數(shù)據(jù)驅(qū)動的大型科研儀器設(shè)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(xué)金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049）

0 引言

大型儀器設(shè)備在當(dāng)今科學(xué)研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。近些年我國高校大型儀器設(shè)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(shè)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(shè)備臺數(shù)和單臺購置金額的不斷刷新，實驗室設(shè)備的運行管理［1-3］、技術(shù)人員的服務(wù)水平［4-6］、設(shè)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(zhàn)和關(guān)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(xù)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(shè)計和與之相匹配的設(shè)備預(yù)約管理系統(tǒng)的自主研發(fā)應(yīng)用，初步實現(xiàn)了實驗室7×24 h高效運轉(zhuǎn)。

圖1 金屬材料強度國家重點實驗室30萬元以上儀器設(shè)備購置趨勢

1 大型儀器設(shè)備可持續(xù)運行管理機制

1.1 設(shè)備使用分級培訓(xùn)制度

實驗室對重點儀器設(shè)備使用實行分級培訓(xùn)，設(shè)備管理員根據(jù)用戶需求和設(shè)備實際情況制定分級培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)，確定各級別培訓(xùn)項目，表1展示了日立H-9500環(huán)境透射電鏡分級培訓(xùn)項目。新用戶經(jīng)過申請、理論考查、上機培訓(xùn)等標(biāo)準(zhǔn)流程，在綜合考核合格后，由管理員頒發(fā)初級操作證書，并分配相應(yīng)設(shè)備預(yù)約及使用權(quán)限。用戶積累足夠操作經(jīng)驗后可申請更高級別培訓(xùn)，直至擁有獨立操作設(shè)備的權(quán)限。此外，當(dāng)用戶長期不操作設(shè)備，達到一定天數(shù)后自動取消設(shè)備預(yù)約及操作權(quán)限，重新考核通過后方可上機。

表1 日立H-9500環(huán)境透射電鏡分級培訓(xùn)項目

分級培訓(xùn)為用戶和設(shè)備管理員都帶來了諸多益處。

（1）用戶。①通過培訓(xùn)獲得了親自操作設(shè)備的資格，鍛煉了操作設(shè)備的能力，有利于深入開展課題和實現(xiàn)創(chuàng)新型的實驗設(shè)計；②實驗計劃和時間安排都更加自主，通過高級培訓(xùn)考核，獲得獨立操作設(shè)備資格的用戶可以自由預(yù)約晚上和節(jié)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(shè)備協(xié)助管理員，在幫助實驗室高效運轉(zhuǎn)的同時，可以獲取一定報酬并得到進一步的管理鍛煉。

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

1.2 技術(shù)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(xué)越來越顯示出它的弊端。如設(shè)備通常會和管理員一起“休假”，導(dǎo)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(shù)人員的休假由原先的寒暑假模式轉(zhuǎn)變?yōu)槟昙倌Ｊ健Ｃ课患夹g(shù)人員年假基數(shù)為20 d，實際年假天數(shù)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(xué)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(zhuǎn)，又使得技術(shù)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(shù)人員中推廣輪崗制度，定期（2～3年）輪換技術(shù)人員的工作崗位，鼓勵技術(shù)人員一專多能。輪崗制度一方面拓寬了技術(shù)人員的工作范圍，提升了工作能力和業(yè)務(wù)素養(yǎng)；另一方面，在技術(shù)人員出差或休假期間，也能夠有其他同事能夠為設(shè)備提供不間斷服務(wù)。

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

1.3 設(shè)立在線預(yù)約管理平臺

為了配合以上制度的高效執(zhí)行，實驗室自主研發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備在線預(yù)約管理系統(tǒng)“易約”。

系統(tǒng)的設(shè)計在保證簡潔易用的基礎(chǔ)上，重點強化了用戶預(yù)約權(quán)限配置功能。設(shè)備管理員可根據(jù)實驗室復(fù)雜的現(xiàn)實情況靈活地為用戶分配預(yù)約權(quán)限，不同權(quán)限組的用戶對工作、下班和假期時間擁有不同的預(yù)約權(quán)限，同時每個權(quán)限組的單次最小預(yù)約時間、單次最大預(yù)約時間和周期內(nèi)最長預(yù)約時間均可靈活配置。系統(tǒng)權(quán)限組功能和用戶分級培訓(xùn)制度的有機結(jié)合，能夠最大限度地實現(xiàn)用戶預(yù)約的高效、公平和靈活性。此外，系統(tǒng)提供了詳細(xì)的機時統(tǒng)計和報表導(dǎo)出功能。通過上述功能的開發(fā)和應(yīng)用，在規(guī)范預(yù)約流程的同時將設(shè)備管理員從煩瑣的事務(wù)性工作中解放出來。

2 設(shè)備運行數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用探索

在設(shè)備預(yù)約管理平臺長期運行過程中，系統(tǒng)積累了寶貴的運行數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)分析挖掘，可快速獲取實驗室各方面的準(zhǔn)確運行信息，進而將實驗室管理決策方式從以往的經(jīng)驗主導(dǎo)模式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動模式。

2.1 設(shè)備機時分析

圖2展示了聚焦離子束設(shè)備2015～2018年間設(shè)備預(yù)約趨勢。由歷年的運行曲線可見，每年2月份由于春節(jié)假期預(yù)約機時會達到最低值，此時是設(shè)備最空閑的時期，3月后預(yù)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(yù)約的最高峰，2018年12月當(dāng)月預(yù)約機時高達526 h，設(shè)備日均工作17 h，處于高負(fù)荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖2 聚焦離子束設(shè)備2015～2018年預(yù)約機時趨勢

設(shè)備管理員可以通過上述周期性的機時預(yù)約曲線合理預(yù)測設(shè)備繁忙程度，據(jù)此安排設(shè)備保養(yǎng)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(shè)備出現(xiàn)的異常狀況。如圖2中預(yù)約曲線在2017年10月出現(xiàn)異常下降，查詢設(shè)備維修保養(yǎng)記錄可知，該月份設(shè)備樣品臺發(fā)生故障持續(xù)了1周時間，導(dǎo)致實驗暫停，加之當(dāng)月有1周國慶假期，該設(shè)備預(yù)約機時較往年同期明顯偏低。

圖3展示了聚焦離子束設(shè)備2018年6月按自然周統(tǒng)計的日均預(yù)約機時數(shù)，可見設(shè)備預(yù)約機時僅在周六出現(xiàn)了小幅下降，除周六外的其他時間設(shè)備當(dāng)日預(yù)約機時均超過12 h。圖4展示的聚焦離子束設(shè)備全天各時段預(yù)約人次數(shù)據(jù)是基于2018年全年預(yù)約數(shù)據(jù)統(tǒng)計獲得，可見絕大部分用戶會在每日8：00-21：00使用設(shè)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(shè)備2018年6月日均預(yù)約機時

圖4 聚焦離子束設(shè)備全天預(yù)約時段分布

圖2～4分別在年、周和天的尺度上描繪了設(shè)備的詳細(xì)預(yù)約情況，由這些數(shù)據(jù)可以客觀地獲得設(shè)備使用的閑忙規(guī)律，為進一步利用空閑機時，分流使用高峰提供了可靠依據(jù)。實驗室甚至可以在此基礎(chǔ)上嘗試對設(shè)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(diào)控供需關(guān)系，進一步提升設(shè)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(shè)備2018年度用戶預(yù)約機時排行。團隊負(fù)責(zé)人對團隊成員的工作量通常只能進行定性評價，當(dāng)獲得團隊成員在各臺設(shè)備上的準(zhǔn)確使用數(shù)據(jù)后，結(jié)合團隊成員的科研產(chǎn)出，便能為衡量每位成員的投入產(chǎn)出比提供一種量化的指標(biāo)，為團隊負(fù)責(zé)人更高效地指導(dǎo)團隊成員開展科研活動提供參考。

圖5 聚焦離子束設(shè)備2018年度用戶預(yù)約機時排行

2.3 設(shè)備橫向?qū)Ρ?/h3>

圖6展示了實驗室多臺大型設(shè)備2018年度機時預(yù)約占比，通過對各臺設(shè)備運行機時的橫向?qū)Ρ龋环矫婺軌驗榇_定后續(xù)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(shè)備管理員工作量，合理分配工作任務(wù)。

圖6 實驗室大型儀器設(shè)備2018年度預(yù)約機時占比

3 結(jié)語

大型儀器設(shè)備運行管理是一項系統(tǒng)性工作，各項管理制度的制定和管理系統(tǒng)的應(yīng)用需要相互配合，環(huán)環(huán)相扣。本文介紹的分級培訓(xùn)制度、年假制度、輪崗制度和預(yù)約管理系統(tǒng)的應(yīng)用為大型儀器設(shè)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(tǒng)的普及，系統(tǒng)長期運行所積累的運行數(shù)據(jù)是一項寶貴的財富，對這些數(shù)據(jù)的充分挖掘利用，能夠幫助實驗室的管理決策由以往的經(jīng)驗主導(dǎo)模式過渡到更加科學(xué)高效的數(shù)據(jù)驅(qū)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