4，全職人員2016 年人均發表論文不足1 篇，論文并非國家實驗室全職科研人員產出科研成果的重要形式。通過分析流動人員情況發現，各實驗室論文數量與兼聘、博士后、研究生和訪問科學家各類聘任形式的流動科研人員數量均存在較高正相關（2016 年論文數量與兼聘、博士后、研究生和訪問科學家人數相關系數值分別為0.82、0.96、0.85、0.66），其中論文數量與博士后數量尤其存在明顯相關，相關系數值達0.96，表明流動人員特別是博士后是國家實驗室產出科研論文成果的重要科研力量（見表5）。

表4 2016 年美國19 家國家實驗室發表論文數與人員數量情況

表5 2016 年美國19 家國家實驗室發表論文數與流動科研人員數量情況

綜合上述分析，美國國家實驗室非常注重以靈活多樣的人才聘用形式（如雙聘、博士后）吸引相關領域的優勢科研人員，進行協同創新研究，產出研究成果。

2.3 美國典型國家實驗室科研資助機構分析

國家對科研的資助情況充分體現國家的戰略規劃，是支持學術研究保障國家利益，提高國家實力的重要體現。表6 是根據美國能源部、國防部、航空航天局19 家國家實驗室發表論文注明的基金資助機構信息統計出的各實驗室論文資助情況。由表知，各國家實驗室發表論文中注明由主管部門資助的論文比例平均為76.5%，注明由NSF 資助的論文比例平均為25.6%，國防相關部門資助論文比例平均為15.8%。這一結果表明各國家實驗室論文以主管部門為主要資助來源，此外美國自然科學基金會和國防相關部門是其重要資助機構。

表6 2009—2019 年美國典型國家實驗室發表論文資助機構分析

表7 是2017 年美國能源部、國防部和航空航天局所屬國家實驗室由聯邦政府部門資助的研發經費用于基礎研究、應用研究和試驗開發的支出經費數量及其所占比例，以及來源于3 個國防相關部門資助的研發經費。結合2017 年和2018 年兩年各實驗室所發表論文數量分析發現，各國家實驗室發表論文數與基礎研究經費支出具有較高正相關（論文數與經費數相關系數值為0.76），而與應用研究和試驗開發經費支出沒有明顯相關（論文數與應用研究、試驗開發經費支出數相關系數值分別為0.25、0.08）。表明典型國家實驗室投入的基礎研究經費產出較高數量的科研論文成果，而發表論文并非投入到應用研究和試驗開發的科研經費產出成果的主要形式。同時國家實驗室有一定比例經費資助來源于國防相關的聯邦政府部門，這部分經費占總經費的比例平均為17.1%。此外根據美國自然科學基金2017 年FFRDC 研發經費統計數據，42 個聯邦政府資助的研發中心（包括本文19 個國家實驗室）接受來自DoD、NHS 和NASA3 個國防相關部門的經費占其2017 總研發經費的比列達到37.1%，表明美國國家實驗室有較高比例的研發經費來源于國防相關部門的資助。

表7 2017 年美國典型國家實驗室研發經費支出類型

表7（續）

2.4 美國典型國家實驗室的合作研究

在經濟全球化浪潮的推動下,科技資源在全球范圍內流動和配置,國際合作已成為推動科技創新的重要途徑和手段。本部分主要從合作機構、國家和地區來分析。

2.4.1 合作機構分析

表8 是根據2009—2019 年發表論文統計的19家國家實驗室匯總的重要合作機構中的前25 位。由表知，美國國家實驗室的重要合作機構主要是美國的高校以及其他國家的國立科研機構，如法國國家科學研究中心、亥姆霍茲聯合會、中國科學院等。

表8 美國19 家國家實驗室重要合作機構（前25 位）

表9 是19 家國家實驗室2009—2019 年所發表論文中單篇論文的合作機構數量分布情況。美國國家實驗室發表論文合作非常廣泛，19 家實驗室單篇論文合作機構數的平均最大值達到222家科研機構，單篇論文合作機構數的平均均值為9 家科研機構，反映出美國國家實驗室科研具有開放性的特征。此外由表知19 家國家實驗室平均每篇論文來自美國國內合作機構占比的平均均值為40.5%，表明平均每篇論文有約60%的合作機構來自美國國外，顯示出美國典型國家實驗室的科研合作具有明顯的國際化特征。

表9 美國19 家實驗室單篇論文合作機構數量分布

2.4.2 合作國家和地區

本文根據論文作者所屬機構及其地址信息中的國家標識統計了美國能源部、航空航天局、國防部19 家國家實驗室與世界主要國家和地區進行科研合作的情況。表10 是按照合作發表論文數排序的19家國家實驗室科研合作前30 位國家和地區。由表知美國國家實驗室合作的國家主要為美國、德國、中國等國家，以歐洲國家最為密集。

表10 美國19 家國家實驗室科研合作國家和地區前30 位

2.5 科學設施與裝置的服務與利用情況

大科學裝置是國家實驗室的重要特征。本文從論文基金資助信息來分析美國國家實驗室的大科學裝置與設施利用情況。Web of Science 核心合集數據庫標引了論文的基金資助信息字段（FT）。FT 字段包含由論文作者提供的詳細致謝信息，其中研究實施過程中所利用的科學設施和裝置是致謝信息中的重要內容。一段典型的致謝信息如：

National Institutes of Health Grants R01GM037355 and S10OD018007 to TJB funded this research.This work is based upon research conducted at the Northeastern Collaborative Access Team beamlines,which are funded by National Institutes of Health grant P41GM103403.This research used resources of the Advanced Photon Source,a U.S.Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility operated for the DOE Office of Science by Argonne National Laboratory under Contract No.DE-AC0206CH11357.The funders had no role in study design,data collection and analysis,decision to publish,or preparation of the manuscript.

Chehayeb,Rachel Jaber;Stiegler,Amy L.;Boggon,Titus J..Crystal structures of p120RasGAP N-terminal SH2 domain in its apo form and in complex with a p190RhoGAP phosphotyrosinepeptide.PLOS ONE,2019,14(12).

本文在Web of Science 核心合集數據庫檢索了2009—2019 年美國能源部、航空航天局、國防部19 家國家實驗室在FT 字段出現的論文數。為了體現國家實驗室科學設施和裝置被外部用戶利用和致謝的情況，在檢索條件中排除了論文作者為本實驗室研究人員的論文。表11 是美國19 家國家實驗室2009—2019 年被致謝論文數量情況。表中同時列出了各國家實驗室大科學設施數量及2016、2017 年設施的用戶數量。圖2 是19 家國家實驗室2009—2019 年歷年被致謝論文數量增長趨勢情況。

圖2 2009—2019 年19 家國家實驗室歷年致謝論文數量趨勢圖

表11 2009—2019 年19 家國家實驗室被致謝論文數量及用戶情況

結合致謝論文數量、大科學設施數量及其用戶數量，Argonne National Laboratory、Brookhaven National Laboratory、Lawrence Berkeley National Laboratory 三家實驗室的科學設施服務與利用率相對較高，其致謝論文數/大科學設施數比均排前三位，相應的2016 年、2017 年用戶數/大科學設施數比亦較高，反映出這些國家實驗室的科學設施開放共享利用程度高，服務于外部用戶的能力強，影響較大。此外，19 家國家實驗室2016 年、2017 年致謝論文數量與當年設施用戶數量具有一定程度的正相關，相關系數值為0.63，表明這些國家實驗室的大科學設施為外部用戶取得新的科學發現和研究成果提供了重要的設施條件，具有重要的意義。

Argonne National Laboratory、Jet Propulsion Laboratory 兩家國家實驗室歷年致謝論文數量呈明顯增長趨勢，反映出這幾家實驗室的科學設施服務于外部科研用戶的影響力持續加強。此外Lawrence Berkeley National Laboratory 和National Renewable Energy Laboratory 致謝論文數量呈明顯增長趨勢。Los Alamos National Laboratory、Oak Ridge National Laboratory、National Energy Technology Laboratory 幾家實驗室歷年致謝論文數量呈較緩慢增長趨勢，反映出這些實驗室科研設施的服務和影響能力在近年來呈緩慢發展趨勢。Brookhaven National Laboratory實驗室致謝論文數2009—2015 年間呈明顯增加趨勢，但2015 年之后呈明顯下降趨勢。其他實驗室致謝論文數量基本呈現穩定不變趨勢，反映出這些實驗室的科研設施服務和影響能力基本處于保持現狀的態勢。

2.6 美國典型國家實驗室論文質量分析

論文的質量是國家實驗室科研影響力的重要方面和標志之一。本文根據Clarivate Analytics 期刊引證報告（JCR）的期刊分區表（2018 版SCIE 部分）及在Nature 及Science 發表論文情況來衡量19 家國家實驗室發表論文的質量。JCR 期刊分區表是基于論文引用數據開發的學術評價工具，根據期刊的影響因子將期刊分為Q1、Q2、Q3、Q4 共4 個區，4個區期刊影響力依次遞減。圖3 是美國19 家國家實驗室2009—2019 年發表的論文按照其來源期刊統計的分區情況。表12 是19 家國家實驗室在Nature 和Science 發表論文情況。

在19 家國家實驗室2009—2019 年發表的全部論文中，具有有效來源期刊的論文有171 003 篇，其中被SCIE 收錄的論文有167 409 篇，占比97.9%，未被收錄的有3 594 篇，占比2.1%。在SCIE 收錄的論文中，Q1 區論文90 837 篇，占比，54.3%，Q2區論文48 539 篇，占比29.0%，Q3 區論文23 100 篇，占比13.8%，Q4 區論文4 933，占比2.9%。Q1 區和Q2 區論文共計占比83.3%1）。見圖3。

圖3 2009—2019 年美國19 家國家實驗室發表論文按照來源期刊統計的分區情況

2009—2019 年19 家國家實驗室發表的全部論文中，發表于Nature、Science 上的論文共1 478篇，占比0.81%。2009—2019 年19 家國家實驗室在Nature 和Science 發表的論文數分別占Nature 和Science 2009—2019 年發表論文總數（分別為9 194篇和8 392 篇）的7.1%和9.8%（見表12）。

表12 美國各國家實驗室在Nature、Science 發表論文情況

上述分析表明，美國典型國家實驗室注重發表高水平科研論文。

3 結論

本文從情報計量學的角度，通過系統性收集2009—2019 年美國19 家國家實驗室發表182 843 篇期刊論文的統計資料數據，分析發現了美國典型國家實驗室科研活動的一些重要特征，得出以下結論。

（1）國家實驗室是面向科技競爭代表國家水平的戰略科技力量，是以開展基礎研究、競爭前沿高技術研究和社會公益研究，積極承擔國家重大科研任務的國家級科研機構。論文絕對數量高，在一定程度上能夠體現國家的學術水平，是國家戰略科技力量的重要體現。從論文發展趨勢來看，19 家國家實驗室近10 年來發表論文數量基本持平，略有增長，實驗室發展穩定，是實力雄厚的傳統科研機構。

（2）美國典型國家實驗室擁有龐大且一流的科研團隊，科研人員的流動性較大，主要由固定人員和流動人員構成，與大學和科研機構共同聘用研究人員進行短期科研工作是人才共享主要模式，并以靈活多樣的方式（如兼聘、博士后、研究生和訪問科學家等聘任形式）吸引相關領域的優勢科研力量進行協同創新。

（3）美國國家實驗室是美國戰略科技力量的主要支撐，是美國保持國防科技長期領先優勢的重要支柱。美國在逐步成為世界頭號科技強國的過程中，國家實驗室發揮著統籌國家安全和發展需求重要角色。同時國家實驗室是整個聯邦政府的國家資源，彼此之間合作，共同利用實驗室的能力和設施來支持主管部門以外的聯邦機構的任務。美國典型國家實驗室科研論文以其主管部門為主要資助來源（平均比例為76.5%），此外美國自然科學基金會和國防相關部門是其重要資助機構（平均比例為25.6%和15.8%）。

（4）美國典型國家實驗室具有開放性的特征，有著廣泛的科技合作與資源共享網絡體系，重大科技活動各環節所需的要素,如人員、技術、項目、資金、設備等,需要國內外之間的相互協調與合作共同,才能實現高效、優勢互補。重要合作機構主要是美國的高校和其他國家的國立科研機構，廣泛聯系和聚集國內外優勢創新單元，通過建立區域聯合機構構建舉國范圍內的技術資源網絡體系，形成面對國家重大戰略需求的快速科研反應能力。19 家國家實驗室單篇論文的合作機構數平均為9 家科研機構，平均最大值為222 家科研機構。19 家國家實驗室平均每篇論文來自美國以外合作機構所占比例的平均值接近60%。

（5）美國部分典型國家實驗室擁有國際一流的大科學裝置并對外開放共享是其鮮明特征。依托這些科學設施，來維持國家實驗室的核心能力，同時也是實現國家戰略需求的大型跨學科項目研究的物質基礎，也是聚集國內外一流科研人才、發揮國家實驗室公益性社會職能的重要因素，也是促進原創性成果的重要載體。部分國家實驗室科學設施開放共享利用程度高，服務于外部科研用戶的影響力較大且呈上升趨勢（如Argonne National Laboratory、Brookhaven National Laboratory、Lawrence Berkeley National Laboratory）。此外，美國典型國家實驗室的大科學設施為外部科研用戶取得新的科學發現和研究成果提供了重要的設施條件，具有重要的價值，2016 年、2017 年典型國家實驗室致謝論文數量與當年設施用戶數量具有一定程度的正相關，相關系數值為0.63。

（6）美國典型國家實驗室注重大量的國家科研經費投入，采用靈活的科研人員聘用方式和開放性的合作機制，聚集了在該領域世界頂尖的科學家和思想活躍的研究人員，利用大科學裝置所提供的極限實驗條件，能夠碰撞出創新思想，產生前沿的科學發現和取得較多的原創性成果，發表出高質量的學術論文。19 家國家實驗室2009—2019 年發表的全部論文中，83.3%的論文發表在Clarivate Analytics期刊引證報告Q1 區和Q2 區期刊上，0.81%發表在Nature、Science 頂級刊物上，19 家國家實驗室2009—2019 年發表于Nature、Science 的論文數分別占Nature、Science 2009—2019 年間發表全部論文總數的7.1%和9.8%。

4 建議

本文從發表論文總量、資助機構、作者來源、國內外合作研究、科學設施與裝置的利用情況及論文影響力6 個方面分析了美國能源部、航空航天局（NASA）和國防部19 個典型國家實驗室的科研特征。分析得出的結論對我國國家實驗室建設可提供如下參考和建議：

（1）國家實驗室應構建健全靈活的人才聘用機制和人事管理體制，建立一流的高水平科研人才隊伍，配備合理的人才體系，并建立兼顧人員穩定和流動、開放的高效率的人才運用和激勵約束機制。目前我國的國家重點實驗室大多隸屬于高校或科研院所，采用事業單位編制體制，收入與激勵機制限制了一流科技人才的引入和運用，并且固定人員的比例較高，人才類型單一，人才體系不盡合理，人才運用機制不完善和效率不高。美國國家實驗室建立了靈活的用人機制和人才體系，我國國家實驗室在建設過程中可以參考其高效率的人力資源管理機制和體制。

（2）國家實驗室需要中央政府長期穩定的財政經費支持和投入。國家實驗室體現國家意志，承擔國家使命，在管理歸屬體系上隸屬中央。國家實驗室承擔的是基礎領域研究和重大科技攻關任務，需要長期持續性的穩定資金支持。目前我國的各類國家（重點）實驗室缺乏國家的穩定經費支持，主要靠橫向項目、國家基金資助項目等競爭性項目獲得科研經費，科研人員精力分散，研究課題得不到連續性經費保障，制約重大科學問題和關鍵工程技術的原創性突破。美國國家實驗室以聯邦政府主管部門為其主要經費來源，保障了其在重大科技基礎和前沿領域進行連貫性的研發投入，取得創新和突破。

（3）國家實驗室應發揮體制機制優勢，以重大科技任務組織和聚集全國優勢科研力量，開展集中式攻關，充分發揮人力、經費、設施設備的協同效應，加強合作研究，并且國家實驗室應積極承擔起組織和參與國際大科學計劃和工程任務的職責，廣泛開展國際合作。我國的國家（重點）實驗室存在學科單一、重復，缺乏有效協作、力量分散的問題，在國際合作上存在很大不足，資源利用效率低，在國際科技創新中的話語權不足。美國國家實驗室存在明顯的開放合作和國際化特點，保障了其在國家創新和國際科技合作中的重要地位。我國國家實驗室作為綜合性、平臺型國家戰略科技力量，應充分發揮協同創新的體制和機制優勢，在國內和國際合作中承擔核心角色。

（4）國家實驗室應建設高度開放共享利用的大科學設施，探索建立多樣的開放共享利用機制，最大化科學設施的建設效益，促進相應學科領域、工程技術和產業化應用的創新和發展。國家實驗室應以獨有的重大科學設施聚合科研人員力量，與國內外科研單位、企業和人員進行多種形式的合作研發。美國的國家實驗室大科學設施開放利用程度高，而且對科技創新產生了持續的影響力。我國國家（重點）實驗室和科研機構科學儀器與設施存在的利用率和共享水平不高、重復建設、閑置浪費、對科技創新的服務和支撐作用不夠等問題，在國家實驗室建設過程中應得到根本上的糾正。

（5）國家實驗室應在人員、經費上保持一定的體量規模，圍繞大型科學設施建設形成獨特的科學和工程核心能力，通過吸引一流的尖端科技人才，在國內和國際進行廣泛的合作研究，形成對國家戰略優勢、重大需求領域和尖端科學技術問題具有重要貢獻的科研產出成果。美國的國家實驗室在基礎研究領域和重大科學問題與關鍵技術創新中取得了舉世矚目的成果。我國國家實驗室建設應該以此為榜樣。

本文對美國典型國家實驗室的科研活動特征進行了基于實證數據的分析。本文所得出的結論存在以下限制：（1）本文只選取了19 家典型國家實驗室2009—2019 年發表的期刊論文數據進行分析,美國國家實驗室體系中的其他國家實驗室（如FFRDC中的其他實驗室）未作為本文的研究對象。（2）本文數據來源主要為web of science 收錄的期刊論文數據，對美國國家實驗室科研活動的描繪可進一步結合多種來源數據進行分析。（3）本文對美國典型國家實驗室科研特征的分析尚需結合相關理論背景和政策環境作進一步分析。

注釋：

1）產業界基礎研究、應用研究和實驗開發的研發經費量占比分別為8.1%、17.1%和59.1%，高校三類研究的研發經費量占比分別為47.6%、32.3% 和2.7%；2）Fermi National Accelerator Laboratory和Thomas Jefferson National Accelerator Facility 均只有一個大科學設施，其用戶數/大科學設施數比較高，而致謝論文數/大科學設施數比較低；3）作為參照，中國清華大學2009—2019 年發表的被SCIE 收錄的論文中，Q1 區和Q2 區論文所占比例為76.3% 。