数据驱动的大型科研仪器设备管理模式探索

范传伟，付琴琴，郭朝维，朱晓东，单智伟

（西安交通大学金属材料强度国家重点实验室，西安 710049）

0 引言

大型仪器设备在当今科学研究中发挥着越来越重要的作用。近些年我国高校大型仪器设备投资购置迎来了快速增长，以金属材料强度国家重点实验室为例，2020年实验室30万元以上大仪器设备共计113台，近10年投资购置金额年均增长率约20%，增长趋势如图1所示。随着实验室大型仪器设备台数和单台购置金额的不断刷新，实验室设备的运行管理［1-3］、技术人员的服务水平［4-6］、设备的利用率［7-10］、开放共享程度［11-13］和收费机制［14-15］都受到了前所未有的挑战和关注。针对以上问题，金属材料强度国家重点实验室多年来进行了持续探索和实践，实验室始终以一线用户需求为中心，通过管理制度的合理设计和与之相匹配的设备预约管理系统的自主研发应用，初步实现了实验室7×24 h高效运转。

图1 金属材料强度国家重点实验室30万元以上仪器设备购置趋势

1 大型仪器设备可持续运行管理机制

1.1 设备使用分级培训制度

实验室对重点仪器设备使用实行分级培训，设备管理员根据用户需求和设备实际情况制定分级培训标准，确定各级别培训项目，表1展示了日立H-9500环境透射电镜分级培训项目。新用户经过申请、理论考查、上机培训等标准流程，在综合考核合格后，由管理员颁发初级操作证书，并分配相应设备预约及使用权限。用户积累足够操作经验后可申请更高级别培训，直至拥有独立操作设备的权限。此外，当用户长期不操作设备，达到一定天数后自动取消设备预约及操作权限，重新考核通过后方可上机。

表1 日立H-9500环境透射电镜分级培训项目

分级培训为用户和设备管理员都带来了诸多益处。

（1）用户。①通过培训获得了亲自操作设备的资格，锻炼了操作设备的能力，有利于深入开展课题和实现创新型的实验设计；②实验计划和时间安排都更加自主，通过高级培训考核，获得独立操作设备资格的用户可以自由预约晚上和节假日机时，大大提高了实验时间的灵活性；③高级用户将有资格被聘为设备协助管理员，在帮助实验室高效运转的同时，可以获取一定报酬并得到进一步的管理锻炼。

（2）设备管理员。①工作重心由为用户代做实验变为用户培训，大幅减少了低水平重复劳动，可将更多的精力用于设备开发升级和自我能力提升；②用户经过高级培训和授权后有能力和资格独立操作设备，即使管理员在下班、休假和出差时设备也能提供正常服务，有效增加了设备的使用效率。

1.2 技术人员年假和轮岗制度

高校实行的寒暑假制度对研究型大学越来越显示出它的弊端。如设备通常会和管理员一起“休假”，导致大量可用机时被浪费。金属材料强度国家重点实验室从几年前就开始尝试将部分技术人员的休假由原先的寒暑假模式转变为年假模式。每位技术人员年假基数为20 d，实际年假天数按照工龄累积，每增加1年工龄，年假时间增加1天，个人休假时间可在不影响正常的教学和科研工作的前提下自由安排。这样既保证了实验室在寒假期间的正常运转，又使得技术人员的休假时间可避开假期期间旅游景点和公路交通的人流高峰期。

为配合年假制度，实验室同时在技术人员中推广轮岗制度，定期（2～3年）轮换技术人员的工作岗位，鼓励技术人员一专多能。轮岗制度一方面拓宽了技术人员的工作范围，提升了工作能力和业务素养；另一方面，在技术人员出差或休假期间，也能够有其他同事能够为设备提供不间断服务。

年假制度和轮岗制度的设立有效提升了设备在各类假期中的机时利用率，为设备全年工作在饱和状态下提供了制度和条件保障。

1.3 设立在线预约管理平台

为了配合以上制度的高效执行，实验室自主研发了基于互联网的设备在线预约管理系统“易约”。

系统的设计在保证简洁易用的基础上，重点强化了用户预约权限配置功能。设备管理员可根据实验室复杂的现实情况灵活地为用户分配预约权限，不同权限组的用户对工作、下班和假期时间拥有不同的预约权限，同时每个权限组的单次最小预约时间、单次最大预约时间和周期内最长预约时间均可灵活配置。系统权限组功能和用户分级培训制度的有机结合，能够最大限度地实现用户预约的高效、公平和灵活性。此外，系统提供了详细的机时统计和报表导出功能。通过上述功能的开发和应用，在规范预约流程的同时将设备管理员从烦琐的事务性工作中解放出来。

2 设备运行数据分析与应用探索

在设备预约管理平台长期运行过程中，系统积累了宝贵的运行数据，对这些数据分析挖掘，可快速获取实验室各方面的准确运行信息，进而将实验室管理决策方式从以往的经验主导模式转变为数据驱动模式。

2.1 设备机时分析

图2展示了聚焦离子束设备2015～2018年间设备预约趋势。由历年的运行曲线可见，每年2月份由于春节假期预约机时会达到最低值，此时是设备最空闲的时期，3月后预约机时将快速到达每月400 h左右的平台期，而每年12月通常会迎来机时预约的最高峰，2018年12月当月预约机时高达526 h，设备日均工作17 h，处于高负荷运转状态。

图2 聚焦离子束设备2015～2018年预约机时趋势

设备管理员可以通过上述周期性的机时预约曲线合理预测设备繁忙程度，据此安排设备保养计划和个人休假计划。实验室管理者也可以通过曲线的异常变化获知设备出现的异常状况。如图2中预约曲线在2017年10月出现异常下降，查询设备维修保养记录可知，该月份设备样品台发生故障持续了1周时间，导致实验暂停，加之当月有1周国庆假期，该设备预约机时较往年同期明显偏低。

图3展示了聚焦离子束设备2018年6月按自然周统计的日均预约机时数，可见设备预约机时仅在周六出现了小幅下降，除周六外的其他时间设备当日预约机时均超过12 h。图4展示的聚焦离子束设备全天各时段预约人次数据是基于2018年全年预约数据统计获得，可见绝大部分用户会在每日8：00-21：00使用设备，1年中有接近1／3的用户会选择在晚上22～23：00进行实验，0：00点以后进行实验的用户极少。

图3 聚焦离子束设备2018年6月日均预约机时

图4 聚焦离子束设备全天预约时段分布

图2～4分别在年、周和天的尺度上描绘了设备的详细预约情况，由这些数据可以客观地获得设备使用的闲忙规律，为进一步利用空闲机时，分流使用高峰提供了可靠依据。实验室甚至可以在此基础上尝试对设备机时进行浮动定价，对夜间和假期等典型空闲时段的机时费用给予一定折扣，利用价格因素调控供需关系，进一步提升设备的使用效率。

2.2 用户使用分析

图5展示了聚焦离子束设备2018年度用户预约机时排行。团队负责人对团队成员的工作量通常只能进行定性评价，当获得团队成员在各台设备上的准确使用数据后，结合团队成员的科研产出，便能为衡量每位成员的投入产出比提供一种量化的指标，为团队负责人更高效地指导团队成员开展科研活动提供参考。

图5 聚焦离子束设备2018年度用户预约机时排行

2.3 设备横向对比

图6展示了实验室多台大型设备2018年度机时预约占比，通过对各台设备运行机时的横向对比，一方面能够为确定后续实验室重点支持方向提供参考，另一方面能够客观衡量各台设备管理员工作量，合理分配工作任务。

图6 实验室大型仪器设备2018年度预约机时占比

3 结语

大型仪器设备运行管理是一项系统性工作，各项管理制度的制定和管理系统的应用需要相互配合，环环相扣。本文介绍的分级培训制度、年假制度、轮岗制度和预约管理系统的应用为大型仪器设备的高效率运行提供了制度保障和平台保障。随着实验室信息化管理系统的普及，系统长期运行所积累的运行数据是一项宝贵的财富，对这些数据的充分挖掘利用，能够帮助实验室的管理决策由以往的经验主导模式过渡到更加科学高效的数据驱动模式。

·名人名言·

自己动手，自己动脚，用自己的眼睛观察这是我们实验工作的最高原则。

——巴甫洛夫