基于大數(shù)據(jù)的透射電鏡開放共享實(shí)踐與探索

朱燕華, 郭新秋, 王 戈, 劉 靜, 盧 翀, 何 琳

(上海交通大學(xué) 分析測試中心, 上海 200240)

上海交通大學(xué)分析測試中心(以下簡稱“中心”)成立于1983年，是一所具有國家計(jì)量認(rèn)證(CMA)資質(zhì)的開放共享檢測平臺。中心在承擔(dān)校內(nèi)科研項(xiàng)目分析測試任務(wù)的同時，也面向社會提供綜合性的分析測試服務(wù)。透射電子顯微鏡作為中心重要的大型精密儀器設(shè)備之一，是表征樣品超微形貌、結(jié)構(gòu)與微區(qū)成分組成的基本手段[1]，已廣泛應(yīng)用于材料、機(jī)械、化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等各研究領(lǐng)域[2]。

由于測試需求量較大而設(shè)備價格相對高昂，國內(nèi)許多高校都面臨著透射電鏡資源緊缺、機(jī)時緊張，無法滿足測試需求的困境[2-3]，也直接導(dǎo)致相關(guān)科研工作的透射電鏡分析測試周期長，制約了科研項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)度。如何在透射電鏡設(shè)備資源緊缺的條件下，充分提高現(xiàn)有透射電鏡的有效使用機(jī)時，進(jìn)一步促進(jìn)透射電鏡的開放共享，已成為透射電鏡管理中迫切需要解決的關(guān)鍵問題[4]。本文以中心電鏡平臺的生物型透射電鏡(Tecnai G2 Spirit Biotwin，F(xiàn)EI)為例，通過對近兩年測試服務(wù)大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，尋找造成透射電鏡機(jī)時緊張的根源，制定行之有效的運(yùn)行管理改革措施，從而大幅提高了透射電鏡的開放共享水平。

1 依托全面的信息化開放共享管理平臺

信息化管理是實(shí)現(xiàn)大型儀器設(shè)備高效開放共享的基礎(chǔ)[5]，也促進(jìn)貴重設(shè)備資源開放共享的公開性與透明度[6]。中心擁有面向社會開放的信息化儀器設(shè)備共享平臺，校內(nèi)外用戶可根據(jù)自身的測試需求，通過該儀器管理系統(tǒng)預(yù)約所需的各類儀器設(shè)備。儀器設(shè)備的管理員可通過該儀器設(shè)備管理系統(tǒng)，實(shí)時更新與維護(hù)設(shè)備的開放時段、核定測試費(fèi)用、管理自主操作人員權(quán)限等信息，全面實(shí)現(xiàn)了儀器設(shè)備的數(shù)字化、信息化辦公與管理。同時，中心的儀器設(shè)備間統(tǒng)一安裝了門禁系統(tǒng)，必須使用管理系統(tǒng)后臺授權(quán)的校園一卡通方可刷卡進(jìn)門，提高了儀器設(shè)備的安全使用與管理水平。

隨著測試記錄的不斷累積，儀器設(shè)備管理系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫中也存儲了大量的使用信息，包括使用人、測試儀器種類、測試時長及樣品數(shù)量等。通過對這些測試信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，有助于深入地了解與分析每臺設(shè)備的用戶分布、開放機(jī)時數(shù)、使用效率等關(guān)鍵信息。結(jié)合不同儀器設(shè)備各自的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)“因器施管”，給每臺儀器設(shè)備制定有針對性的科學(xué)管理方法提供了依據(jù)。

2 推進(jìn)透射電鏡運(yùn)行管理模式的改革

透射電鏡是中心微區(qū)分析室的核心設(shè)備之一，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，測試需求量很大。為貫徹開放共享的理念，生物型透射電鏡多年來一直堅(jiān)持全天開放運(yùn)行，但仍有許多師生反映預(yù)約電鏡工作時段的機(jī)時困難。為解決透射電鏡的機(jī)時供需矛盾，透射電鏡管理機(jī)組對進(jìn)一步促進(jìn)其開放共享進(jìn)行了實(shí)踐和探索。

2.1 透射電鏡測試服務(wù)信息的統(tǒng)計(jì)分析

對測試服務(wù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，發(fā)現(xiàn)生物型透射電鏡工作時段的機(jī)時嚴(yán)重不足，而夜間非工作時段的機(jī)時則相對較為寬裕。對儀器管理平臺中2017年度生物型透射電鏡測試信息的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，該透射電鏡全年服務(wù)的研究團(tuán)隊(duì)總數(shù)為90個，其中測試需求量較大的團(tuán)隊(duì)(年測試樣品量>50個)有22個，約占總數(shù)的24%。需求量大的研究團(tuán)隊(duì)中，原先僅8個團(tuán)隊(duì)的共24名師生具有自主操作資格，其余均通過網(wǎng)上預(yù)約透射電鏡工作時段的機(jī)時完成樣品測試。

2017年度透射電鏡的有效測試機(jī)時總數(shù)為2 273 h，其中工作時段的實(shí)際測試機(jī)時數(shù)為1 368 h，非工作時段的測試機(jī)時數(shù)為905 h，工作時段的機(jī)時數(shù)顯著高于非工作時段。此外，透射電鏡工作時段中超過70 %的機(jī)時均被需求大的研究團(tuán)隊(duì)所占用，這也直接導(dǎo)致了工作時段的透射電鏡機(jī)時供不應(yīng)求，造成其他用戶預(yù)約電鏡測試?yán)щy。

2.2 加強(qiáng)自主操作培訓(xùn)，科學(xué)分配機(jī)時

根據(jù)上述分析結(jié)果，透射電鏡管理機(jī)組有針對性地制定了透射電鏡管理方法改革新舉措，積極推動測試需求量大的用戶在夜間或凌晨等非工作時段進(jìn)行透射電鏡測試，將工作時段的電鏡機(jī)時主要用于服務(wù)測試需求相對較少的用戶。此舉旨在提高電鏡的開放機(jī)時，并合理分配在工作時段與非工作時段兩者之間的測試機(jī)時比例，從而解決生物型透射電鏡機(jī)時供需嚴(yán)重失衡的現(xiàn)狀。

重點(diǎn)加強(qiáng)透射電鏡的自主操作培訓(xùn)力度，實(shí)現(xiàn)透射電鏡大用戶的自主操作培訓(xùn)全覆蓋。改變以往被動接受師生自主操作培訓(xùn)需求的工作模式，通過對測試信息的逐個排查，主動與測試需求量大但尚未具備自主操作資格的研究團(tuán)隊(duì)直接溝通，詳細(xì)講解在非工作時段進(jìn)行電鏡自主操作的優(yōu)點(diǎn)，鼓勵團(tuán)隊(duì)派研究生或青年教師參加透射電鏡的自主操作培訓(xùn)。改變以往一對一的低效率電鏡自主操作培訓(xùn)模式，實(shí)行靈活的小班制滾動式自主操作培訓(xùn)。為保證獲得最佳的培訓(xùn)效果，限制每期自主操作培訓(xùn)班的參加人數(shù)≤5人。在透射電鏡工作時段的機(jī)時仍比較緊張的階段，為保障透射電鏡的正常測試工作及避免加劇電鏡工作時段機(jī)時不足的矛盾，透射電鏡管理機(jī)組的教師充分利用午間及傍晚的非工作時段開展電鏡的自主操作培訓(xùn)工作。由于透射電鏡的操作較為復(fù)雜，安全注意事項(xiàng)相對較多，自主操作的培訓(xùn)周期也相對較長。通過對人員及儀器設(shè)備等各方面因素的統(tǒng)籌安排協(xié)調(diào)，在培訓(xùn)過程中采用同時錯峰開設(shè)兩期自主操作培訓(xùn)班的策略，大幅加快了自主操作的培訓(xùn)效率，為在短期內(nèi)高效解決透射電鏡的機(jī)時供需矛盾奠定了基礎(chǔ)。

2.3 制定電鏡測試的梯度收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)

合理運(yùn)用經(jīng)濟(jì)杠桿，多管齊下，進(jìn)一步細(xì)化調(diào)節(jié)非工作時段內(nèi)的機(jī)時均衡分配。制定透射電鏡機(jī)時費(fèi)的梯度收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，如：夜間17:00—00:00的非工作時段，執(zhí)行正常的自主機(jī)時收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)；而00:00—08:00的非工作時段，按正常自主機(jī)時費(fèi)的50%收費(fèi)。通過大幅降低凌晨時段的機(jī)時費(fèi)用，鼓勵需求量大的研究團(tuán)隊(duì)充分利用凌晨時段的電鏡機(jī)時。

此外，由于部分團(tuán)隊(duì)的學(xué)生基數(shù)大，因而透射電鏡測試的需求機(jī)時數(shù)量也相對較多。在周末等節(jié)假日期間，為這類團(tuán)隊(duì)開設(shè)專用的自主操作測試時段，由團(tuán)隊(duì)內(nèi)相對固定的具有自主操作資格的師生進(jìn)行電鏡自主測試。在此期間，透射電鏡自主操作以每4 h作為預(yù)約的最小機(jī)時數(shù)，同時機(jī)時費(fèi)也下調(diào)至自主機(jī)時收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的50%，大幅降低了課題組的電鏡測試費(fèi)用。并在保證這些團(tuán)隊(duì)能有充足的透射電鏡測試機(jī)時數(shù)的同時，減少了節(jié)假日期間透射電鏡操作人員的流動性，為透射電鏡在節(jié)假日期間的正常安全運(yùn)行與管理提供了保障。

3 建立完善的培訓(xùn)考核與管理制度

隨著透射電鏡開放共享水平的不斷提高，自主操作人數(shù)的增多也帶來了電鏡操作人員流動性大幅增加的問題，為透射電鏡的安全運(yùn)行與管理增加了潛在的風(fēng)險[3, 5]。因此，制定嚴(yán)格規(guī)范的培訓(xùn)考核標(biāo)準(zhǔn)及日常細(xì)致的儀器管理維護(hù)對于保障電鏡正常運(yùn)行，減少人為導(dǎo)致的設(shè)備故障尤為重要。

強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室安全與儀器設(shè)備規(guī)范操作的教育，將安全要點(diǎn)貫穿于自主操作培訓(xùn)的理論與操作全過程。寬進(jìn)嚴(yán)出，嚴(yán)格執(zhí)行自主操作培訓(xùn)的考核制度。制定嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范的“自主操作培訓(xùn)考核評價表”，內(nèi)容包括透射電鏡安全操作的所有關(guān)鍵操作要點(diǎn)，防止安全隱患。通過自主操作上機(jī)考核后，自主操作人員需通過我校安全教育與考試管理系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)室安全理論知識考試，并在學(xué)習(xí)了解“自主操作安全承諾書”中的各項(xiàng)安全制度與相應(yīng)的懲處規(guī)定后，由自主操作人員簽署安全承諾書。對于未能按安全規(guī)定進(jìn)行自主操作的師生，根據(jù)情節(jié)的嚴(yán)重程度，實(shí)行通報、暫停自主操作測試、取消自主操作資格等相應(yīng)的處罰措施。

加強(qiáng)溝通交流，安全責(zé)任明確到人。通過建立自主操作人員的微信群，透射電鏡的管理者可提前發(fā)布當(dāng)天非工作時段的自主操作人員次序，便于自主操作師生間的前后交接及交流互動。同時，要求每位自主操作的人員在完成電鏡測試后，均需拍攝電鏡的儀器狀態(tài)界面等反映運(yùn)行狀態(tài)關(guān)鍵信息的圖片，并發(fā)布于微信群內(nèi)。這為界定交接前后儀器狀態(tài)是否正常提供了判斷依據(jù)，減少因自主操作人數(shù)較多而引發(fā)的責(zé)任不清的問題。建立透射電鏡自主操作緊急聯(lián)系人制度，公布該透射電鏡上崗所有教師的聯(lián)系方式，確保師生在自主操作過程中遇到問題時，能隨時聯(lián)系到電鏡的管理人員給予專業(yè)指導(dǎo)。同時，在電鏡間安裝了可遠(yuǎn)程控制的高清監(jiān)控裝置，不但便于電鏡管理者在非工作時段隨時了解電鏡的運(yùn)行狀態(tài)及實(shí)驗(yàn)室安全狀況，還可在指導(dǎo)自主操作師生實(shí)時解決電鏡故障時發(fā)揮較大的作用。此外，通過儀器管理系統(tǒng)中預(yù)約信息與門禁系統(tǒng)中個人信息的精準(zhǔn)匹配，自主操作的師生僅可在其預(yù)約時段內(nèi)通過預(yù)約人的校園卡刷開門禁，進(jìn)入所預(yù)約儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化、信息化的高效管理，也為透射電鏡自主操作的追根溯源提供了必要依據(jù)。

4 提升師資隊(duì)伍的技術(shù)與管理維護(hù)水平

高水平的儀器管理隊(duì)伍是實(shí)現(xiàn)電鏡等大型設(shè)備高效開放共享的基本保障[7-9]。通過系統(tǒng)全面地學(xué)習(xí)透射電鏡的理論知識與技術(shù)培訓(xùn)，進(jìn)一步提高了透射電鏡管理人員的技術(shù)水平與業(yè)務(wù)能力。在提高測試分析技術(shù)的同時，積極學(xué)習(xí)透射電鏡的管理維護(hù)技術(shù)及各種故障的解決方法，并在日常工作中不斷總結(jié)，以積累豐富的透射電鏡常見故障排除經(jīng)驗(yàn)，保障自主測試過程中透射電鏡的正常高效運(yùn)行。

透射電鏡實(shí)行專人負(fù)責(zé)，多人協(xié)助的管理模式。儀器設(shè)備的管理維護(hù)工作，重在預(yù)防，防微杜漸[10]。透射電鏡管理人員每日檢查并詳細(xì)記錄電鏡室的溫濕度、循環(huán)水溫度與流量、真空狀態(tài)、燈絲暗電流強(qiáng)度等指標(biāo)參數(shù)，確保及時發(fā)現(xiàn)電鏡狀態(tài)的異常。每個檢定周期內(nèi)，配合專業(yè)的檢測機(jī)構(gòu)對透射電鏡的放大倍率、圖像畸變與圖像漂移速率等參數(shù)進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，確保透射電鏡為科研工作提供準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)。

5 改革成效

經(jīng)過一系列改革措施的實(shí)施，透射電鏡機(jī)組2018年度培訓(xùn)自主操作師生累計(jì)達(dá)89人次，覆蓋我校9個院系31個研究團(tuán)隊(duì)，在解決透射電鏡機(jī)時緊張的矛盾及促進(jìn)透射電鏡開放共享方面取得了顯著成效。對儀器管理系統(tǒng)中的測試信息統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，2018年度的透射電鏡的使用效率大幅提高，機(jī)時數(shù)與樣品量分別為3 475 h與8 487個樣品，環(huán)比2017年度同期的增幅分別為52.8%與93.9%，參見圖1。

圖1 2017與2018年度生物型透射電鏡的測試機(jī)時數(shù)與樣品數(shù)對比

圖2是2017年與2018年度生物型透射電鏡的實(shí)際測試機(jī)時數(shù)分布圖，從中可見，生物型透射電鏡的運(yùn)行管理模式經(jīng)改革后，2018年度透射電鏡非工作時段的機(jī)時數(shù)已高于工作時段的機(jī)時數(shù)2倍以上，表明夜間、凌晨等非工作時段已被很好地應(yīng)用于透射電鏡測試中，從根本上促進(jìn)了透射電鏡的開放使用效率。

圖2 2017年與2018年度生物型透射電鏡的實(shí)際測試機(jī)時數(shù)分布

6 結(jié)語

透射電鏡是目前分析測試領(lǐng)域中的基礎(chǔ)型儀器設(shè)備[2]，在促進(jìn)科學(xué)研究及企業(yè)創(chuàng)新研發(fā)工作中發(fā)揮著重要作用[11]。建立和健全電鏡等大型貴重儀器設(shè)備高效的運(yùn)行管理體制，直接影響著相關(guān)領(lǐng)域的科研水平及技術(shù)能力的提高。通過對透射電鏡測試信息的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可深入挖掘儀器設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況與特點(diǎn)，為制定完善的儀器設(shè)備科學(xué)管理制度提供可靠的依據(jù)，對促進(jìn)大型儀器設(shè)備的使用效率、提升開放共享水平和社會服務(wù)程度具有重要意義。