中国大科学装置建设现状、问题与路径研究

韩文艳 熊永兰 张志强

〔摘要〕 随着世界经济与科技全球化、国家竞争复杂化趋势加深，科技创新能力逐渐成为国家综合国力和竞争力的集中体现。如何根据国家战略和前沿发展需求，充分发挥大科学装置在国家创新体系中的支撑作用，提升自主创新能力成为亟待解决的重要问题。本文在梳理国际国内大科学装置发展现状的基础上，分析大科学装置的新态势以及中国大科学装置建设的瓶颈，提出完善管理机制、提高成果产出、推动合理布局、深化机制改革等政策建议。

〔关键词〕 大科学装置 科技创新 原始创新

〔中图分类号〕G322.1 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1008-0694（2018）06-0051-10

大科学装置是指通过较大规模投入和工程建设来完成，建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动，实现重要科学技术目标的大型设施。其主要目标是面向科学技术前沿，为国家经济建设、国家安全和社会发展做出战略性、基础性和前瞻性贡献。作为国家科研基础设施水平和裝备制造能力的集中体现，大科学装置是支撑基础科学前沿研究和多学科交叉研究的公共平台，更是国家创新体系建设的重要内容，其建设和运行水平标志着一个国家核心、原始创新能力的高低。〔1〕因此，作为科学研究的“航空母舰”，大科学装置的建设与发展能够较好服务国家战略需求，推动跨学科、多领域的基础、前沿研究取得突破，提升国际科技竞争能力，助推科技创新强国建设。

一、大科学装置在区域创新中的作用

大科学装置作为重要的科研基础设施平台，是国家创新体系建设的重要组成部分，也是国家实施创新驱动发展战略的重要抓手，能够为国家重大原始创新和重大科技成果产出、创新资源集聚、核心关键技术突破、高技术产业和战略性新兴产业发展提供强大动力。

1.推动基础研究取得重大突破

大科学装置作为支撑科学技术研究、创新的重要平台，可为多学科领域的基础研究与应用研究提供强大的技术支撑，为实现特定学科领域的重大科学技术目标，提供研究平台并促进前沿成果的诞生。〔2〕例如：合肥被称为“人造太阳”的超导托卡马克核聚变实验装置，促使我国磁约束核聚变研究进入国际前沿；北京正负电子对撞机经过技术改造与升级后，产出中国互联网等重要科研成果；上海光源不仅推动生命科学、材料科学、环境科学等多学科领域科技创新，还对现代高性能加速器、高精密机械加工、X射线光学等先进技术和相关产业升级起到重要推动作用。〔2〕

2.促进高端创新要素集聚

大科学装置建设，可集聚高端创新要素，彰显协同创新体系活力。大科学装置作为科技创新基础平台，其本身建设就需要大量高新技术，建设过程中也将产生重大技术成果。例如：中国“天眼”FAST射电望远镜建设过程中，不断攻克索网诸多技术难题，形成了12项具有自主创新性的专利成果，其中，发明专利7项，这些成果极大提升了我国索结构工程水平，也将应用于经济社会的其它领域。〔3〕大科学装置还能为科技工作者提供最好的科研平台，能够有效凝聚和吸引人才。〔2〕同时，自行设计研制大科学装置所需的仪器，不仅可以提升科研人员和企业开展世界领先仪器、设备的研发与制造能力，还可以培养高质量、有国际水平的青年科研人才和设备研制人才。〔4〕

大科学装置吸引创新要素集聚的同时还能产生溢出效应，促进前沿科技成果的转化应用，提升区域整体创新能力和技术水平，辐射和带动高新技术产业等新兴产业的发展壮大，进而吸引和集聚更多企业，形成相关产业集群。例如：英国散裂中子源落户牛津，吸引了大批世界顶尖科研人才和大量的国际投资，带动计算机、生物科技、赛车设计与制造等产业的发展；日本散裂中子源建成后，筑波科学城迅速成为日本科研机构、人才、企业集聚地；上海光源的建设吸引了结构生物学、凝聚态物理、化学等十几个学科领域的顶尖学者开展研究和实验。〔5〕

3.构建跨学科、跨领域的协同创新网络

大科学装置的建设及其集群发展，可以推动区域科研院所与高等院校间的交流合作，深化重大科技基础设施建设与交叉前沿研究的融合。通过提升大科学装置的开放度、营造良好的协同创新环境，构建跨学科与领域的协同创新网络，聚焦信息、能源、健康、环境、制造、人工智能等前沿领域，依托重大科技基础设施开展跨学科、跨领域高水平研究，提升原始创新能力。例如：美国橡树岭国家实验室（ORNL）作为一个大型综合性研究基地，已建成多个实验室和研究中心，从事多领域研究；德国亥姆霍兹联合会由德国电子同步加速器、德国航空航天中心等18个国家科研中心组成，每个中心都有大型科学仪器和装置的支撑，开展能源、环境、健康卫生等6个领域的研究。〔6〕

二、大科学装置发展现状

自1939年美国建成世界上第一台加速器，促使人类对物质世界的认识由原子层次向更深层次发展后，各个国家都非常重视大科学装置的发展，在全球范围内尤其在发达国家已有较多实践。〔7〕尽管我国大科学装置发展取得一定进展，但是其起步相对较晚，基础实力也不够雄厚，同国际先进水平仍有一定差距。因此，梳理国内外大科学装置的发展现状，对大科学装置的成功实践进行总结，能够为我国大科学装置项目的稳步推进、未来发展等提供经验参考。

1.国内外发展现状

（1）国外发展现状。国外大科学装置建设起步较早，发达国家在“二战”以后均投入巨资，建设各类大科学装置。〔8〕目前，发达国家大科学装置发展已趋于成熟，构建了多学科、多领域交叉的协同创新网络，且形成了较为完善的管理体制和评估评价体系，有效提升了国家的科技创新能力、经济发展水平，保障了国家在新一轮科技革命、产业演化中的国际竞争力。

近年来，很多国家或地区为推进大科学装置建设，还出台了相应的发展战略规划，优化和健全其科研环境，集聚科研人才，抢占创新战略制高点。欧盟在《里斯本议程》《第六框架计划》和“欧洲经济区”等发展战略指导下，制定并实施了伽利略、ITER、GEANT等计划以发展大科学装置工程。〔9〕〔10〕英国2001年发布第一个《大科学装置路线图》，2005年、2008年进行了更新，2009年发布了《2010年大科学装置路线图》，2014年发布了《我们的发展计划：科学和创新》。〔11〕荷兰大科学装置主要依托荷兰科学研究组织（NWO），2015年NWO任命了大规模科学基础设施常设委员会，由其制定大型研究设施建设的国家战略。〔10〕美国专门将建立一流的科研基础设施作为21世纪国家目标之一，其大科学装置主要依托国家实验室系统，运营管理上构成了军事、学术和工业“铁三角”总体系统。〔12〕澳大利亚政府实施的国际科学联系计划（ISL），支持澳大利亚科学家积极参与国际大科学装置等活动，并发布《国家研究基础设施路线图》，指导政府在未来10年对国家研究基础设施的投资决策。〔13〕〔14〕日本根据1995年制定的科学技术基本法，每隔五年发布一次科学技术基本计划，各期基本计划均有强调大科学装置等先导型设备建设，并促进产学官广泛共同利用及国际合作交流等。〔15〕

值得关注的是，世界各国在大科学装置建设发展中注重将设施的开放共享作为一个重要的管理原则，例如：美国能源部将其管理的大科学装置定义为“用户装置”，绝大部分用户来自能源部之外；澳大利亚规定大科学装置在合作、国有、非独占的基本原则下发展，广泛服务于科研创新体系。〔16〕总体上，科技发达国家的大科学装置发展水平远高于其他国家，而且资源配置结构的优化、大科学装置筹建的多元化成为国家技术创新的发展趋势。

（2）国内发展现状。20世纪80年代至今，我国大科学装置的建设主要经历了三个发展阶段（详见表1），从引进到学习再到自主研制，逐步缩小了我国与发达国家的科技差距，并在某些方面能并驾齐驱，甚至一定程度的领先。〔8〕围绕这些大科学装置，我国也建成了一些科技中心，其发挥了辐射、示范、引领及推动作用，并且成为极为重要的人才培养基地。

近年來，国家层面制定并实施了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012～2030年）》《国家创新驱动发展战略纲要》《中国制造2025》等科技战略规划，均强调重大科技设施的建设运行，有效推动了大科学装置建设与发展。〔17〕〔18〕但总体上讲，与发达国家相比，我国大科学装置整体上还处于追赶阶段，技术上原创不多，规模较小，重大科学成果欠缺。

我国大科学装置建设主要依托中国科学院重大科技基础设施建设稳步推进，涉及时间标准发布、遥感、粒子物理与核物理、天文、同步辐射、地质、海洋、生态、生物资源、能源和国家安全等众多领域。现有及在建大科学装置50个左右，〔19〕〔20〕到2030年将新增大科学装置10个左右，〔21〕基本覆盖重点学科领域和事关科技长远发展的关键领域。在空间上，目前我国大科学装置主要分布于京津冀和长三角区域，其中，北京、上海、合肥分布最多，西部地区较少。此外，国家自然科学基金委员会与中国科学院共同设立了“大科学装置科学研究联合基金”，主要用于支持装置的技术升级及基于其的研究工作。

2.大科学装置建设实践与经验

（1）美国：集中科研攻关，服务国家战略。自20世纪上半期开始，美国已建成一个比较完善的、具有全球影响力的国家实验室系统，其建设布局一般会充分考虑大学、企业的需求及优势，注重学科领域的交叉，避免科研团队各自为政，有效集聚、整合全国科技资源，推动重大科技前沿领域较快取得突破，更好发挥国家创新平台和增长引擎的功能。此外，大科学装置将服务美国国家战略放在首要位置，瞄准科技发展趋势，聚焦核心竞争能力，建设、运营、维护大科学装置，为科学研究提供了稳定可预期的环境。〔22〕

（2）日本：争创国际一流，推动均衡发展。日本政府历来比较重视大科学研究，对大科学研究项目的经费投人也较大，重大科学装置的分布主要集中在首都东京周边，与国家将大科学项目向地方扩展的意图相配合。〔10〕日本政府还重视大科学装置的开放共享，促进科技成果转化，推动区域科技、经济均衡发展。同时，日本大科学装置以未来发展为立足点，以国际最高水平为目标，注重多功能性及综合性，推动产学研结合，促进产业技术演变。

（3）北京：面向前沿与需求，建设开放科研平台。北京立足其科技人才、科研院所和高校资源，面向世界科技前沿和国家重大需求，建设了北京正负电子对撞机、高能同步辐射光源地球系统数值模拟装置等，构建了良好的科技服务平台。例如：综合极端条件实验装置的建成将为我国物质科学研究提供有力支撑，并有望在发现新型高温超导体、量子计算核心技术研究等方面取得突破。〔23〕大科学装置将扩大集群规模，支撑更加广泛的基础前沿科学研究，建设全球领先的原始创新承载区和开放科研平台，为北京综合性国家科学中心、全国科技创新中心建设提供重要支撑。

（4）上海：营造大科学生态，呼唤大科学计划。上海围绕张江综合性国家科学中心以及建设具有全球影响力的科技创新中心的目标，依托其先进的科学基础设施，聚齐了全球大力创新资源，有效推动了浦东、张江大科学装置群的打造。超强超短激光实验装置、软X射线自由电子激光用户装置等大科学装置的落地与建设，将促使张江地区成为全球规模最大、种类最全、综合能力最强的光子大科学设施集聚地之一。〔24〕浦东新区作为大科学装置的主要承载区，也将实施上海光源二期线站工程等大科学装置建设，推进产学研融合，促使科技创新资源集聚、科技创新成果有效转化，营造良好的创新创业生态环境。〔25〕

（5）合肥：发挥集群优势，集聚创新资源。合肥作为我国三大综合性科学中心城市之一，集聚了一大批大科学装置，其中，全超导托卡马克核聚变实验装置、合肥同步辐射装置、稳态强磁场实验装置等的建成运行，将有效激发大科学装置间“1+1>2”的交叉集成协同效应。在建设综合性国家科学中心的过程中，合肥还充分发挥大科学装置的集群优势，吸引和集聚国内外创新要素，不断推进科技交叉融合、开放发展的研究基地建设，推动前沿技术取得突破、创新性成果产生。〔26〕

三、大科学装置建设新态势

1.大科学装置服务从学科发展到国家战略

随着基础学科的发展，大科学装置日益成为国家科技创新的重要基础平台，驱动科技创新，服务于国家战略的实施。例如：美国能源部科学办公室下辖的国家实验室，其发展的首要战略目标是立足实验室的优势和基础，强化服务美国国家战略目标。我国也将“国之重器”的大科学装置作为提升区域创新能力以及中国实现科技强国、创新强国战略的重要推动平台。

2.大科学装置建设从个体突破到集群打造

当前，大科学装置趋于以集群的形式协力打造，不仅是国内各方主体参加，还可扩大到全球合作，从而充分发挥其协同联动效应。例如：欧洲核子中心由欧盟与美国、日本等国协力建设、研究、开发，充分集聚了全球创新要素，发挥了各国自身优势，在完成科研工程的同时，还达到了国际交流的目的。为提高区域整体的创新能力，我国大科学装置建设逐步转向科研院所、高校、政府、大型企业等多方创新主体共同参与和协力打造。例如：硬X射线自由电子激光装置依托上海交通大学和中国科学院上海应用物理研究所，并由上海市给予支持。

3.大科学装置管理从项目建设到全生命期

目前，按一般基本建设项目管理大科学装置，其管理理念、制度和水平已不能适应新的要求和环境。因此，为了适应现实需求，大科学装置的建设管理将由一般基本建设项目的管理模式逐步向符合其特点的体系与机制转变，涵盖了启动、实施、收尾、运行等阶段的全生命周期，具体包括立项、建设、风险、质量（绩效评价）管理等。〔27〕例如：美国能源部的大科学装置实行全生命周期管理，并出台了管理要点的详细规定，确保大科学装置的高效运行。

4.大科学装置利用从面向内部到对外开放

大科学装置作为国家科技基础设施和创新体系中的重要组成部分、推动科技创新的重要平台，其发展的开放性、国际化的特点将进一步增强。依托大科学装置，充分发挥其服务国际合作、国家外交政策的作用，跨国家和地区的科技合作将更加频繁，国际交流合作亦将进一步加深，将推动國家创新体系建设和科技强国建设。例如：我国散裂中子源建设运行期间，不仅向国内开放，还向国外开放，积极与欧洲核子中心、英国散裂中子源实验室等的开展学术交流与技术合作。

5.大科学装置应用从支撑学术到助力社会

大科学装置在建设发展前期，主要注重其科学属性，即对学术研究的支撑作用，随着大科学装置发展日趋成熟，其对经济社会发展的带动作用和影响逐渐得到关注和重视。〔28〕例如：英国同步辐射光源在运营期间（1981～2008年）共为其雇员支付了2.2亿英镑的工资，给所在地带来了9.92亿英镑的GDP，产生的技术突破衍生了8家公司，这些公司的年营业收入超过1 亿英镑。〔29〕

四、我国大科学装置建设的瓶颈与建议

我国大科学装置由于建设和运行时间还不长，其管理办法、评价体系等还不够完善，与国际大科学装置发展的先进水平相比，存在明显差距。

1.大科学装置建设的瓶颈

（1）大科学装置建设管理问题。一是设计建造周期长，面临工程成本上涨、施工进度滞后、设计性能过时的困境。二是运行维护所需人力和物力耗费巨大，维护费用有效控制难度大。三是大科学装置的运行水平相对较低和开放共享程度不够，一定程度上影响高水平成果的产出。四是现阶段我国科研投入主要实行的是项目经费与薪资发放两条线，导致许多项目有运行费，但人员费不足。〔30〕例如：“中国天眼”难觅驻地科研人才的困境，说明大科学装置长效、全面的运行管理机制亟待完善，尤其是人才管理机制亟待创新。

（2）大科学装置成果产出问题。大科学装置的建设需投入大量人力、物力、财力，但目前重大科技成果产出较少，尤其是缺乏国际领先性成果，对区域发展的贡献仍需进一步提高。一是缺乏具有战略意义的重大科技创新成果，原始创新推动能力不足。二是科技成果转化不足，高技术服务较少，科学效益、社会效益、经济效益发挥不充分。

（3）大科学装置合理布局问题。目前，我国尚未形成科学的、明确的大科学装置建设布局规划，导致大科学装置布局的系统性、前瞻性不够。具体为空间布局较为分散（东部多，西部少），学科领域不均衡（物理学领域较多），可能导致大科学装置间的协同效益和综合优势难以充分发挥，不利于国家产业创新能力的全面提升，并且对周边地区经济和社会发展的辐射带动作用有限。

（4）大科学装置评价机制问题。我国大科学装置立项建设前的评估以及建成后的运行管理评价体系不够完善，一定程度上会影响大科学装置性能和开发共享度的提升。另外，科研过度行政化带来的简单数字化的评价，对于建设、研究周期长的大科学装置相关科研人员比较不利。形成鲜明对比的是，英国大科学装置建设运营过程中，由高等教育拨款委员会、专业科研管理部门、国家审计办公室分别对项目立项、影响力、经费使用进行评价，建立了较为全面的评价机制。〔31〕

2.大科学装置建设的建议

（1）完善大科学装置管理机制。借鉴国际先进管理经验，加强顶层设计，建立持续稳定的政策与经费支持体系。一是从国家层面制定和完善详细的管理细则，使大科学装置的建设有据可依。二是建立和完善大科学装置的开放共享机制，加强项目建设的国际化，鼓励外部科学家和科研团队使用大科学装置，支持国际合作利用大科学装置。三是大科学装置工程建设以及运行期间，国家和省级层面应分别给予持续稳定的经费支持，创新人员经费保障机制，解决建设运营期间人员等方面的经费问题。

（2）提高大科学装置成果产出。提高大科学装置成果产出效率与应用水平，实施边研究、边发展、边应用的大科学装置建设路径。一是有效集聚多种创新资源，不断改进和提升大科学装置本身的运行水平和能力，使大科学装置能够承担更高水平的研究工作，涉及更广泛的研究领域，推动重大原始创新成果产生。二是积极完善科技成果转化利用机制和知识产权保护机制，鼓励企业依托大科学装置开展科技研发，促进技术成果转化和产业化，延伸产业链，形成产业与科研平台良性互动。三是重视软环境建设，营造良好的创新生态环境，促使产出与投入相称，取得更多原创性科学成果和变革性技术突破。

（3）推动大科学装置合理布局。加强顶层设计，加快制定科学、合理的大科学装置布局规划，将国家的战略需求、科技规划与科研机构的自身发展相结合，注重科学研究价值链的整体布局。一是重视大科学装置带来的原始创新及产业应用，尽力适度超前谋划布局并引导前沿技术研发和产业应用，努力在新一轮全球产业结构演变中赢得竞争优势。二是在大科学装置建设过程中，加强国家实验室、国家区域科学中心建设间的协同合作，推动多学科、多领域均衡发展。三是在基础研究、应用研究的基础上，充分发挥人才、技术溢出效应，通过科技创新促进高新技术产业发展，实现区域经济社会的均衡、全面发展。

（4）深化评价体制机制的改革。优化大科学装置建设、管理、科研人员的评估评价机制，为原创性成果的产生营造良好的环境。一是可以从国家层面组织专家开展立项建设前的评估，包括对新领域开发及现有领域发展的科学评估，以及对建设成本、融资计划、方案实施可行性与应用性等经济评估。二在大科学装置的运行及服务方面，每个运营中心可探索设立评审委员会，定期进行自我评估；从国家层面可以设置专门组织对其管理运行和开放共享服务等进行综合评价，并将结果作为后续支持和扩大投资的重要依据；由第三方评估机构对大科学装置进行全生命周期评价，切实提高大科学装置的运行服务效率。此外，还应避免简单使用数据来显示大科学装置的生产力和质量，而应对其所产出的科学内容进行评估。

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（责任编辑 傅 文）