從國家實驗室的核心能力構(gòu)成看美國科研的頂層布局

李 昊 徐 源

作為國家科研體系中的“定海神針”，美國國家實驗室與高校、工業(yè)界構(gòu)成了其科研體系的三大支柱。國家實驗室在穩(wěn)定性和前瞻性方面彌補了其他兩部分組成的先天不足，具有不可替代的地位，其核心能力構(gòu)成體現(xiàn)出“長期穩(wěn)定、局部微調(diào)”的特點。

能源部國家實驗室的核心能力

美國能源部（DOE）國家實驗室即通常所說的美國“國家實驗室”，屬于美國頂級的科研機構(gòu)系統(tǒng)，在一定程度代表了美國在科學(xué)和能源領(lǐng)域科研實力的最高水平和發(fā)展趨勢。能源部國家實驗室共有17個，其中13個以科學(xué)研究為主要任務(wù)，由能源部科學(xué)局直接或間接管理。

每年，能源部科學(xué)局都要對其所制定的《科學(xué)和能源國家實驗室十年規(guī)劃》進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)年度統(tǒng)計的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，形成核心能力指標(biāo)體系，并由能源部主管科研的次部長上報聯(lián)邦政府。能源部科學(xué)局對國家實驗室所應(yīng)具備核心能力體系組成進(jìn)行甄別的標(biāo)準(zhǔn)，多年以來從未改變，主要有三個方面：以實驗室為核心，匯聚大量科研基礎(chǔ)設(shè)施、高水平科研團隊和先進(jìn)儀器設(shè)備；具有獨一無二或世界頂級的構(gòu)成部分（成果、科學(xué)家、數(shù)據(jù)信息等）；與能源部、國家核安全管理局和國土安全部等聯(lián)邦政府機構(gòu)所承擔(dān)的國家使命密切相關(guān)。

基于上述標(biāo)準(zhǔn)，能源部科學(xué)局甄別出國家實驗室的核心能力。2015年以前，核心能力指標(biāo)共有17項，覆蓋基礎(chǔ)科學(xué)、能源和有關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。2016年科學(xué)局對核心能力作了進(jìn)一步梳理，新增7項，形成由24項能力構(gòu)成的國家實驗室核心能力指標(biāo)集并沿用至今。這24項核心能力具體如下：

加速器科學(xué)與技術(shù)開展離子束物理學(xué)領(lǐng)域的試驗、計算與理論研究，以及開發(fā)在加速器和存儲環(huán)路中對離子束進(jìn)行加速、特征描述與操控的技術(shù)的能力。

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室

核心能力體系在各個國家實驗室中的分布情況（標(biāo)紅色的“ ”表示2018年新增，標(biāo)紅色的“×”表示該實驗室的此項核心能力在2018年被去除。）

先進(jìn)計算機科學(xué)、可視化和數(shù)據(jù)在計算機科學(xué)與工程領(lǐng)域所有應(yīng)用的發(fā)展中被廣泛認(rèn)可的能力。在這些領(lǐng)域中的核心能力將包含諸多領(lǐng)域內(nèi)的實踐，如：程序設(shè)計語言，高性能計算工具，千兆級或千兆兆級的科研數(shù)據(jù)管理與可視化演示，分布式計算平臺，新的計算機體系結(jié)構(gòu)的程序模型，以及提升代碼性能的自動調(diào)試功能，等等。在這些領(lǐng)域的一個或多個中具有獨一無二或世界領(lǐng)先的地位。

應(yīng)用材料科學(xué)與工程通過開展理論、試驗和計算研究，實現(xiàn)對各種材料的理解與特性分析，以支持設(shè)計、合成、配比，以及對組織性能關(guān)系的預(yù)測和測量，分析在材料性能控制中缺陷的影響，通過研究材料在惡劣環(huán)境中的性能以確定材料的性能與長期環(huán)境穩(wěn)定性，對具有特殊性能新材料大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)，等等。

應(yīng)用數(shù)學(xué)支持開展數(shù)學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的能力，通過開發(fā)數(shù)學(xué)模型，計算方法和分析技術(shù)，支持能源、環(huán)境和安全領(lǐng)域國家層次問題的科學(xué)與工程方面的解決，通常依靠高性能計算平臺的支持來實現(xiàn)。

生物學(xué)與生物過程工程應(yīng)用復(fù)雜生物系統(tǒng)和現(xiàn)象的研究成果支持對生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域中基礎(chǔ)成分、技術(shù)和系統(tǒng)的設(shè)計、原型開發(fā)、測試與驗證，相關(guān)領(lǐng)域包括：生物能源產(chǎn)品，環(huán)境污染應(yīng)對，全球碳循環(huán)與生物循環(huán)，等等。

生物系統(tǒng)科學(xué)該能力針對復(fù)雜生物系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵科學(xué)問題，通過對國家實驗室所專有的研究設(shè)施、儀器設(shè)備國家級的超算系統(tǒng)，以及在生物系統(tǒng)及相關(guān)研究領(lǐng)域的高水平專業(yè)人員的集成，推動DOE在能源、氣候和環(huán)境領(lǐng)域的國家層次的科研進(jìn)展。

化學(xué)工程該能力支持開展化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，覆蓋從分子級別到宏觀級別的多重空間譜系、從皮秒到年的多重時間譜系?；瘜W(xué)工程將科學(xué)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為可供應(yīng)用的成果，以推動能源系統(tǒng)和美國在環(huán)境、安全和國家實力相關(guān)方面的進(jìn)步。

化學(xué)與分子科學(xué)該能力通過開展試驗、理論和計算研究，在分子系統(tǒng)層面分析化學(xué)變化和能量流動的基本原理，為能源的生產(chǎn)、存儲和應(yīng)用的新方法和工藝的研發(fā)提供基礎(chǔ)，并支持研究能源應(yīng)用造成環(huán)境破壞的緩解途徑研究。

氣候變化科學(xué)與大氣科學(xué)該能力應(yīng)用對大氣、海洋、陸地、生態(tài)環(huán)境、水文和冰凍圈變化規(guī)律的研究成果，與對人類活動和人類排放物的研究成果相結(jié)合，來分析和預(yù)測天氣變化和氣象條件的不同模式，并為軍事和民用應(yīng)用提供服務(wù)。

計算科學(xué)該能力實現(xiàn)應(yīng)用數(shù)學(xué)計算機科學(xué)與其他科研學(xué)科（如，生物學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)等）的連接。該領(lǐng)域的核心能力包含在應(yīng)用數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)和其他科研學(xué)科領(lǐng)域的專業(yè)經(jīng)驗，通過一種被證明是有效且高效的模式，利用高性能計算資源來得到其他學(xué)科領(lǐng)域重要的科研和工程成果，以滿足DOE和其他聯(lián)邦政府部門在國家層次的需求。

凝聚態(tài)材料物理學(xué)與材料科學(xué)該能力通過開展試驗、理論和計算研究來獲得凝聚態(tài)材料物理學(xué)與材料科學(xué)的基礎(chǔ)研究成果，為開發(fā)新材料提供基礎(chǔ)，以提升能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、運輸和應(yīng)用中的效率、經(jīng)濟性、環(huán)境方面的可接受性和安全性。

賽博與信息科學(xué)（2016年新增，下簡寫為“新增”）構(gòu)建用于保護(hù)、分析和傳播來自由計算機系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成電子資源信息的學(xué)科、技術(shù)和實踐。這一領(lǐng)域的能力將包含在以下一個或多個領(lǐng)域中被認(rèn)可的實踐經(jīng)驗：賽博安全、情報安全、情報分析、知識描述、信息論、控制系統(tǒng)設(shè)計與工程、嵌入式系統(tǒng)、逆向工程，以及高級破解技術(shù)。

決策科學(xué)與分析（新增）從觀測的數(shù)據(jù)和構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型的集合中推導(dǎo)知識和信息，以提升對來自不同資源和技術(shù)選擇之中的理解和權(quán)衡，辨識和量化分析在環(huán)境系統(tǒng)中當(dāng)前和不斷涌現(xiàn)新技術(shù)的風(fēng)險和影響，并評估市場變化，人類的行為與法規(guī)、政策，及研究機構(gòu)的實踐對技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用所造成的影響。

地球系統(tǒng)科學(xué)與工程（新增）通過研究環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)及其變化過程和相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，以實現(xiàn)對過去、當(dāng)前和未來能源的生產(chǎn)、運輸、分配和應(yīng)用對地下、大陸、沿海與海洋環(huán)境所造成影響的預(yù)測、評估與緩和。

環(huán)境地表科學(xué)通過從物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)角度對地下環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能的分析和預(yù)測，實現(xiàn)系統(tǒng)層次的環(huán)境預(yù)測和決策支持，以解決地下資源可承受開發(fā)問題，過去將地下作為核武器生產(chǎn)、存儲和試驗所造成的環(huán)境問題，以及利用地下處理核廢料的長期安全性問題等。

美國陸軍研究實驗室的材料科學(xué)家正在使用3D成像原子探針技術(shù)分析原子級的金屬和陶瓷樣品

大規(guī)模用戶設(shè)施/先進(jìn)設(shè)備構(gòu)想、設(shè)計、研發(fā)和運營具有引領(lǐng)先進(jìn)研究設(shè)施的能力，以支持高校、工業(yè)界和國家實驗室的乙方開展具有突破性的研究與開發(fā)活動，或支持對技術(shù)成果的“最權(quán)威的”測試和演示。

機械設(shè)計與工程（新增）應(yīng)用物理學(xué)、機械學(xué)和化學(xué)的基礎(chǔ)，實現(xiàn)對先進(jìn)工程系統(tǒng)、機械和工具的分析、設(shè)計、測試、校驗，并支持其運行。

核工程（新增）通過使用各類設(shè)施、儀器、設(shè)備，并組建多學(xué)科團隊，應(yīng)用核工程、機械工程、核反應(yīng)堆物理學(xué)、測量學(xué)和風(fēng)險評估領(lǐng)域的知識、數(shù)據(jù)、方法和技術(shù)，完成DOE和國土安全部所負(fù)責(zé)的國家級任務(wù)。

核物理學(xué)通過開放式試驗和理論分析，提供對物質(zhì)和能源本質(zhì)的新認(rèn)識，并更新現(xiàn)有知識。

核與放射物化學(xué)（新增）通過使用各類設(shè)施、儀器、設(shè)備，并組建多學(xué)科團隊，應(yīng)用核化學(xué)、機械工程、化學(xué)工程的知識、數(shù)據(jù)、方法和技術(shù)，完成DOE和國土安全部所負(fù)責(zé)的國家級任務(wù)。

粒子物理學(xué)通過進(jìn)行開放式試驗和理論分析，提供對物質(zhì)和能源的本質(zhì)以及空間和時間本身的基本屬性的新認(rèn)識，并更新現(xiàn)有知識。

等離子體與聚變能科學(xué)開展具有世界領(lǐng)先的等離子體研究，覆蓋從低溫到高溫/高壓等離子體的全部范圍。

能源系統(tǒng)與電機工程（新增）應(yīng)用對電磁現(xiàn)象的研究成果，實現(xiàn)對電路、電氣和電子設(shè)備和儀器、傳感器、測量儀器和控制系統(tǒng)的設(shè)計與制造，以解決電能傳輸和分配系統(tǒng)的效率和可靠性問題，并支持對結(jié)構(gòu)和負(fù)載不斷發(fā)生復(fù)雜變化的輸電網(wǎng)絡(luò)的接口設(shè)計。

美國橡樹嶺國家實驗室的電子顯微鏡

系統(tǒng)工程與集成通過多學(xué)科交叉融合，解決從概念和方案階段到最終交付和完成階段全壽命周期內(nèi)各種問題的能力，并獲得和應(yīng)用最優(yōu)方案/最優(yōu)解。

能源部國家實驗室在核心能力方面保持高度穩(wěn)定，3～5年內(nèi)幾乎不發(fā)生變化；核心能力在各個國家實驗室之中并不呈非常均勻的分布，最少的艾姆斯實驗室僅占其中的3項，而橡樹嶺國家實驗室?guī)缀鯎碛腥亢诵哪芰?，充分體現(xiàn)出實驗室的個性差異。

國防部國家實驗室的核心能力

美國國防部是美國科研經(jīng)費最大的資助來源之一，其主持設(shè)立或?qū)嵤╉攲颖O(jiān)管的國家實驗室大體包括兩類：一是由各軍兵種設(shè)立在軍隊內(nèi)部的國家實驗室，國防部下屬的陸軍部、海軍部和空軍部分別建立了陸軍研究實驗室、海軍研究實驗室和空軍研究實驗室；二是由國防部發(fā)起、資助或與高校聯(lián)合建立的國家實驗室，具體包括聯(lián)邦政府資助的研究與發(fā)展中心（FFRDC，F(xiàn)ederally Funded Research and Development Center）和大學(xué)附屬研究中心（UARC，University Affiliated Research Center）。由于后者在美國其他聯(lián)邦政府部門中也有相同情況（如FFRDC的政府發(fā)起部門還包括：能源部、國家航空航天局、衛(wèi)生與公共服務(wù)部、國土安全部等），因此這里僅分析前者，并以陸軍研究實驗室（ARL，Army Research Laboratory）為代表。

ARL是以美國陸軍為法人的研究型實驗室，總部設(shè)在馬里蘭州德爾菲市的阿德爾菲實驗室中心。ARL最大的獨立實驗區(qū)域位于馬里蘭州的阿伯丁試驗場，其他的主要實驗區(qū)域包括：位于北卡羅來納州的三角研究園區(qū)，位于新墨西哥州和佛羅里達(dá)州奧蘭多市的白沙導(dǎo)彈試驗場，以及與NASA共同運營的位于俄亥俄州的格倫研究中心和位于弗吉尼亞州的蘭利研究中心。除了陸軍研究辦公室外，ARL下設(shè)6個研究室，分別是：計算與信息科學(xué)研究室、人體研究與工程研究室、傳感器與電子設(shè)備研究室、生存性和致命性分析研究室、交通工具技術(shù)研究室、武器與材料科學(xué)研究室。

為了實現(xiàn)對ARL的監(jiān)管，并確保ARL的先進(jìn)性，國防部委托美國國家科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)院所組建的陸軍研究實驗室技術(shù)評估委員會，每兩年對ARL進(jìn)行一次評估。評估中，選擇ARL核心能力所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)如下：在科研探索和技術(shù)進(jìn)步方面都具有引領(lǐng)性；能夠為其他科研項目提供廣泛的支撐作用；實驗室的設(shè)施和設(shè)備是最先進(jìn)的；能夠通過對研究計劃的精心設(shè)計，實現(xiàn)對理論、計算和試驗的綜合。

國防部國家實驗室的核心能力突出表現(xiàn)在對軍事應(yīng)用的支撐方面，共性基礎(chǔ)能力保持穩(wěn)定，先進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)有小規(guī)模調(diào)整。核心能力在各研究室中分布也不均勻，SEDD即傳感器與電子設(shè)備研究室?guī)缀鯎碛腥亢诵哪芰Α?/p>

啟 示

美國國家科研體系一個突出特點是沒有全國統(tǒng)一的科技管理專職部門，因此美國的科技發(fā)展呈現(xiàn)出一種看似“松散”和“隨意”的組織結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢。但也正是這種多元化的科研結(jié)構(gòu)，支撐著美國贏得了以“熱對抗”為主要形式的二戰(zhàn)、以“冷對抗”為主要形式的冷戰(zhàn)，并在當(dāng)前甚至未來很長時間內(nèi)保持其科研和軍事方面的強大實力。究其原因，除了有關(guān)領(lǐng)域?qū)W者提出的諸多觀點外，本文認(rèn)為，作為國家科研體系中引領(lǐng)者和重要支柱的國家實驗室，是美國科研發(fā)展均衡并保持強大實力的重要原因之一。除了能源部、國防部，美國的國家航空航天局、國家科學(xué)基金會、國立衛(wèi)生研究院、國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院、商務(wù)部、衛(wèi)生與公共服務(wù)部、國土安全部，甚至民營企業(yè)，均建有國家實驗室或具有國家實驗室地位和作用的科研實體。具有以下不可替代的重要特征：

風(fēng)景優(yōu)美的勞倫斯伯克利國家實驗室

成規(guī)模美國國家實驗室作為其最頂層的科研機構(gòu)，是對大量科研設(shè)施、人才團隊和先進(jìn)儀器設(shè)備進(jìn)行集成配置的綜合性平臺，其規(guī)模是其他類型科研機構(gòu)無法比擬的，也是科研資源集中化程度最高的。美國聯(lián)邦政府財年計劃中，獲得研發(fā)經(jīng)費最多的研究機構(gòu)幾乎都是國家實驗室，此外還通過對科研資源整合的形式強化國家實驗室的能力和水平。

上檔次美國國家實驗室在核心能力方面具有排他性，要求在其構(gòu)成中具有獨一無二的內(nèi)容。以能源部國家實驗室為例，二戰(zhàn)以來涌現(xiàn)出了30多位諾貝爾獎獲得者，加上曾經(jīng)受DOE國家實驗室雇用或得到國家實驗室在儀器設(shè)施、科研經(jīng)費等方面支持的科學(xué)家，獲得諾貝爾獎的總計超過110人次。還產(chǎn)生了數(shù)百項國家級重要獎項。

目標(biāo)明確美國國家實驗室的核心職能是服務(wù)于國家，特別是在能源、環(huán)境和國家安全相關(guān)的戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域。這些領(lǐng)域包括重要基礎(chǔ)前沿研究、關(guān)系國家競爭力和國家安全的戰(zhàn)略性高技術(shù)研究、未來技術(shù)先導(dǎo)性研究、產(chǎn)業(yè)通用技術(shù)和共性技術(shù)研究、重大與關(guān)鍵科技創(chuàng)新平臺和基礎(chǔ)設(shè)施、顛覆性技術(shù)等等。

保持穩(wěn)定美國國家實驗室在設(shè)立階段就充分考慮其長期穩(wěn)定性，甚至極端到“非需長期穩(wěn)定投入的領(lǐng)域不建”的程度，排除可由高校和工業(yè)界在短期內(nèi)能夠解決的問題。因此其核心能力方面保持高度穩(wěn)定，一般以3～5年為調(diào)整期，其研究領(lǐng)域和總體目標(biāo)經(jīng)常十余年甚至幾十年不變。

注重規(guī)劃幾乎每一類型的國家實驗室，在每年都要制定或調(diào)整其年度規(guī)劃，以與美國政府的財年規(guī)劃相配合，通過逐級上報最終匯總到國家實驗室所屬聯(lián)邦政府部門的財年規(guī)劃報告中。一般情況下，未列入財年規(guī)劃的經(jīng)費支出和實驗室建設(shè)內(nèi)容，是無法獲得來自聯(lián)邦政府經(jīng)費支持的。

美國國家實驗室的上述特征，是美國半個多世紀(jì)以來在國家科研頂層布局的經(jīng)驗所在，對我國在科研體系構(gòu)建、基礎(chǔ)科研平臺建設(shè)、優(yōu)先支持發(fā)展領(lǐng)域等方面，具有一定的借鑒和參考價值。