重大科技基础设施的产出及影响分析

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绪言
　　刘细文 郭世杰 李泽霞（中国科学院文献情报中心）
　　1.1 研究背景
　　综合性国家科学中心建设是国家建设创新型国家的重要举措之一。2016年12月，我国多部门印发的《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》正式提出，到2020年，基本建成若干具有国际影响力的综合性国家科学中心。该文件公布后，上海张江、安徽合肥、北京怀柔的建设方案于2016～2017年相继获国家发展和改革委员会和科学技术部（简称科技部）联合批复，南京、武汉、西安、成都、杭州、深圳等也提出了建设目标。2018年11月，习近平总书记在上海考察期间指示，要以全球视野、国际标准推进张江综合性国家科学中心建设，集聚建设国际先进水平的实验室、科研院所、研发机构、研究型大学，加快建立世界一流的重大科技基础设施集群。2019年3月，第十三届全国人民代表大会第二次会议通过《关于2018年国民经济和社会发展计划执行情况与2019年国民经济和社会发展计划草案的报告》，提出“支持北京、上海科技创新中心建设，支持北京怀柔、上海张江、安徽合肥3个综合性国家科学中心建设，以科技创新支撑长江经济带发展、长江三角洲区域一体化发展战略，研究和大力支持建设粤港澳大湾区国际科技创新中心并布局建设综合性国家科学中心”。
　　从我国顶层设计和发达国家的经验来看，重大科技基础设施在综合性国家科学中心的形成中扮演着至关重要的角色。《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》指出，重大科技基础设施已成为支撑我国经济社会发展不可或缺的创新资源，是实现科技强国“三步走”战略目标和全面建成小康社会发展目标的重要保障。2010年4月，中共中央政治局委员、国务委员刘延东指出：“重大科技基础设施已成为当代战略性、基础性、前瞻性研究的重要平台。”建设重大科技基础设施能够吸引全球人才来到同一地区，加强地方大学、科研机构、政府机构之间的联系，推动孵化和创建新企业，并发挥集聚效应，形成高级技术园区。放眼全球，世界知名的综合性科学中心无不以重大科技基础设施为依托。20世纪下半叶以来，世界范围内形成的多学科、综合性、大型科学基地中，有的是依托大科学装置的独立研究机构，如美国能源部（Department of Energy，DOE）下属的多个国家实验室、日本理化学研究所和高能加速器研究机构、德国电子同步加速器研究所（DESY）等；有的是随着重大科技基础设施不断集聚而带来许多其他研究单元集聚而形成的科学园区，如法国格勒诺布尔（Grenoble）科学园区、英国哈威尔（Harwell）科学园区等。各发达国家和地区在制定科学技术发展长远规划和创新体系发展战略时，都把重大科技基础设施的建设作为战略措施放在极其重要的位置，设立了许多专门投资大科学装置的资金项目，如英国大型设施投资基金（Large Facilities Capital Fund，LFCF）等；出台了大量与大科学装置相关的管理文件以及很多与之配套的实施细则、手册、指南、规范等。此外，国际上许多科技智库、评估咨询机构也发表了大量针对重大科技基础设施的调研报告、研究论文，如《欧洲研究基础设施前景图谱》（Mapping of the European Research Infrastructure Landscape，MERIL）、大科学装置的集群与集聚效应研究等。这些政策、规划、规章、报告、论文代表了国际上与大科学装置相关的管理经验和学术研究成果，对我国规划和管理重大科技基础设施、建设综合性国家科学中心具有很高的参考价值。
　　我国重大科技基础设施经历了从无到有、从小到大的发展过程。20世纪五六十年代，我国为服务“两弹一星”等重大计划建设了一些规模较大的科学装置。20世纪80年代，以北京正负电子对撞机的建设为代表，我国重大科技基础设施的建设经历了一段成长期，中国遥感卫星地面站、兰州重离子加速器等相继建成。“十二五”时期以来，我国重大科技基础设施逐渐向体系化发展，特别是上海、北京、合肥等地已形成具有一定国际影响力的大科学装置设施群，目前三地正在以服务国家战略需求的前提下，走差异化发展道路，实现各自特色功能：上海张江综合性国家科学中心作为我国首个获批的科学中心，聚焦生命、材料、环境、能源、物质等科学领域，提升我国在交叉前沿领域的源头创新能力和科技综合实力；北京怀柔综合性国家科学中心建设高能同步辐射光源、物质科学综合极端条件实验、地球系统数值模拟、自由电子激光等大科学装置，力争实现基础前沿研究的重大突破；合肥综合性国家科学中心主要聚焦信息、能源、健康、环境等四大领域，打造量子信息国家实验室、超导核聚变中心、天地一体化信息网络合肥中心、联合微电子中心、离子医学中心、分布式智慧能源创新平台、大基因中心等七大平台，努力建设国际一流水平、面向国内外开放的综合性国家科学中心。
　　1.2 研究目标
　　在重大科技基础设施的规划、建设、管理、运行、评价等方面，吸收国外经验、分析挑战和机遇、谋划长远战略举措，可作为支撑综合性国家科学中心建设的保障手段，是我国决策层的明确需求。我国《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》要求，充分利用先进的信息技术（IT），开展设施建设和运行机制的改革探索和先行先试，创新设施建设和运行模式，形成世界级重大科技基础设施集群；并在深化后备项目的筹备论证方面“开展国内外同类设施的对比分析，逐步形成成熟的设施建设方案”。
　　本书的目标是以三个综合性国家科学中心已建、在建、待建和拟建的科学设施为目标参考对象，重点关注12类科学设施，监测、跟踪和分析国际上同类设施的建设布局、发展规划、重要科学成果和最新技术突破等动态；深度分析同一类设施产出的科学成果（期刊论文、专利等），揭示各国研究态势、热点主题、学科交叉和国际合作情况；归纳和总结国际重大科技基础设施建设的经验教训，为我国依托重大科技基础设施建设综合性国家科学中心提供信息支撑与战略情报服务。
　　本书关注的12类重大科技基础设施（其中既包括单址式设施，也包括分布式、系统集成式设施）分别是：同步辐射光源设施； X射线自由电子激光装置；核聚变设施；超强超短激光装置；空间科技基础设施；地球数值模拟器；生物成像设施；蛋白质研究设施；高性能计算设施；生物医学大数据设施；综合极端条件实验室装置；强磁场设施。本书第二章至第十三章分别对每类设施进行了详细介绍。
　　1.3 研究方法
　　围绕重大科技基础设施全生命周期过程，有许多公开的文献和数据可以作为分析对象，而分析过程也离不开和相关科技领域专家的互动咨询。针对12类设施，首先从定性调研和动态监测入手，对各类设施的国际分布情况、建设进展、重大科技成果等进行综述；然后围绕各类设施的科学成果产出（论文、专利等）和相关战略规划，通过文献计量和文本挖掘的手段，揭示国际研究态势和热点应用主题、潜在应用方向、未来发展趋势等。主要研究方法路线图如图1-1所示。
　　图1-1“面向重大科技基础设施的战略情报研究与服务”主要研究方法路线图
　　（1）数据来源：本书主要从以下两种途径获得各类设施的科学产出成果信息：
　　①各国设施官方网站所公布的与设施相关的期刊论文、会议论文和专利成果；②根据设施名称和管理运行机构等信息构建检索策略，在科睿唯安（Clarivate Analytics）的科学网（Web of Science，WoS）数据库中检索得到的期刊论文、会议论文，以及在智慧芽（PatSnap）等专利数据库中检索到的专利等。本书每章内容均针对一类设施的数据检索和获取方法、数据检索下载时间等进行了说明。
　　（2）科学计量方法：科学计量学（scientometrics）是应用数理统计和计算技术等数学方法对科学活动的投入（如科研人员、研究经费）、产出（如论文数量、被引数量）和过程（如信息传播、交流网络的形成）进行定量分析，从中找出科学活动规律性的一门科学学分支学科，目前已被广泛应用于国家科技政策或某个学科领域、研究主题的政策研究和分析中。本书针对每一类设施的科学产出数据，通过计量统计揭示了此类设施的宏观发展态势，许多章节中还利用论文关键词及引用关系等信息，从设施应用扩展、研究主题演变等角度分析了重大科技基础设施的应用趋势。
　　（3）聚类分析方法：“聚类”（clustering）是将数据对象分组为多个类或簇（cluster），其中同一个簇中的对象具有较高的相似度，而不同的簇中的对象差别较大。与人为主观的分类不同，聚类是在事先不知道欲划定的类的情况下对数据进行分析，其目的是
　　根据最大化类内的相似性、最小化类间的相似性这一原则，合理地划分数据集合，把类似的事物组织在一起。本书的多个章节采用聚类分析手段揭示重大科技基础设施的研究主题，所应用的软件有 VOSviewer、德温特数据分析器（Derwent Data Analyzer， DDA）等，这些软件可对文本进行切词，然后将文本转化为词向量，根据词向量之间的“相似度”得到聚类结果，从而生成可视化图谱。
　　除了上述方法，本书的部分章节还对设施论文的学科类别进行了分析，从中揭示了设施的多学科交叉情况等；许多章节的作者还在分析过程中与相关学科领域专家、装置管理层、装置使用者建立了联系，通过对设施的实地访问和专家咨询，了解到我国科技基础设施情报需求的第一手信息，并用这些信息来指导分析过程，获得更具针对性的研究成果。
　　由于能力及时间关系，本书难免存在不足之处，敬请批评指正。
　　第二章 基于同步辐射光源的产出及影响分析
　　李泽霞 李宜展 董璐（中国科学院文献情报中心）
　　2.1 同步辐射光源的定义及特点
　　同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时产生的电磁辐射。它最初是在同步加速器上被观察到的，便又被称为同步加速器辐射。长期以来，同步辐射是不受高能物理学家欢迎的东西，因为它消耗了被加速粒子的能量，阻碍了粒子能量的提高。但是，人们很快便了解到同步辐射的优异特性—光谱范围覆盖远红外到 X射线、高亮度、高度准直、高度极化、具有偏振特性、可精确计算等，可用以开展其他光源所无法实现的许多前沿科学技术研究。于是，在高能电子加速器上，“寄生运行”的同步辐射光束线及各种应用同步光的实验装置应运而生。至今，同步辐射装置的建造及在其上的研究、应用，经历了三代的发展。
　　第一代是在为高能物理研究建造的加速器储存环上“寄生”运行的。很快，不仅物理学家，化学家、生物学家、冶金学家、材料科学家、医学家等几乎所有学科的基础研究及应用研究的专家，都从这个新出现的光源上看到了巨大的机会。然而，同步辐射的用户与高能物理学家对储存环性能上的要求是不一致的，主要表现在由电子束发射度所决定的同步辐射的亮度上。这使得用户要求建造专门为同步辐射应用而设计的第二代专用同步光源，发射度由第一代装置的几百 nm rad降低到第二代同步光源