基于全壽命動態評價體系的大型儀器管理與實踐

朱瑞虎， 王啟明， 章家保， 陳加銀

（河海大學a.港口海岸與近海工程學院；b.理學院，南京 210098）

0 引 言

大型儀器設備是科研工作者探索未知世界的利器，是現代科學研究的重要基礎條件和戰略性科技資源，是高校教學科研的必備手段和重要物質條件。同時，大型儀器設備具有價格昂貴、科技含量高、專業性強、運行成本高等特點，各類大型儀器設備特別是通用型大型儀器設備依然處于供不應求的狀態，具有明顯的稀缺性。2015 年國務院下發關于國家重大科研基礎設施和大型科研儀器向社會開放的意見（國發〔2014〕70 號），意見要求推進高等學校科研基礎設施和科研儀器的全面開放、充分共享，提高科研設施與儀器使用、配置的效率和效益，強調需要建立科研設施與儀器開放評價體系，定期對其共享情況進行評價考核，并將評價結果作為科研設施購置、資產管理、財政資金補助的重要依據。因此，構建科學合理的大型儀器績效評價方法及評價模型具有重要的現實意義。

目前一些高校相關機構和管理人員逐步開始探索大型儀器管理使用評價方式。宋楠［1］等討論促進提升儀器的利用率方法，研討了實現資源優化配置的有效途徑。王迪等［2］以成都中醫藥大學西南特色中藥資源國家重點實驗室色譜質譜分析平臺為例，剖析大型儀器共享平臺在提升大型儀器的使用率提升。溫海虹［3］闡述建設大型儀器開放共享管理平臺的必要性和緊迫性，并提出改進和完善的措施和方法。佘欣［4］基于云南省三所高校的調研，圍繞云南省高校大型儀器設備的共享情況、制約因素和對策建議開展研究。何若淼［5］針對廣東省的經濟、科技發展優勢，設計大型儀器平臺構建原則及具體平臺架構。

現階段，大型儀器設備開放共享管理的研究主要著眼于機制創新、平臺構建與新技術應用，并從這些角度對儀器設備的開放共享提出革新建議，研究停留在經驗與解決方案的總結層面。評價方法存在指標片面、模式簡單、角度單一的問題。事實上，大型儀器具有明顯的專業性和生命周期性特征，不同設備的專業應用特征具有不同，同時生命周期中指標隨時間變化情況也不同。現有的評價未考慮多維度、動態評價方法，較少引入經濟學、管理學、社會學的基礎理論，缺乏系統性和理論研究深度，尚未完全形成一門系統的大型儀器設備開放共享管理科學體系，與開放成效、激勵效果和目標要求相距甚遠。

本文根據實踐中大型儀器使用和共享特點，基于全壽命周期曲線及其量化方法，構建動態多維全壽命量化評價數學模型，深入探討全壽命模型在大型儀器管理評價中的應用。該方法為促進開放大型儀器管理共享工作的良性發展提供更合理的評價流程。

1 大型儀器全壽命周期共享能力量化方法

就目前研究來說，大多數大型儀器共享評價體系遵循教育部印發的《高等學校貴重儀器設備年度效益評價表》（教高司條函〔2000〕010 號）［1，6-8］。通常對單個儀器而言主要考慮機時利用、人才培養、科研成果、服務收入、功能利用與開發進行評價，這5 個方面的比重為35∶20∶25∶15∶5。事實上，大型儀器與其他儀器一樣存在從“出生”到“報廢”的全生命周期，現根據大型儀器服役階段將其生命周期分為試用期、成長期、平穩期和衰退期4 個階段［9-10］，如圖1 所示，試用期指設備采購完成后安裝調試及嘗試試驗階段，這個階段更多是儀器管理人員學習及開始使用儀器階段，這一階段儀器還沒有真正發揮其價值；成長期是指儀器管理人員逐步熟練掌握儀器使用，能結合專業背景開展相關科研試驗的階段，在這一階段儀器開始逐步結合專業研究發揮價值；平穩期是指管理人員已經熟練掌握儀器的操作、維護，并根據專業需求設計試驗方案甚至可以對儀器進行改進或者功能開發，儀器在這一階段充分發揮其價值；衰退期是指儀器逐步進入服役后期，容易發生故障，在這一時期其服役能力出現衰退直至報廢。大型儀器在壽命周期各個階段的共享能力、特點以及評價方法不一樣，簡單地采取同樣的權重和評價體系對大型儀器評價易出現嚴重的偏差。一些學者提出了儀器全壽命管理理念，李艷紅等［8］基于數據庫技術，建立了資產全壽命周期、多維度管理系統，實現了信息的共享和管理的數字化。翟天任等［10］以壽命周期理論為基礎，探討高校貴重儀器設備在壽命周期各個階段的特點及相應的管理措施。楊正麗［11］從論證購置、建賬入庫到出庫使用、維護維修以及報廢處置等階段對儀器進行全壽命周期管理。杜婷［12］分析了儀器設備履歷管理的優點以及進一步深入實施儀器設備履歷管理的思考。但是目前全壽命模型主要采用類似于過程管理方法，對于儀器的評價均強調闡述和記錄，對于大型儀器共享的全壽命曲線量化分析及評價沒有構建一套行之有效、具體可用的量化評價方法。

圖1 大型儀器全壽命曲線

首先針對大型儀器共享能力W（t）壽命曲線進行建模，量化其隨時間變化的曲線形態，為后續動態全壽命評價模型奠定基礎。目前全壽命曲線主要有多項式曲線模型、龔伯茲曲線模型、皮爾曲線模型等量化方法。其中龔伯茲曲線模型、皮爾曲線模型多于用產品、流行病等問題中，需要一定的邊界條件等約束才能確定相應的準確曲線表達式［13］，多項式曲線模型具有參數靈活、統計分析方便、擬合精度較高等特點，更適用于一些多變的場景［14］，因此本研究考慮大型儀器曲線形態及易用性，采用多項式模型構建全壽命曲線量化表示。設試用期為0 ～t1時段，成長期為t1～t2時段，平穩階段為t2～t3時段，衰退階段為t3～t4時段，不同階段采用不同的多項式曲線擬合方法。

（1）試用期。設該階段從0 開始至t1結束，考慮到該階段器主要管理人員學習及開始使用儀器階段，因此設置W（t）=0：

（2）成長階段。設該階段從t1開始至t2結束，考慮到該曲線在t1為0，在t2達到極值，以及指標標準化，得到該階段采用共享能力W（t）多項式函數：

（3）平穩階段。設該階段從t2開始至t3結束，該階段共享能力設置為W（t）=1。

（4）衰退階段。設該階段從t3開始至t4結束，考慮到該曲線在t4為0，在t3達到極值，以及指標標準化，得到該階段采用共享能力多項式函數：

總之，大型儀器共享能力曲線W（t）具有表達式：

該函數在應用中僅僅需要相關領域專家分析時間點t1～t4，易于軟件系統開發和使用。

2 動態全壽命大型儀器管理評價模型

2.1 評價指標選擇及動態量化方法

近年來，多所高校根據自身特點建立了設備效益評價管理規定或方法，開展大型儀器設備績效考核，充分調動儀器設備開放共享的積極性，提高設備利用率［15］。本文依據教育部、科技部相關規定，結合我校設備效益評價管理規定相關內容［16］，選擇機時利用、服務收入、人才培養、科研成果、設備管理、功能開發作為評價指標。考慮到不同類型的大型儀器在其生命周期的各個階段的共享能力不同，采用時變指標量化方法對處于不同階段的大型儀器進行評價和分析。主要討論基于全壽命共享能力概念對諸多指標進行分別建立動態量化模型。設機時利用、服務收入、人才培養、科研成果、設備管理、功能開發這6 個方面量化指標分別為：Zi，i=1，2，…，6。量化原則兼顧3 方面：①教育部或科技部的相關評價要求；②消除量綱差異，采用規范化量化方法，以達到客觀評價的目的；③反映不同儀器生命周期中共享能力的變化，達到動態、科學評價的目的。建立統一動態量化公式為：

其中t為相對時刻，Ti（t）分別為機時利用、服務收入、人才培養、科研成果、設備管理、功能開發6 個方面非標準化統計數值，具體如表1 所示計算方法，其中T1（t）、T2（t）分數計算方法參考科技部及教育部規定，其他分數計算方法根據各單位大型儀器管理辦法進行賦分，表3 以河海大學大型儀器管理評價方法展示了T5（t）的賦分管理辦法，其他項不再一一展開列舉；TMi，i=1，2，…，6 分別為6 個方面的標準化因子，具體如表2 所示計算方法；W（t）大型儀器共享能力曲線，計算方法為公式（3）；c為共享開始與結束閾值，當共享能力W（t）小于閾值c 時，不予以共享評價，通常c=0。

表1 量化指標Ti（t）計算方法

表2 標準化因子TMi 計算方法

表3 河海大學設備管理評分辦法

2.2 多維綜合評價構建

大型儀器設備管理評價是受多因素綜合影響，由于各類大型儀器設備的使用性質、應用重點具有明顯的區別，故多維影響因素的權重需要根據儀器的不同而采用不同的設定。對于權重設定主要是有定性排序法［6］、模糊評價法［7］、層次分析法［16］等。其中層次分析法是一種科學的融合定性和定量分析的決策方法，通過比較兩兩因素之間的相對重要程度，構建判斷矩陣。通過對矩陣的運算，將人的思維過程和主觀判斷數字化，該方法廣泛應用于各類復雜系統權重的確定中［17］。層次分析法將各個因素某一推測的重要性進行兩兩比較，按同等重要、稍微重要、明顯重要、強烈重要、極端重要，相應的重要性標度分別為標識1、3、5、7、9，中間值標識2、4、6、8，構造兩兩比較的判斷矩陣，并依托特征值方法，最終得到各因素的權重。該方法不把所有因素放在一起比較，而是兩兩相互比較，對此時采用相對尺度，以盡可能減少性質不同因素相互比較的困難，以提高準確度。

本文基于層次分析法，通過專家問卷調查確定大型儀器在不同生命周期階段各因素的相對比較結果，構建隨時間變化的判定矩陣，體現不同生命周期階段因素重要性的改變，并由此構建隨時間（生命周期階段）不同的因素權重。設不同階段6 個方面的因素權重為ωi（t），i=1，2，…，6，其中t為時間參數。構建大型儀器管理綜合得分

V（t）最大值為1，最小值為0，分數越高，表明儀器的綜合管理水平越高。

2.3 多維指標管理評價流程

根據評價指標選擇及動態量化方法設計設備管理的綜合評價流程如圖2 所示。大型儀器管理評價首先采集大型儀器管理的數據，如服務機時、服務收入等，然后進行數據分類及結構化，最終根據儀器所處的時間周期確定各項數據的權重并建立動態評價模型進行該時期的多維動態評價，其中生命周期時期和權重根據專家問卷調查進行確定。在動態評價可根據不同時間變化進行更新進行不同時期的大型儀器管理評價。

圖2 大型儀器管理動態評價流程

3 大型儀器管理動態評價實例

以港口航道工程與海岸科學實驗中心的多普勒海流剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，簡稱ADCP）為例進行動態管理評價。該儀器生產廠家為美國RDI公司，單價53.88 萬元，主要用于現場動態近海或內河三維流速，航測水流斷面流量、近海水流量、河底深度剖面測量等。

3.1 全壽命曲線構建

該設備近期已退役，從購置到退役跨度16 年，儀器管理規范、記錄詳實，可作為設備全壽命管理的經典案例。根據實驗室專職教師使用情況和相關專家的意見，設備第1 年為試用期，第2 ～4 年為成長期，第5 ～14 年為平穩期，第14 ～16 年為衰退期，因此得到生命周期量化函數為：

由此得到曲線如圖3 所示，該圖形存在一個光滑上升（成長期）和光滑下降階段（衰退期），充分體現了相對共享能力隨時間變化的量化值。

圖3 ADCP設備共享能力量化曲線

3.2 各階段綜合權重的確定

考慮ADCP儀器不同階段中管理中機時利用、服務收入等各因素各有側重，為更好評價ADCP 的管理效益，通過專家問卷咨詢綜合得到層次分析法判斷矩陣，并通過矩陣計算不同階段的各因素權重，如表4 所示。可以看出，在試用期由于管理人員尚處于學習階段，設備不做管理評測；在成長階段和平穩期，人才培養和科研成果是管理測評的側重點，這符合高校教書育人和科學研究的職能定位；在衰退期，除側重人才培養和科研成果外，由于儀器老化，使用機時所占比重有所下降，而基于儀器所做的功能開發所占比重增加；設備管理的評價在各個階段均占10%以上，說明高校對設備管理的規范性和有效性一直比較重視。

表4 ADCP不同階段權重表

3.3 動態多維評價分析

在ADCP服役階段抽取典型5 個年度進行設備管理測評，統計機時利用、服務收入、人才培養、科研成果、設備管理、功能開發信息，并使用公式（4）和公式（5）計算相應得分，結果如表5 所示：

從表5 可以看出，構建的模型能夠較好地對于ADCP管理進行整體評價和分析，同時兼顧了多維度信息，避免只看一個因素的不合理。特別在成長期和衰退期存在機時少、收入少的現象，簡單加權評分不能真實評價大儀管理水平，如第2 年采用全壽命評價方法得到0.87 分，而簡單加權僅為0.71 分，得分相差22.5%；同樣，第15 年簡單加權與全壽命評價得分相差13.9%。這兩個時期顯然不能簡單觀察機時和收入評價其管理成效。可以看出全壽命動態評價較好地克服了簡單加權評價方法的不足，更加科學合理。

4 結 語

大型儀器的科學管理及評價可提升大型儀器開放共享水平和運行效率。根據實踐中大型儀器管理和共享特點，建立大型儀器服役全壽命周期曲線及其量化方法，構建動態多維全壽命量化評價數學模型，深入探討全壽命評價模型在大型儀器管理中的應用。該方法充分考慮不同生命周期階段中多維度、動態變化的大型儀器能力，避免簡單加權得分評價的片面性，為促進大型儀器管理及開放共享工作的良性發展提供了新的手段。