基于大数据的透射电镜开放共享实践与探索

朱燕华, 郭新秋, 王 戈, 刘 静, 卢 翀, 何 琳

(上海交通大学 分析测试中心, 上海 200240)

上海交通大学分析测试中心(以下简称“中心”)成立于1983年，是一所具有国家计量认证(CMA)资质的开放共享检测平台。中心在承担校内科研项目分析测试任务的同时，也面向社会提供综合性的分析测试服务。透射电子显微镜作为中心重要的大型精密仪器设备之一，是表征样品超微形貌、结构与微区成分组成的基本手段[1]，已广泛应用于材料、机械、化学、生命科学、医学等各研究领域[2]。

由于测试需求量较大而设备价格相对高昂，国内许多高校都面临着透射电镜资源紧缺、机时紧张，无法满足测试需求的困境[2-3]，也直接导致相关科研工作的透射电镜分析测试周期长，制约了科研项目的实施进度。如何在透射电镜设备资源紧缺的条件下，充分提高现有透射电镜的有效使用机时，进一步促进透射电镜的开放共享，已成为透射电镜管理中迫切需要解决的关键问题[4]。本文以中心电镜平台的生物型透射电镜(Tecnai G2 Spirit Biotwin，FEI)为例，通过对近两年测试服务大数据的统计分析，寻找造成透射电镜机时紧张的根源，制定行之有效的运行管理改革措施，从而大幅提高了透射电镜的开放共享水平。

1 依托全面的信息化开放共享管理平台

信息化管理是实现大型仪器设备高效开放共享的基础[5]，也促进贵重设备资源开放共享的公开性与透明度[6]。中心拥有面向社会开放的信息化仪器设备共享平台，校内外用户可根据自身的测试需求，通过该仪器管理系统预约所需的各类仪器设备。仪器设备的管理员可通过该仪器设备管理系统，实时更新与维护设备的开放时段、核定测试费用、管理自主操作人员权限等信息，全面实现了仪器设备的数字化、信息化办公与管理。同时，中心的仪器设备间统一安装了门禁系统，必须使用管理系统后台授权的校园一卡通方可刷卡进门，提高了仪器设备的安全使用与管理水平。

随着测试记录的不断累积，仪器设备管理系统的后台数据库中也存储了大量的使用信息，包括使用人、测试仪器种类、测试时长及样品数量等。通过对这些测试信息数据的统计分析，有助于深入地了解与分析每台设备的用户分布、开放机时数、使用效率等关键信息。结合不同仪器设备各自的特点，为实现“因器施管”，给每台仪器设备制定有针对性的科学管理方法提供了依据。

2 推进透射电镜运行管理模式的改革

透射电镜是中心微区分析室的核心设备之一，应用领域广泛，测试需求量很大。为贯彻开放共享的理念，生物型透射电镜多年来一直坚持全天开放运行，但仍有许多师生反映预约电镜工作时段的机时困难。为解决透射电镜的机时供需矛盾，透射电镜管理机组对进一步促进其开放共享进行了实践和探索。

2.1 透射电镜测试服务信息的统计分析

对测试服务信息进行统计分析后，发现生物型透射电镜工作时段的机时严重不足，而夜间非工作时段的机时则相对较为宽裕。对仪器管理平台中2017年度生物型透射电镜测试信息的统计分析结果表明，该透射电镜全年服务的研究团队总数为90个，其中测试需求量较大的团队(年测试样品量>50个)有22个，约占总数的24%。需求量大的研究团队中，原先仅8个团队的共24名师生具有自主操作资格，其余均通过网上预约透射电镜工作时段的机时完成样品测试。

2017年度透射电镜的有效测试机时总数为2 273 h，其中工作时段的实际测试机时数为1 368 h，非工作时段的测试机时数为905 h，工作时段的机时数显著高于非工作时段。此外，透射电镜工作时段中超过70 %的机时均被需求大的研究团队所占用，这也直接导致了工作时段的透射电镜机时供不应求，造成其他用户预约电镜测试困难。

2.2 加强自主操作培训，科学分配机时

根据上述分析结果，透射电镜管理机组有针对性地制定了透射电镜管理方法改革新举措，积极推动测试需求量大的用户在夜间或凌晨等非工作时段进行透射电镜测试，将工作时段的电镜机时主要用于服务测试需求相对较少的用户。此举旨在提高电镜的开放机时，并合理分配在工作时段与非工作时段两者之间的测试机时比例，从而解决生物型透射电镜机时供需严重失衡的现状。

重点加强透射电镜的自主操作培训力度，实现透射电镜大用户的自主操作培训全覆盖。改变以往被动接受师生自主操作培训需求的工作模式，通过对测试信息的逐个排查，主动与测试需求量大但尚未具备自主操作资格的研究团队直接沟通，详细讲解在非工作时段进行电镜自主操作的优点，鼓励团队派研究生或青年教师参加透射电镜的自主操作培训。改变以往一对一的低效率电镜自主操作培训模式，实行灵活的小班制滚动式自主操作培训。为保证获得最佳的培训效果，限制每期自主操作培训班的参加人数≤5人。在透射电镜工作时段的机时仍比较紧张的阶段，为保障透射电镜的正常测试工作及避免加剧电镜工作时段机时不足的矛盾，透射电镜管理机组的教师充分利用午间及傍晚的非工作时段开展电镜的自主操作培训工作。由于透射电镜的操作较为复杂，安全注意事项相对较多，自主操作的培训周期也相对较长。通过对人员及仪器设备等各方面因素的统筹安排协调，在培训过程中采用同时错峰开设两期自主操作培训班的策略，大幅加快了自主操作的培训效率，为在短期内高效解决透射电镜的机时供需矛盾奠定了基础。

2.3 制定电镜测试的梯度收费标准

合理运用经济杠杆，多管齐下，进一步细化调节非工作时段内的机时均衡分配。制定透射电镜机时费的梯度收费标准，如：夜间17:00—00:00的非工作时段，执行正常的自主机时收费标准；而00:00—08:00的非工作时段，按正常自主机时费的50%收费。通过大幅降低凌晨时段的机时费用，鼓励需求量大的研究团队充分利用凌晨时段的电镜机时。

此外，由于部分团队的学生基数大，因而透射电镜测试的需求机时数量也相对较多。在周末等节假日期间，为这类团队开设专用的自主操作测试时段，由团队内相对固定的具有自主操作资格的师生进行电镜自主测试。在此期间，透射电镜自主操作以每4 h作为预约的最小机时数，同时机时费也下调至自主机时收费标准的50%，大幅降低了课题组的电镜测试费用。并在保证这些团队能有充足的透射电镜测试机时数的同时，减少了节假日期间透射电镜操作人员的流动性，为透射电镜在节假日期间的正常安全运行与管理提供了保障。

3 建立完善的培训考核与管理制度

随着透射电镜开放共享水平的不断提高，自主操作人数的增多也带来了电镜操作人员流动性大幅增加的问题，为透射电镜的安全运行与管理增加了潜在的风险[3, 5]。因此，制定严格规范的培训考核标准及日常细致的仪器管理维护对于保障电镜正常运行，减少人为导致的设备故障尤为重要。

强化实验室安全与仪器设备规范操作的教育，将安全要点贯穿于自主操作培训的理论与操作全过程。宽进严出，严格执行自主操作培训的考核制度。制定严谨规范的“自主操作培训考核评价表”，内容包括透射电镜安全操作的所有关键操作要点，防止安全隐患。通过自主操作上机考核后，自主操作人员需通过我校安全教育与考试管理系统中的实验室安全理论知识考试，并在学习了解“自主操作安全承诺书”中的各项安全制度与相应的惩处规定后，由自主操作人员签署安全承诺书。对于未能按安全规定进行自主操作的师生，根据情节的严重程度，实行通报、暂停自主操作测试、取消自主操作资格等相应的处罚措施。

加强沟通交流，安全责任明确到人。通过建立自主操作人员的微信群，透射电镜的管理者可提前发布当天非工作时段的自主操作人员次序，便于自主操作师生间的前后交接及交流互动。同时，要求每位自主操作的人员在完成电镜测试后，均需拍摄电镜的仪器状态界面等反映运行状态关键信息的图片，并发布于微信群内。这为界定交接前后仪器状态是否正常提供了判断依据，减少因自主操作人数较多而引发的责任不清的问题。建立透射电镜自主操作紧急联系人制度，公布该透射电镜上岗所有教师的联系方式，确保师生在自主操作过程中遇到问题时，能随时联系到电镜的管理人员给予专业指导。同时，在电镜间安装了可远程控制的高清监控装置，不但便于电镜管理者在非工作时段随时了解电镜的运行状态及实验室安全状况，还可在指导自主操作师生实时解决电镜故障时发挥较大的作用。此外，通过仪器管理系统中预约信息与门禁系统中个人信息的精准匹配，自主操作的师生仅可在其预约时段内通过预约人的校园卡刷开门禁，进入所预约仪器设备的实验室，实现了规范化、信息化的高效管理，也为透射电镜自主操作的追根溯源提供了必要依据。

4 提升师资队伍的技术与管理维护水平

高水平的仪器管理队伍是实现电镜等大型设备高效开放共享的基本保障[7-9]。通过系统全面地学习透射电镜的理论知识与技术培训，进一步提高了透射电镜管理人员的技术水平与业务能力。在提高测试分析技术的同时，积极学习透射电镜的管理维护技术及各种故障的解决方法，并在日常工作中不断总结，以积累丰富的透射电镜常见故障排除经验，保障自主测试过程中透射电镜的正常高效运行。

透射电镜实行专人负责，多人协助的管理模式。仪器设备的管理维护工作，重在预防，防微杜渐[10]。透射电镜管理人员每日检查并详细记录电镜室的温湿度、循环水温度与流量、真空状态、灯丝暗电流强度等指标参数，确保及时发现电镜状态的异常。每个检定周期内，配合专业的检测机构对透射电镜的放大倍率、图像畸变与图像漂移速率等参数进行检定和校准，确保透射电镜为科研工作提供准确的测试数据。

5 改革成效

经过一系列改革措施的实施，透射电镜机组2018年度培训自主操作师生累计达89人次，覆盖我校9个院系31个研究团队，在解决透射电镜机时紧张的矛盾及促进透射电镜开放共享方面取得了显著成效。对仪器管理系统中的测试信息统计分析结果表明，2018年度的透射电镜的使用效率大幅提高，机时数与样品量分别为3 475 h与8 487个样品，环比2017年度同期的增幅分别为52.8%与93.9%，参见图1。

图1 2017与2018年度生物型透射电镜的测试机时数与样品数对比

图2是2017年与2018年度生物型透射电镜的实际测试机时数分布图，从中可见，生物型透射电镜的运行管理模式经改革后，2018年度透射电镜非工作时段的机时数已高于工作时段的机时数2倍以上，表明夜间、凌晨等非工作时段已被很好地应用于透射电镜测试中，从根本上促进了透射电镜的开放使用效率。

图2 2017年与2018年度生物型透射电镜的实际测试机时数分布

6 结语

透射电镜是目前分析测试领域中的基础型仪器设备[2]，在促进科学研究及企业创新研发工作中发挥着重要作用[11]。建立和健全电镜等大型贵重仪器设备高效的运行管理体制，直接影响着相关领域的科研水平及技术能力的提高。通过对透射电镜测试信息的大数据统计分析，可深入挖掘仪器设备的实际运行状况与特点，为制定完善的仪器设备科学管理制度提供可靠的依据，对促进大型仪器设备的使用效率、提升开放共享水平和社会服务程度具有重要意义。