美国能源部重大科技基础设施对我国开放服务趋势研究及找九宮格交流启示_中国网
April 25, 2024|
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中国网/中国发展门户网讯 新一轮科技革命和产业变革突飞猛进，科学研究范式正在发生深刻变革，重大科学发现和重要技术突破越来越离不开重大科技基础设施（以下简称“重大设施”）的支撑。重大设施是探索未知世界、发现自然规律的国之重器，是解决国家重大战略科技问题的主平台，已成为世界科技强国必争的战略高地。世界主要国家将重大设施作为开展科学技术交流、汇聚培养高端人才、展示国家形象、推动国际交流合作极其重要的平台。 重大设施多由公共财政资金投资建设和支持运行，其公共属性、资源稀缺性决定开放共享是其本质属性之一。为最大限度地释放重大设施服务效能，如何更好地推进重大设施开放共享成为各国关心的重要问题。目前，国内学者围绕重大设施的开放共享机制、管理平台、服务成效等开展了研究。其中，王慧斌和白惠仁、王立伟等、解志韬等分别从国家、区域、机构层面探讨了家教重大设施开放共享机制；夏金瑶等、邓泉等分别对EAST、CRAFT的开放运行机制展开探讨；陈娟等简要概述了中国科学院重大设施开放共享服务平台建设进展与服务成效。大多研究主要是总结国内外重大设施开放共享管理规定及相关举措，分析国内外特定重大设施的开放机制，少有学者从用户设施整体提供开放服务的角度对重大设施开放共享趋势开展研究。本文在分析美国能源部（DOE）国家重大设施开放共享特点的基础上，从我国对DOE重大设施的使用需求、成效和困境3个方面深入剖析其对我国科研用户的开放趋势，以期为我国重大设施的开放共享和布局建设提供参考借鉴。 美国能源部重大设施开放共享特点 DOE于2012年将由美国联邦政府资助，可为学术界、工业界等科研人员提供开放共享服务的重大设施定义为国家用户设施（user facilities）。截至2022财年，DOE用户设施有28个，覆盖先进科学计算（ASCR）、基础能源科学（BES）、生物和环境研究（BER）、聚变能源（FES）、高能物理（HEP）和核物理（NP）、加速器研发和生产（ARDAP）等领域。DOE于2015年开始建设用户项目/实验数据库，本文以2015—2022财年用户研究提案数共享會議室据作为研究样本，分析得出DOE重大设施的开放共享特点。 设施长期连续开放共享，实行动态调整机制 美国于二战期间开始建设重大设施，在国家层面主要以DOE和美国国家科学基金会（NSF）开展全面持续的设施战略发展布局研究。美国联邦政府大力支持和鼓励重大设施对外开放共享。依据《联邦政府采购法》，重大设施管理运行机构应在保证实现重大设施科学目标、服务国家战略意志的同时，最大程度地向社会开放共享。DOE用户设施建设起步相对较早，历经翻新、升级改造，至今仍在运行并向社会各界提供开放共享服务，在2015—2022财年内有26个用户设施持续对外服务（图1）。其中，高通量同位素反应器（HFIR）自1966年运行至今，在材料辐照后测试、中子散射等方面发挥重要作用；斯坦福同步辐射光源（SSRL）自1977年建设并启用以来，在推动科学发现和技术创新方面功不可没。 DOE会动态调整其用户设施清单，由用户设施运行机构提出申请，经相关部门审查批准后成为用户设施。例如，加速器测试装置（ATF）于2015年3月被指定为用户设施，2022财年前隶属于高能物理（HEP）计划，后调整至加速器研发和生产（ARDAP）计划。先进加速器实验测试工具（FACET，2012年运行）为升级做准备，在2017—2019财年未对外开放。升级后的FACET-II通过用户设施申请流程，在2020财年初再次纳入用户设施清单。设施退役后将会从用户设施清单中移除，如托卡马克核聚变反应堆（Alcator C-Mod）。 发挥设施科技外交作用，国际竞合中把握主动权 科技外交代表国家通过科学连接世界的软实力。重大设施作为科技活动的重要承载平台，不仅在科技外交中发挥着重要的牵引作用，同时也是执行国家/地区对外合作政策的关键节点。美国积极推进重大设施开放共享，吸引了来自全球的优秀科学家，通过开展科技合作展现其科技大国的实力。然而，随着科技创新战略制高点的竞争日益加剧，美国对华科技合作在其政策调整背景下逐渐收紧。 DOE用户设施为近100个国家和地区研究人员提供开放共享服务，每年约接待来自70多个国家和地区的用户。在2015—2022财年间，其他国家/地区的使用频次合计为76 977次（即对外服务），占其总服务约16%。具体而言，高性能计算设施、中子设施、纳米科学研究设施的对外服务比例相对较低；聚变能源、高能物理和核物理计划设施对外服务比例相对较高（表1和图2）。 中国、英国和意大利等国的研究人员是其主要用户群体（图2）。使用频次总量位居第3—7位的国家均为七国集团（G7）成员，上述国家积极参与了DOE用户设施的建设与升级，2023年G7峰会发布联合公报中提出推进重大设施的数字化联网与国际化利用，以FAIR为原则推进研究成果的开放共享。值得注意的是，随着中美竞合关系的不断变化，中国利用DOE用户设施的次数出现明显下降。 推动设施远程访问服务能力，不断优化服务模式 DOE用户设施提供服务方式主要包括利用设施开展实验研究和利用设施数据服务开展研究两类。前者包括到访使用、远程使用、到访/远程混合使用3种形式；后者提供数据使用服务的设施包括大气辐射测量气候研究设施（ARM）、聚变能源设施（NSTX-U、DIII-D、Alcator C-Mod）、综合纳米技术中心（CINT）和先进加速器实验测试工具（FACET/FACET-II）。受新冠疫情影响，DOE用户设施在2020年初取消或推迟了部分服务计划，当年提供服务次数略有下降，到访使用设施次数减少明显（图3）。随后，DOE积极探索远程服务模式并进行相关技术研发以应对疫情冲击。 近年来，DOE在不断提升服务能力的同时积极探索服务新模式。2022年1月，DOE光源和中子7个用户设施组建相关工作组，探讨在研究人员无法到访使用的情况下，设施管理机构如何通过创造远程实验环境保证研究人员正常开展科研工作，实现设施协同和用户安全交互。全球新冠疫情肆虐倒逼设施服务模式转型，对远程服务、用户交互技术、信息技术与标准化等提出更高要求。 重视不同类型设施协同联动，重塑设施创新生态 实验观测和模拟分析获得的数据是数智科研时代的“金矿”，以光源为代表的平台型设施和科学数据基础设施正积极响应新科研范式挑战。在新冠疫情期间，研究人员利用直线加速器相干光源（LCLS）获取新冠病毒结构数据，并借助美国国家能源研究科学计算中心（NERSC）的先进算力和美国能源科学网络（ESnet）进行实时图像分析研究，加速新冠疫苗研发进程。2020年，5个光源设施的研发人员组建数据解决方案工作组，构建和开发相关软件、算法和网络基础设施，满足所有光源设施从实施数据分析到数据存储存档的共性需求。 DOE高度重视建设数据流连贯的重大设施科技创新生态系统，涉及科学数据、计算硬件、软件、传输网络、应用、安全等各方面。DOE于2020年启动、2023年正式实施综合研究基础设施（IRI）计划（图4），将利用专用科学数据网络，有效连接观测和实验国家用户设施、先进计算设施、高性能数据设施等科技资源，加速尖端观测技术手段和高性能计算分析能力的融合，并利用人工智能、数字孪生等新技术加速科学发现。 我国对DOE重大设施的使用需求和挑战 中国科研人员是DOE用户设施的重要用户群体 按用户研究提案使用频次统计，2015—2022财年，中国科研人员使用DOE用户设施的次数为9 978次，占其对外服务的12.98%。中国科研人员主要是通过提交研究提案经DOE用户设施审批后获得使用资格，直接利用设施科学数据开展研究的使用频次仅为510次。2015—2019财年，使用形式多为到访使用。受新冠疫情影响，2020—2022财年多为远程访问（图5）。从地域分布来看，我国30个省市的科研人员利用DOE用户设施开展相关研究，具体呈现为北京（3 387次）、上海（1 656次）、安徽（1 490次）、湖北（653次）、甘肃（399次）科研人员的使用频次相对较高。这与我国综合性国家科学中心的布局高度契合。2016—2017年，国家发展和改革委员会、科学技术部联合先后批复上海张江、安徽合肥、北京怀柔的综合性国家科学中心建设方案。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出建设重大科技创新平台，支持北京、上海、粤港澳大湾区形成国际科技创新中心，支持有条件的地方建设区域科技创新中心。成渝地区、武汉、西安先后获批建设国家科技创新中心，其中西安同时获批建设综合性国家科学中心。 我国高校、科研院所、企业均在DOE用户设施上开展过研究工作，使用频次较多的机构如图6所示。147所高校共使用6 304次；77家科研院所共使用 3