基于全寿命动态评价体系的大型仪器管理与实践

朱瑞虎， 王启明， 章家保， 陈加银

（河海大学a.港口海岸与近海工程学院；b.理学院，南京 210098）

0 引 言

大型仪器设备是科研工作者探索未知世界的利器，是现代科学研究的重要基础条件和战略性科技资源，是高校教学科研的必备手段和重要物质条件。同时，大型仪器设备具有价格昂贵、科技含量高、专业性强、运行成本高等特点，各类大型仪器设备特别是通用型大型仪器设备依然处于供不应求的状态，具有明显的稀缺性。2015 年国务院下发关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的意见（国发〔2014〕70 号），意见要求推进高等学校科研基础设施和科研仪器的全面开放、充分共享，提高科研设施与仪器使用、配置的效率和效益，强调需要建立科研设施与仪器开放评价体系，定期对其共享情况进行评价考核，并将评价结果作为科研设施购置、资产管理、财政资金补助的重要依据。因此，构建科学合理的大型仪器绩效评价方法及评价模型具有重要的现实意义。

目前一些高校相关机构和管理人员逐步开始探索大型仪器管理使用评价方式。宋楠［1］等讨论促进提升仪器的利用率方法，研讨了实现资源优化配置的有效途径。王迪等［2］以成都中医药大学西南特色中药资源国家重点实验室色谱质谱分析平台为例，剖析大型仪器共享平台在提升大型仪器的使用率提升。温海虹［3］阐述建设大型仪器开放共享管理平台的必要性和紧迫性，并提出改进和完善的措施和方法。佘欣［4］基于云南省三所高校的调研，围绕云南省高校大型仪器设备的共享情况、制约因素和对策建议开展研究。何若淼［5］针对广东省的经济、科技发展优势，设计大型仪器平台构建原则及具体平台架构。

现阶段，大型仪器设备开放共享管理的研究主要着眼于机制创新、平台构建与新技术应用，并从这些角度对仪器设备的开放共享提出革新建议，研究停留在经验与解决方案的总结层面。评价方法存在指标片面、模式简单、角度单一的问题。事实上，大型仪器具有明显的专业性和生命周期性特征，不同设备的专业应用特征具有不同，同时生命周期中指标随时间变化情况也不同。现有的评价未考虑多维度、动态评价方法，较少引入经济学、管理学、社会学的基础理论，缺乏系统性和理论研究深度，尚未完全形成一门系统的大型仪器设备开放共享管理科学体系，与开放成效、激励效果和目标要求相距甚远。

本文根据实践中大型仪器使用和共享特点，基于全寿命周期曲线及其量化方法，构建动态多维全寿命量化评价数学模型，深入探讨全寿命模型在大型仪器管理评价中的应用。该方法为促进开放大型仪器管理共享工作的良性发展提供更合理的评价流程。

1 大型仪器全寿命周期共享能力量化方法

就目前研究来说，大多数大型仪器共享评价体系遵循教育部印发的《高等学校贵重仪器设备年度效益评价表》（教高司条函〔2000〕010 号）［1，6-8］。通常对单个仪器而言主要考虑机时利用、人才培养、科研成果、服务收入、功能利用与开发进行评价，这5 个方面的比重为35∶20∶25∶15∶5。事实上，大型仪器与其他仪器一样存在从“出生”到“报废”的全生命周期，现根据大型仪器服役阶段将其生命周期分为试用期、成长期、平稳期和衰退期4 个阶段［9-10］，如图1 所示，试用期指设备采购完成后安装调试及尝试试验阶段，这个阶段更多是仪器管理人员学习及开始使用仪器阶段，这一阶段仪器还没有真正发挥其价值；成长期是指仪器管理人员逐步熟练掌握仪器使用，能结合专业背景开展相关科研试验的阶段，在这一阶段仪器开始逐步结合专业研究发挥价值；平稳期是指管理人员已经熟练掌握仪器的操作、维护，并根据专业需求设计试验方案甚至可以对仪器进行改进或者功能开发，仪器在这一阶段充分发挥其价值；衰退期是指仪器逐步进入服役后期，容易发生故障，在这一时期其服役能力出现衰退直至报废。大型仪器在寿命周期各个阶段的共享能力、特点以及评价方法不一样，简单地采取同样的权重和评价体系对大型仪器评价易出现严重的偏差。一些学者提出了仪器全寿命管理理念，李艳红等［8］基于数据库技术，建立了资产全寿命周期、多维度管理系统，实现了信息的共享和管理的数字化。翟天任等［10］以寿命周期理论为基础，探讨高校贵重仪器设备在寿命周期各个阶段的特点及相应的管理措施。杨正丽［11］从论证购置、建账入库到出库使用、维护维修以及报废处置等阶段对仪器进行全寿命周期管理。杜婷［12］分析了仪器设备履历管理的优点以及进一步深入实施仪器设备履历管理的思考。但是目前全寿命模型主要采用类似于过程管理方法，对于仪器的评价均强调阐述和记录，对于大型仪器共享的全寿命曲线量化分析及评价没有构建一套行之有效、具体可用的量化评价方法。

图1 大型仪器全寿命曲线

首先针对大型仪器共享能力W（t）寿命曲线进行建模，量化其随时间变化的曲线形态，为后续动态全寿命评价模型奠定基础。目前全寿命曲线主要有多项式曲线模型、龚伯兹曲线模型、皮尔曲线模型等量化方法。其中龚伯兹曲线模型、皮尔曲线模型多于用产品、流行病等问题中，需要一定的边界条件等约束才能确定相应的准确曲线表达式［13］，多项式曲线模型具有参数灵活、统计分析方便、拟合精度较高等特点，更适用于一些多变的场景［14］，因此本研究考虑大型仪器曲线形态及易用性，采用多项式模型构建全寿命曲线量化表示。设试用期为0 ～t1时段，成长期为t1～t2时段，平稳阶段为t2～t3时段，衰退阶段为t3～t4时段，不同阶段采用不同的多项式曲线拟合方法。

（1）试用期。设该阶段从0 开始至t1结束，考虑到该阶段器主要管理人员学习及开始使用仪器阶段，因此设置W（t）=0：

（2）成长阶段。设该阶段从t1开始至t2结束，考虑到该曲线在t1为0，在t2达到极值，以及指标标准化，得到该阶段采用共享能力W（t）多项式函数：

（3）平稳阶段。设该阶段从t2开始至t3结束，该阶段共享能力设置为W（t）=1。

（4）衰退阶段。设该阶段从t3开始至t4结束，考虑到该曲线在t4为0，在t3达到极值，以及指标标准化，得到该阶段采用共享能力多项式函数：

总之，大型仪器共享能力曲线W（t）具有表达式：

该函数在应用中仅仅需要相关领域专家分析时间点t1～t4，易于软件系统开发和使用。

2 动态全寿命大型仪器管理评价模型

2.1 评价指标选择及动态量化方法

近年来，多所高校根据自身特点建立了设备效益评价管理规定或方法，开展大型仪器设备绩效考核，充分调动仪器设备开放共享的积极性，提高设备利用率［15］。本文依据教育部、科技部相关规定，结合我校设备效益评价管理规定相关内容［16］，选择机时利用、服务收入、人才培养、科研成果、设备管理、功能开发作为评价指标。考虑到不同类型的大型仪器在其生命周期的各个阶段的共享能力不同，采用时变指标量化方法对处于不同阶段的大型仪器进行评价和分析。主要讨论基于全寿命共享能力概念对诸多指标进行分别建立动态量化模型。设机时利用、服务收入、人才培养、科研成果、设备管理、功能开发这6 个方面量化指标分别为：Zi，i=1，2，…，6。量化原则兼顾3 方面：①教育部或科技部的相关评价要求；②消除量纲差异，采用规范化量化方法，以达到客观评价的目的；③反映不同仪器生命周期中共享能力的变化，达到动态、科学评价的目的。建立统一动态量化公式为：

其中t为相对时刻，Ti（t）分别为机时利用、服务收入、人才培养、科研成果、设备管理、功能开发6 个方面非标准化统计数值，具体如表1 所示计算方法，其中T1（t）、T2（t）分数计算方法参考科技部及教育部规定，其他分数计算方法根据各单位大型仪器管理办法进行赋分，表3 以河海大学大型仪器管理评价方法展示了T5（t）的赋分管理办法，其他项不再一一展开列举；TMi，i=1，2，…，6 分别为6 个方面的标准化因子，具体如表2 所示计算方法；W（t）大型仪器共享能力曲线，计算方法为公式（3）；c为共享开始与结束阈值，当共享能力W（t）小于阈值c 时，不予以共享评价，通常c=0。

表1 量化指标Ti（t）计算方法

表2 标准化因子TMi 计算方法

表3 河海大学设备管理评分办法

2.2 多维综合评价构建

大型仪器设备管理评价是受多因素综合影响，由于各类大型仪器设备的使用性质、应用重点具有明显的区别，故多维影响因素的权重需要根据仪器的不同而采用不同的设定。对于权重设定主要是有定性排序法［6］、模糊评价法［7］、层次分析法［16］等。其中层次分析法是一种科学的融合定性和定量分析的决策方法，通过比较两两因素之间的相对重要程度，构建判断矩阵。通过对矩阵的运算，将人的思维过程和主观判断数字化，该方法广泛应用于各类复杂系统权重的确定中［17］。层次分析法将各个因素某一推测的重要性进行两两比较，按同等重要、稍微重要、明显重要、强烈重要、极端重要，相应的重要性标度分别为标识1、3、5、7、9，中间值标识2、4、6、8，构造两两比较的判断矩阵，并依托特征值方法，最终得到各因素的权重。该方法不把所有因素放在一起比较，而是两两相互比较，对此时采用相对尺度，以尽可能减少性质不同因素相互比较的困难，以提高准确度。

本文基于层次分析法，通过专家问卷调查确定大型仪器在不同生命周期阶段各因素的相对比较结果，构建随时间变化的判定矩阵，体现不同生命周期阶段因素重要性的改变，并由此构建随时间（生命周期阶段）不同的因素权重。设不同阶段6 个方面的因素权重为ωi（t），i=1，2，…，6，其中t为时间参数。构建大型仪器管理综合得分

V（t）最大值为1，最小值为0，分数越高，表明仪器的综合管理水平越高。

2.3 多维指标管理评价流程

根据评价指标选择及动态量化方法设计设备管理的综合评价流程如图2 所示。大型仪器管理评价首先采集大型仪器管理的数据，如服务机时、服务收入等，然后进行数据分类及结构化，最终根据仪器所处的时间周期确定各项数据的权重并建立动态评价模型进行该时期的多维动态评价，其中生命周期时期和权重根据专家问卷调查进行确定。在动态评价可根据不同时间变化进行更新进行不同时期的大型仪器管理评价。

图2 大型仪器管理动态评价流程

3 大型仪器管理动态评价实例

以港口航道工程与海岸科学实验中心的多普勒海流剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，简称ADCP）为例进行动态管理评价。该仪器生产厂家为美国RDI公司，单价53.88 万元，主要用于现场动态近海或内河三维流速，航测水流断面流量、近海水流量、河底深度剖面测量等。

3.1 全寿命曲线构建

该设备近期已退役，从购置到退役跨度16 年，仪器管理规范、记录详实，可作为设备全寿命管理的经典案例。根据实验室专职教师使用情况和相关专家的意见，设备第1 年为试用期，第2 ～4 年为成长期，第5 ～14 年为平稳期，第14 ～16 年为衰退期，因此得到生命周期量化函数为：

由此得到曲线如图3 所示，该图形存在一个光滑上升（成长期）和光滑下降阶段（衰退期），充分体现了相对共享能力随时间变化的量化值。

图3 ADCP设备共享能力量化曲线

3.2 各阶段综合权重的确定

考虑ADCP仪器不同阶段中管理中机时利用、服务收入等各因素各有侧重，为更好评价ADCP 的管理效益，通过专家问卷咨询综合得到层次分析法判断矩阵，并通过矩阵计算不同阶段的各因素权重，如表4 所示。可以看出，在试用期由于管理人员尚处于学习阶段，设备不做管理评测；在成长阶段和平稳期，人才培养和科研成果是管理测评的侧重点，这符合高校教书育人和科学研究的职能定位；在衰退期，除侧重人才培养和科研成果外，由于仪器老化，使用机时所占比重有所下降，而基于仪器所做的功能开发所占比重增加；设备管理的评价在各个阶段均占10%以上，说明高校对设备管理的规范性和有效性一直比较重视。

表4 ADCP不同阶段权重表

3.3 动态多维评价分析

在ADCP服役阶段抽取典型5 个年度进行设备管理测评，统计机时利用、服务收入、人才培养、科研成果、设备管理、功能开发信息，并使用公式（4）和公式（5）计算相应得分，结果如表5 所示：

从表5 可以看出，构建的模型能够较好地对于ADCP管理进行整体评价和分析，同时兼顾了多维度信息，避免只看一个因素的不合理。特别在成长期和衰退期存在机时少、收入少的现象，简单加权评分不能真实评价大仪管理水平，如第2 年采用全寿命评价方法得到0.87 分，而简单加权仅为0.71 分，得分相差22.5%；同样，第15 年简单加权与全寿命评价得分相差13.9%。这两个时期显然不能简单观察机时和收入评价其管理成效。可以看出全寿命动态评价较好地克服了简单加权评价方法的不足，更加科学合理。

4 结 语

大型仪器的科学管理及评价可提升大型仪器开放共享水平和运行效率。根据实践中大型仪器管理和共享特点，建立大型仪器服役全寿命周期曲线及其量化方法，构建动态多维全寿命量化评价数学模型，深入探讨全寿命评价模型在大型仪器管理中的应用。该方法充分考虑不同生命周期阶段中多维度、动态变化的大型仪器能力，避免简单加权得分评价的片面性，为促进大型仪器管理及开放共享工作的良性发展提供了新的手段。