美国国家实验室科研特征的情报计量学分析

成 波，梅 涛，王柏弟，丁 宇，田 李

(鹏城实验室，广东深圳 518055)

美国的国家实验室是在不同历史时期满足国家重大战略需求，维护国家安全、完成重大科技任务中形成的实现国家使命的战略科技力量，至今在美国国家创新系统中具有重要地位和影响。根据美国科学基金会（NSF）公布的2017—2018 财年联邦研究和开发资助调查数据［1］，2017 年美国联邦资助的研究和开发中心（federally funded research and development center,FFRDC）（共42 个国家实验室或研究中心）基础研究、应用研究和实验开发的研发经费量占全美联邦研发经费开支的比例分别为15%、10.8%和5.5%，显示美国国家实验室是美国科技创新中的重要基础力量。中国的国家实验室建设尚处于起步阶段，对于国家实验室的建设和管理还缺乏认识，有必要参考发达国家的成功经验。目前关于国家实验室研究的文献集中于以定性方法选取案例对国家实验室的体系、地位、模式、运行管理机制和评估等理论概念问题进行分析和总结［2-14］，还缺乏对于欧美等国国家实验室科研特征的系统、客观、定量化的基于实证数据资料的分析和揭示。

本文选取美国联邦资助的研究和开发中心(FFRDC)及能源部所属的19 个典型国家实验室，利用情报计量学的工具和方法，通过实证方法系统揭示美国典型国家实验室的科研特征，对于我国国家实验室建设尤其是探索新型运行机制和管理体制、提高科研管理效率具有重要意义。

1 研究对象与数据来源

本文以美国能源部下属17 家国家实验室、美国国防部下属1 家国家实验室和美国航空航天局（NASA）下属1 家国家实验室为研究对象。从国家实验室战略使命、职能定位、经费规模、运营管理机制等属性上看，这些国家实验室在美国的国家实验室体系中具有典型性［15］。19 家国家实验室名单及其主管部门和运营管理机构见表1。

表1 19 家国家实验室名单

本研究以19 家国家实验室发表的论文为主要数据，此外收集和分析了美国能源部发布的《美国能源部国家实验室年度报告》、美国自然科学基金会发布的联邦资助的研究开发中心研究与开发调查及美国能源部科学办公室发布的科学设施用户统计数据等中的相关数据。主要数据来源于Clarivate Analytics 的Web of Science（WOS）核心合集数据库。数据检索分别以19 家国家实验室在WOS 的索引机构名称（OG 机构扩展字段）为入口，数据检索和获取时间为2020 年4 月，检索时间范围限定为从2009年至2019 年。检索文献语种为英语，文献类型为期刊论文（article)。对检索到的数据，以制表符分隔和纯文本两种格式下载全记录。本研究主要采取统计学中统计分析方法和工具对下载论文数据的文献情报计量特征进行定量的分析和描述。

2 数据分析

2.1 发表论文数量

美国能源部、国防部、航空航天局19 家国家实验室2009—2019 年总共发表论文182 843 篇（见表2）。图1 是美国能源部、国防部、航空航天局19家国家实验室2009—2019 历年发表论文数据和趋势图。从图1 看，能源部、国防部、航空航天局19 家国家实验室近年来发表论文数量基本持平，略有增长，表明这些实验室已进入稳定运行状态。

图1 美国19 家国家实验室历年发表论文数据趋势图

表2 2009—2019 年美国19 家国家实验室发表论文数据

2.2 美国典型国家实验室论文作者类型分析

通信作者(Corresponding author)能够体现研究人员在科研中的组织和领导作用，承担通信作者的论文数量可以反映研究机构在科研组织和领导上的影响力。第一作者（first author）反应研究机构在研究实施和产出原始创新研究结果方面的条件能力。双聘作者（Joint faculty）指论文署名的研究人员同时具有两个或以上作者所属机构的研究者，反映出科研机构在凝聚各领域优势力量、与其他研究机构进行协同创新的能力。

表3 是美国能源部、航空航天局、国防部19 家国家实验室2009—2019 年发表论文的通信作者、第一作者和双聘作者情况。19 家实验室通信作者论文平均占比为37.6%，第一作者论文平均占比为33.5%，双聘作者论文平均占比42.4%，双聘人员在国家实验室作者总数中所占比例较为突出。

表3 2009—2019 年美国能源部实验室作者情况分析

表3（续）

结合各国家实验室2016 年论文数量和科研人员数量情况，可以发现各国家实验室论文数量与人员总量无明显相关（2016 年论文数量与人员总数相关系数值为0.57），与全职人员数量也未呈现明显相关（2016 年论文数量与全职人员人数相关系数值为0.42），而论文数量与流动人员数量具有较高正相关（2016 年论文数量与流动人员总数相关系数值为0.79）（见表4）。进一步分析全职人员情况，2016 年各实验室论文数量/全职人员数量比为0.4，全职人员2016 年人均发表论文不足1 篇，论文并非国家实验室全职科研人员产出科研成果的重要形式。通过分析流动人员情况发现，各实验室论文数量与兼聘、博士后、研究生和访问科学家各类聘任形式的流动科研人员数量均存在较高正相关（2016 年论文数量与兼聘、博士后、研究生和访问科学家人数相关系数值分别为0.82、0.96、0.85、0.66），其中论文数量与博士后数量尤其存在明显相关，相关系数值达0.96，表明流动人员特别是博士后是国家实验室产出科研论文成果的重要科研力量（见表5）。

表4 2016 年美国19 家国家实验室发表论文数与人员数量情况

表5 2016 年美国19 家国家实验室发表论文数与流动科研人员数量情况

综合上述分析，美国国家实验室非常注重以灵活多样的人才聘用形式（如双聘、博士后）吸引相关领域的优势科研人员，进行协同创新研究，产出研究成果。

2.3 美国典型国家实验室科研资助机构分析

国家对科研的资助情况充分体现国家的战略规划，是支持学术研究保障国家利益，提高国家实力的重要体现。表6 是根据美国能源部、国防部、航空航天局19 家国家实验室发表论文注明的基金资助机构信息统计出的各实验室论文资助情况。由表知，各国家实验室发表论文中注明由主管部门资助的论文比例平均为76.5%，注明由NSF 资助的论文比例平均为25.6%，国防相关部门资助论文比例平均为15.8%。这一结果表明各国家实验室论文以主管部门为主要资助来源，此外美国自然科学基金会和国防相关部门是其重要资助机构。

表6 2009—2019 年美国典型国家实验室发表论文资助机构分析

表7 是2017 年美国能源部、国防部和航空航天局所属国家实验室由联邦政府部门资助的研发经费用于基础研究、应用研究和试验开发的支出经费数量及其所占比例，以及来源于3 个国防相关部门资助的研发经费。结合2017 年和2018 年两年各实验室所发表论文数量分析发现，各国家实验室发表论文数与基础研究经费支出具有较高正相关（论文数与经费数相关系数值为0.76），而与应用研究和试验开发经费支出没有明显相关（论文数与应用研究、试验开发经费支出数相关系数值分别为0.25、0.08）。表明典型国家实验室投入的基础研究经费产出较高数量的科研论文成果，而发表论文并非投入到应用研究和试验开发的科研经费产出成果的主要形式。同时国家实验室有一定比例经费资助来源于国防相关的联邦政府部门，这部分经费占总经费的比例平均为17.1%。此外根据美国自然科学基金2017 年FFRDC 研发经费统计数据，42 个联邦政府资助的研发中心（包括本文19 个国家实验室）接受来自DoD、NHS 和NASA3 个国防相关部门的经费占其2017 总研发经费的比列达到37.1%，表明美国国家实验室有较高比例的研发经费来源于国防相关部门的资助。

表7 2017 年美国典型国家实验室研发经费支出类型

表7（续）

2.4 美国典型国家实验室的合作研究

在经济全球化浪潮的推动下,科技资源在全球范围内流动和配置,国际合作已成为推动科技创新的重要途径和手段。本部分主要从合作机构、国家和地区来分析。

2.4.1 合作机构分析

表8 是根据2009—2019 年发表论文统计的19家国家实验室汇总的重要合作机构中的前25 位。由表知，美国国家实验室的重要合作机构主要是美国的高校以及其他国家的国立科研机构，如法国国家科学研究中心、亥姆霍兹联合会、中国科学院等。

表8 美国19 家国家实验室重要合作机构（前25 位）

表9 是19 家国家实验室2009—2019 年所发表论文中单篇论文的合作机构数量分布情况。美国国家实验室发表论文合作非常广泛，19 家实验室单篇论文合作机构数的平均最大值达到222家科研机构，单篇论文合作机构数的平均均值为9 家科研机构，反映出美国国家实验室科研具有开放性的特征。此外由表知19 家国家实验室平均每篇论文来自美国国内合作机构占比的平均均值为40.5%，表明平均每篇论文有约60%的合作机构来自美国国外，显示出美国典型国家实验室的科研合作具有明显的国际化特征。

表9 美国19 家实验室单篇论文合作机构数量分布

2.4.2 合作国家和地区

本文根据论文作者所属机构及其地址信息中的国家标识统计了美国能源部、航空航天局、国防部19 家国家实验室与世界主要国家和地区进行科研合作的情况。表10 是按照合作发表论文数排序的19家国家实验室科研合作前30 位国家和地区。由表知美国国家实验室合作的国家主要为美国、德国、中国等国家，以欧洲国家最为密集。

表10 美国19 家国家实验室科研合作国家和地区前30 位

2.5 科学设施与装置的服务与利用情况

大科学装置是国家实验室的重要特征。本文从论文基金资助信息来分析美国国家实验室的大科学装置与设施利用情况。Web of Science 核心合集数据库标引了论文的基金资助信息字段（FT）。FT 字段包含由论文作者提供的详细致谢信息，其中研究实施过程中所利用的科学设施和装置是致谢信息中的重要内容。一段典型的致谢信息如：

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 核心合集数据库检索了2009—2019 年美国能源部、航空航天局、国防部19 家国家实验室在FT 字段出现的论文数。为了体现国家实验室科学设施和装置被外部用户利用和致谢的情况，在检索条件中排除了论文作者为本实验室研究人员的论文。表11 是美国19 家国家实验室2009—2019 年被致谢论文数量情况。表中同时列出了各国家实验室大科学设施数量及2016、2017 年设施的用户数量。图2 是19 家国家实验室2009—2019 年历年被致谢论文数量增长趋势情况。

图2 2009—2019 年19 家国家实验室历年致谢论文数量趋势图

表11 2009—2019 年19 家国家实验室被致谢论文数量及用户情况

结合致谢论文数量、大科学设施数量及其用户数量，Argonne National Laboratory、Brookhaven National Laboratory、Lawrence Berkeley National Laboratory 三家实验室的科学设施服务与利用率相对较高，其致谢论文数/大科学设施数比均排前三位，相应的2016 年、2017 年用户数/大科学设施数比亦较高，反映出这些国家实验室的科学设施开放共享利用程度高，服务于外部用户的能力强，影响较大。此外，19 家国家实验室2016 年、2017 年致谢论文数量与当年设施用户数量具有一定程度的正相关，相关系数值为0.63，表明这些国家实验室的大科学设施为外部用户取得新的科学发现和研究成果提供了重要的设施条件，具有重要的意义。

Argonne National Laboratory、Jet Propulsion Laboratory 两家国家实验室历年致谢论文数量呈明显增长趋势，反映出这几家实验室的科学设施服务于外部科研用户的影响力持续加强。此外Lawrence Berkeley National Laboratory 和National Renewable Energy Laboratory 致谢论文数量呈明显增长趋势。Los Alamos National Laboratory、Oak Ridge National Laboratory、National Energy Technology Laboratory 几家实验室历年致谢论文数量呈较缓慢增长趋势，反映出这些实验室科研设施的服务和影响能力在近年来呈缓慢发展趋势。Brookhaven National Laboratory实验室致谢论文数2009—2015 年间呈明显增加趋势，但2015 年之后呈明显下降趋势。其他实验室致谢论文数量基本呈现稳定不变趋势，反映出这些实验室的科研设施服务和影响能力基本处于保持现状的态势。

2.6 美国典型国家实验室论文质量分析

论文的质量是国家实验室科研影响力的重要方面和标志之一。本文根据Clarivate Analytics 期刊引证报告（JCR）的期刊分区表（2018 版SCIE 部分）及在Nature 及Science 发表论文情况来衡量19 家国家实验室发表论文的质量。JCR 期刊分区表是基于论文引用数据开发的学术评价工具，根据期刊的影响因子将期刊分为Q1、Q2、Q3、Q4 共4 个区，4个区期刊影响力依次递减。图3 是美国19 家国家实验室2009—2019 年发表的论文按照其来源期刊统计的分区情况。表12 是19 家国家实验室在Nature 和Science 发表论文情况。

在19 家国家实验室2009—2019 年发表的全部论文中，具有有效来源期刊的论文有171 003 篇，其中被SCIE 收录的论文有167 409 篇，占比97.9%，未被收录的有3 594 篇，占比2.1%。在SCIE 收录的论文中，Q1 区论文90 837 篇，占比，54.3%，Q2区论文48 539 篇，占比29.0%，Q3 区论文23 100 篇，占比13.8%，Q4 区论文4 933，占比2.9%。Q1 区和Q2 区论文共计占比83.3%1）。见图3。

图3 2009—2019 年美国19 家国家实验室发表论文按照来源期刊统计的分区情况

2009—2019 年19 家国家实验室发表的全部论文中，发表于Nature、Science 上的论文共1 478篇，占比0.81%。2009—2019 年19 家国家实验室在Nature 和Science 发表的论文数分别占Nature 和Science 2009—2019 年发表论文总数（分别为9 194篇和8 392 篇）的7.1%和9.8%（见表12）。

表12 美国各国家实验室在Nature、Science 发表论文情况

上述分析表明，美国典型国家实验室注重发表高水平科研论文。

3 结论

本文从情报计量学的角度，通过系统性收集2009—2019 年美国19 家国家实验室发表182 843 篇期刊论文的统计资料数据，分析发现了美国典型国家实验室科研活动的一些重要特征，得出以下结论。

（1）国家实验室是面向科技竞争代表国家水平的战略科技力量，是以开展基础研究、竞争前沿高技术研究和社会公益研究，积极承担国家重大科研任务的国家级科研机构。论文绝对数量高，在一定程度上能够体现国家的学术水平，是国家战略科技力量的重要体现。从论文发展趋势来看，19 家国家实验室近10 年来发表论文数量基本持平，略有增长，实验室发展稳定，是实力雄厚的传统科研机构。

（2）美国典型国家实验室拥有庞大且一流的科研团队，科研人员的流动性较大，主要由固定人员和流动人员构成，与大学和科研机构共同聘用研究人员进行短期科研工作是人才共享主要模式，并以灵活多样的方式（如兼聘、博士后、研究生和访问科学家等聘任形式）吸引相关领域的优势科研力量进行协同创新。

（3）美国国家实验室是美国战略科技力量的主要支撑，是美国保持国防科技长期领先优势的重要支柱。美国在逐步成为世界头号科技强国的过程中，国家实验室发挥着统筹国家安全和发展需求重要角色。同时国家实验室是整个联邦政府的国家资源，彼此之间合作，共同利用实验室的能力和设施来支持主管部门以外的联邦机构的任务。美国典型国家实验室科研论文以其主管部门为主要资助来源（平均比例为76.5%），此外美国自然科学基金会和国防相关部门是其重要资助机构（平均比例为25.6%和15.8%）。

（4）美国典型国家实验室具有开放性的特征，有着广泛的科技合作与资源共享网络体系，重大科技活动各环节所需的要素,如人员、技术、项目、资金、设备等,需要国内外之间的相互协调与合作共同,才能实现高效、优势互补。重要合作机构主要是美国的高校和其他国家的国立科研机构，广泛联系和聚集国内外优势创新单元，通过建立区域联合机构构建举国范围内的技术资源网络体系，形成面对国家重大战略需求的快速科研反应能力。19 家国家实验室单篇论文的合作机构数平均为9 家科研机构，平均最大值为222 家科研机构。19 家国家实验室平均每篇论文来自美国以外合作机构所占比例的平均值接近60%。

（5）美国部分典型国家实验室拥有国际一流的大科学装置并对外开放共享是其鲜明特征。依托这些科学设施，来维持国家实验室的核心能力，同时也是实现国家战略需求的大型跨学科项目研究的物质基础，也是聚集国内外一流科研人才、发挥国家实验室公益性社会职能的重要因素，也是促进原创性成果的重要载体。部分国家实验室科学设施开放共享利用程度高，服务于外部科研用户的影响力较大且呈上升趋势（如Argonne National Laboratory、Brookhaven National Laboratory、Lawrence Berkeley National Laboratory）。此外，美国典型国家实验室的大科学设施为外部科研用户取得新的科学发现和研究成果提供了重要的设施条件，具有重要的价值，2016 年、2017 年典型国家实验室致谢论文数量与当年设施用户数量具有一定程度的正相关，相关系数值为0.63。

（6）美国典型国家实验室注重大量的国家科研经费投入，采用灵活的科研人员聘用方式和开放性的合作机制，聚集了在该领域世界顶尖的科学家和思想活跃的研究人员，利用大科学装置所提供的极限实验条件，能够碰撞出创新思想，产生前沿的科学发现和取得较多的原创性成果，发表出高质量的学术论文。19 家国家实验室2009—2019 年发表的全部论文中，83.3%的论文发表在Clarivate Analytics期刊引证报告Q1 区和Q2 区期刊上，0.81%发表在Nature、Science 顶级刊物上，19 家国家实验室2009—2019 年发表于Nature、Science 的论文数分别占Nature、Science 2009—2019 年间发表全部论文总数的7.1%和9.8%。

4 建议

本文从发表论文总量、资助机构、作者来源、国内外合作研究、科学设施与装置的利用情况及论文影响力6 个方面分析了美国能源部、航空航天局（NASA）和国防部19 个典型国家实验室的科研特征。分析得出的结论对我国国家实验室建设可提供如下参考和建议：

（1）国家实验室应构建健全灵活的人才聘用机制和人事管理体制，建立一流的高水平科研人才队伍，配备合理的人才体系，并建立兼顾人员稳定和流动、开放的高效率的人才运用和激励约束机制。目前我国的国家重点实验室大多隶属于高校或科研院所，采用事业单位编制体制，收入与激励机制限制了一流科技人才的引入和运用，并且固定人员的比例较高，人才类型单一，人才体系不尽合理，人才运用机制不完善和效率不高。美国国家实验室建立了灵活的用人机制和人才体系，我国国家实验室在建设过程中可以参考其高效率的人力资源管理机制和体制。

（2）国家实验室需要中央政府长期稳定的财政经费支持和投入。国家实验室体现国家意志，承担国家使命，在管理归属体系上隶属中央。国家实验室承担的是基础领域研究和重大科技攻关任务，需要长期持续性的稳定资金支持。目前我国的各类国家（重点）实验室缺乏国家的稳定经费支持，主要靠横向项目、国家基金资助项目等竞争性项目获得科研经费，科研人员精力分散，研究课题得不到连续性经费保障，制约重大科学问题和关键工程技术的原创性突破。美国国家实验室以联邦政府主管部门为其主要经费来源，保障了其在重大科技基础和前沿领域进行连贯性的研发投入，取得创新和突破。

（3）国家实验室应发挥体制机制优势，以重大科技任务组织和聚集全国优势科研力量，开展集中式攻关，充分发挥人力、经费、设施设备的协同效应，加强合作研究，并且国家实验室应积极承担起组织和参与国际大科学计划和工程任务的职责，广泛开展国际合作。我国的国家（重点）实验室存在学科单一、重复，缺乏有效协作、力量分散的问题，在国际合作上存在很大不足，资源利用效率低，在国际科技创新中的话语权不足。美国国家实验室存在明显的开放合作和国际化特点，保障了其在国家创新和国际科技合作中的重要地位。我国国家实验室作为综合性、平台型国家战略科技力量，应充分发挥协同创新的体制和机制优势，在国内和国际合作中承担核心角色。

（4）国家实验室应建设高度开放共享利用的大科学设施，探索建立多样的开放共享利用机制，最大化科学设施的建设效益，促进相应学科领域、工程技术和产业化应用的创新和发展。国家实验室应以独有的重大科学设施聚合科研人员力量，与国内外科研单位、企业和人员进行多种形式的合作研发。美国的国家实验室大科学设施开放利用程度高，而且对科技创新产生了持续的影响力。我国国家（重点）实验室和科研机构科学仪器与设施存在的利用率和共享水平不高、重复建设、闲置浪费、对科技创新的服务和支撑作用不够等问题，在国家实验室建设过程中应得到根本上的纠正。

（5）国家实验室应在人员、经费上保持一定的体量规模，围绕大型科学设施建设形成独特的科学和工程核心能力，通过吸引一流的尖端科技人才，在国内和国际进行广泛的合作研究，形成对国家战略优势、重大需求领域和尖端科学技术问题具有重要贡献的科研产出成果。美国的国家实验室在基础研究领域和重大科学问题与关键技术创新中取得了举世瞩目的成果。我国国家实验室建设应该以此为榜样。

本文对美国典型国家实验室的科研活动特征进行了基于实证数据的分析。本文所得出的结论存在以下限制：（1）本文只选取了19 家典型国家实验室2009—2019 年发表的期刊论文数据进行分析,美国国家实验室体系中的其他国家实验室（如FFRDC中的其他实验室）未作为本文的研究对象。（2）本文数据来源主要为web of science 收录的期刊论文数据，对美国国家实验室科研活动的描绘可进一步结合多种来源数据进行分析。（3）本文对美国典型国家实验室科研特征的分析尚需结合相关理论背景和政策环境作进一步分析。

注释：

1）产业界基础研究、应用研究和实验开发的研发经费量占比分别为8.1%、17.1%和59.1%，高校三类研究的研发经费量占比分别为47.6%、32.3% 和2.7%；2）Fermi National Accelerator Laboratory和Thomas Jefferson National Accelerator Facility 均只有一个大科学设施，其用户数/大科学设施数比较高，而致谢论文数/大科学设施数比较低；3）作为参照，中国清华大学2009—2019 年发表的被SCIE 收录的论文中，Q1 区和Q2 区论文所占比例为76.3% 。