大型科學(xué)儀器資源共享雙層規(guī)劃模型研究

呂萬鈞 呂永波 李美楠 劉朝陽 李 晶

（1.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044；2.遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧錦州 121000）

0 引言

科技資源是國家戰(zhàn)略性資源，科技資源的高效開發(fā)和利用在很大程度上決定著國家科技創(chuàng)新和核心競爭力的形成[1]。作為一種重要的科技資源，大型科學(xué)儀器資源是國家自主創(chuàng)新的基石，是科技創(chuàng)新最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)。大型科學(xué)儀器的建設(shè)水平不僅制約著科技的發(fā)展，同時(shí)也是國家科技綜合實(shí)力的表現(xiàn)。

自2008年起，科技部、財(cái)政部共同啟動(dòng)了國家重點(diǎn)科技基礎(chǔ)條件資源調(diào)查工作，對中央和省級部門所屬的科研機(jī)構(gòu)科技資源狀況進(jìn)行了摸底[2]。本文主要基于大型科學(xué)儀器設(shè)備的資源調(diào)查數(shù)據(jù)，通過對其分布及利用情況研究，提出我國大型科學(xué)儀器資源共享的相關(guān)模型。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

截止到2014年年底，參與調(diào)查的大型科學(xué)儀器設(shè)備總量為79808臺（套），原值合計(jì)810.4億元。參與對外開放的設(shè)備有68780臺（套），原值為706.3億元，分別占全部設(shè)備數(shù)量和原值的86.2%和87.1%。其中，跨區(qū)域共享的設(shè)備為8280臺（套），原值為131.3億元，分別占全部設(shè)備數(shù)量和原值的10.4%和16.2%。

由表1可知，我國大型科學(xué)儀器資源評價(jià)年有效工作機(jī)時(shí)為1360.7小時(shí)，還未達(dá)到我國大型科學(xué)儀器管理部門設(shè)定的儀器年額定工作機(jī)時(shí)1600小時(shí)，說明在大部分地區(qū)大型科學(xué)儀器資源還存在未充分利用的情況。

我國大型科學(xué)儀器資源絕大部分都是通過國家政府投資撥款進(jìn)行購置的，屬于國有資產(chǎn)[3]，具有公共物品屬性，應(yīng)最大限度地為社會提供服務(wù)，政府需要對大型科學(xué)儀器資源進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，促進(jìn)大型科學(xué)儀器資源的共享。此外，通過促進(jìn)資源共享的方式，也是國家減小資源配置不均衡性的重要手段。大型科學(xué)儀器資源的有效共享有利于提高政府的投資效率[4]，使得大型科學(xué)儀器資源配置達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)，最大可能地發(fā)揮其價(jià)值，為我國科研事業(yè)作出貢獻(xiàn)。因此，作為資源優(yōu)化配置和提升利用效率的一種重要手段，資源共享逐漸成為國內(nèi)外科技管理領(lǐng)域?qū)W者專家們關(guān)注的重點(diǎn)問題。

2 大型科學(xué)儀器資源共享模型簡述

本文重點(diǎn)以地區(qū)間資源共享的理念來盤活大型科學(xué)儀器資源的存量資源，以提高我國大型科學(xué)儀器資源的利用共享水平，促進(jìn)大型科學(xué)儀器的高效利用，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 共享主體供給量和需求量確定

大型科學(xué)儀器資源共享首先需要確定共享主體以及大型科學(xué)儀器資源的供應(yīng)量和需求量，本文中選取設(shè)備利用率作為判斷指標(biāo)。

單臺（套）大型科學(xué)儀器設(shè)備的利用率是指每年設(shè)備實(shí)際使用機(jī)時(shí)與額定機(jī)時(shí)的比值，但考慮到貴重儀器開機(jī)使用時(shí)間和產(chǎn)出效益，在進(jìn)行設(shè)備利用率計(jì)算時(shí)，將設(shè)備原值作為權(quán)重指標(biāo)，因此地區(qū)大型科學(xué)儀器整體利用率公式如式（1）所示：

表1 2014年我國各區(qū)域大型科學(xué)儀器設(shè)備配置情況

其中：

aij表示地區(qū)i領(lǐng)域j的設(shè)備利用率。經(jīng)過咨詢專家，本文定義大型科學(xué)儀器設(shè)備的合理利用率范圍為80%～120%，超過該范圍，設(shè)備運(yùn)行超過額定機(jī)時(shí)會導(dǎo)致設(shè)備高負(fù)荷運(yùn)行，而小于這個(gè)范圍則認(rèn)為設(shè)備沒有充分利用，存在閑置浪費(fèi)現(xiàn)象。

bijn表示地區(qū)i領(lǐng)域j的第n臺設(shè)備年工作機(jī)時(shí)。

cijn表示地區(qū)i領(lǐng)域j的第n臺設(shè)備原值。

uij表示地區(qū)i領(lǐng)域j設(shè)備的年額定工作機(jī)時(shí)。該指標(biāo)取值參考國家科學(xué)技術(shù)部關(guān)于大型科學(xué)儀器額定工作機(jī)時(shí)定義，取值為1600h，即

對資源供給方來說，該地區(qū)儀器設(shè)備平均利用率應(yīng)該小于120%。每年每臺大型科學(xué)儀器設(shè)備的額定工作機(jī)時(shí)為1600h，故若第j個(gè)供給方擁有臺大型儀器設(shè)備，利用率為那么一年內(nèi)該供給方大型科學(xué)儀器資源的共享量就是：對于資源需求方，若第i個(gè)需求方擁有臺大型科學(xué)儀器設(shè)備，利用率為那么其需求量就是：

Xi=模型中涉及設(shè)備數(shù)量時(shí)，單位均為小時(shí)臺，不足一小時(shí)臺的，則向上取整。

2.2 共享問題

首先，共享的根本目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最大效益[5]。本文是站在科技管理部門的角度，基于各參與方效益最大化的思想對各個(gè)地區(qū)的大型科學(xué)儀器資源進(jìn)行匹配，由此起到促進(jìn)共享和引導(dǎo)作用。

其次，資源共享是資源供給方和需求方共同參與的行為，因此每個(gè)參與方的成本或收益可以叫作聯(lián)合成本或聯(lián)合收益，因此共享行為選擇與每個(gè)參與方的自身發(fā)展水平有著密切的關(guān)系。

鑒于上述兩個(gè)方面的思考，共享問題可以簡化為：科技管理部門根據(jù)科技基礎(chǔ)條件資源調(diào)查結(jié)果，篩選出大型科學(xué)儀器配置過量地區(qū)和稀缺地區(qū)，將配置過量地區(qū)作為儀器供給方，這些地區(qū)需要向儀器稀缺地區(qū)（即需求方）開放共享其設(shè)備，該過程中雙方考慮收益和成本因素會產(chǎn)生選擇行為。本文要解決的問題就是在考慮雙方總效益的情況下，確定各個(gè)供給方和需求方之間的匹配關(guān)系。

2.3 模型建立

一般情況下，科技管理部門為了使收益最大化，需減少分配成本，要考慮如何定價(jià)、如何選擇科研院所和科技資源的分配并增加科技資源共享收入費(fèi)用，這就要求管理部門加強(qiáng)收費(fèi)制度管理；設(shè)備需求方則希望降低設(shè)備的使用成本，取得自己的最大收益。本文模型的建立是在假設(shè)科技管理部門已經(jīng)具備了完善的價(jià)格機(jī)制前提下，需求方只需從自身角度考慮如何降低使用成本。

（1）上層規(guī)劃

科技資源共享產(chǎn)生價(jià)值的同時(shí)會伴隨各種成本的支出，任何一個(gè)科技資源共享的供給方都不能無限制地提供共享服務(wù)[6]，在進(jìn)行儀器共享的過程中必須要控制成本的支出。一是要控制科技資源共享的供給成本，二是要控制科技資源共享的服務(wù)成本。

因此，上層規(guī)劃（U）描述為：從儀器供給方角度出發(fā)，使總的固定成本和服務(wù)成本最小。

上層規(guī)劃（U）：

模型中的符號意義如下：

下標(biāo)編號：i表示需求方編號，j表示供給方編號，

決策變量xij表示第i個(gè)需求方在第j個(gè)供給方得到的設(shè)備共享量；zj表示0—1變量，當(dāng)?shù)趈個(gè)供給方被選擇共享時(shí)，值為1，否則為0，Q表示科學(xué)儀器設(shè)備的總共享量，所有需求方對儀器設(shè)備需求量要小于設(shè)備總共享量。

常數(shù)αj表示第j個(gè)供給方對外共享科學(xué)儀器設(shè)備的固定成本，如對實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行改善的費(fèi)用、儀器共享平臺建設(shè)以及設(shè)備的調(diào)試、維修、維護(hù)等費(fèi)用；βij表示第j個(gè)供給方為第i個(gè)需求方提供共享服務(wù)時(shí)的單位服務(wù)成本。儀器共享過程中由于共享雙方熟悉度不同，會導(dǎo)致無形成本有所差異，如溝通成本、流程成本等。

上層目標(biāo)函數(shù)是從儀器供給方的角度出發(fā)，盡可能減少該地區(qū)總的固定及服務(wù)成本。上層規(guī)劃（U）的第一部分為儀器資源共享的固定成本，第二部分為儀器共享過程中的服務(wù)成本。

式（2）保證至少有1個(gè)供給方對需求方共享；式（3）表示科學(xué)儀器設(shè)備的總供應(yīng)量大于全部需求方的儀器設(shè)備需求量的總和。式（4）表示第i個(gè)需求方的總需求量為Xi。

（2）下層規(guī)劃

價(jià)值是驅(qū)動(dòng)科技資源共享的重要因素，科技資源本身所具有的公共屬性，意味著不僅資源擁有者擁有使用權(quán)利[7]，而且其他需求者擁有共享該資源的權(quán)利?？萍假Y源的共享需求主體只需要付出一定的價(jià)值就能獲得科技資源的使用權(quán)利，在此過程中他們所產(chǎn)生的創(chuàng)新活動(dòng)自然會產(chǎn)生新的更大的價(jià)值，并且由于節(jié)省了本身對于科技資源的投入支出，他們在科技資源共享中獲得的效益更加明顯。

因此，下層規(guī)劃（L）描述為：從需求方角度出發(fā)，在多個(gè)供給方存在的情況下，需求方選擇最優(yōu)的供給方，使得總效益最大。

模型中的符號意義如下：

fij表示儀器設(shè)備的產(chǎn)出成果效益函數(shù)，是指第i個(gè)需求方在第j個(gè)供給方共享儀器設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的效益。其中，λ為效益系數(shù)，反映單位產(chǎn)出成果效用的效益值。需要說明的是，此處所提到的效益值并非絕對數(shù)量，而是代表著在資源利用中產(chǎn)生的利益水平。

aij表示第i個(gè)需求方在第j個(gè)供給方共享設(shè)備時(shí)的授權(quán)專利產(chǎn)出能力，授權(quán)專利產(chǎn)出越多，代表專利產(chǎn)出水平越高，需求方獲得的效益也最大。計(jì)算方式如下：

其中，ai為第i個(gè)需求方的授權(quán)專利產(chǎn)出能力指數(shù)，表示m個(gè)需求方中授權(quán)專利產(chǎn)出的最大值；aj為第j個(gè)供給方的授權(quán)專利產(chǎn)出能力指數(shù)，表示n個(gè)供給方中授權(quán)專利產(chǎn)出的最大值。采用aij為需求和供給雙方的幾何平均數(shù)是考慮了聯(lián)合收益水平，體現(xiàn)了鼓勵(lì)和引導(dǎo)產(chǎn)出水平相仿的共享雙方尋求合作的思想。

同理，bij表示科技論文產(chǎn)出能力，cij表示科技成果獎(jiǎng)勵(lì)產(chǎn)出能力，計(jì)算過程與aij同理。由計(jì)算公式可知，

θij表示第i個(gè)資源需求方在共享第j個(gè)資源供給方過程中需要付出的成本系數(shù)，主要包括共享過程中人力成本。

Qj表示第j個(gè)資源供給方的儀器設(shè)備供應(yīng)量。

M表示任意大的正整數(shù)。

下層規(guī)劃表示，需求方在選擇共享合作對象時(shí)獲得的收益最大化。式（6）表示當(dāng)供給方被選定，即當(dāng)zj=1時(shí)，需求方才可以在該供給方獲得資源共享量，反之，當(dāng)zj=0時(shí)，需求方不能在該供給方獲得資源共享量；式（7）保證變量非負(fù)；式（8）表示需求方在第j個(gè)供給方獲得資源共享總量應(yīng)該不超過其供應(yīng)量。

3 實(shí)例分析

3.1 研究對象選擇及分析

我國華東地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，交通便利，科技資源豐富，是中國綜合技術(shù)水平最高的經(jīng)濟(jì)區(qū)，同時(shí)也是我國科技基礎(chǔ)條件中資源最為豐富的地區(qū)[8]。華東地區(qū)包括安徽、福建、江蘇、江西、山東、上海和浙江7個(gè)省份。這7個(gè)省份經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展水平不一致，因此對這7個(gè)省份的研究對其他地區(qū)具有借鑒意義。通常來說，不同研究領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)儀器是不能進(jìn)行共享的，因此本文選擇生物和醫(yī)藥領(lǐng)域的科學(xué)儀器資源進(jìn)行研究。

調(diào)查結(jié)果顯示，2014年我國華東地區(qū)生物和醫(yī)藥領(lǐng)域大型科學(xué)儀器資源配置情況如表2所示。表2中的地區(qū)I—地區(qū)VII分別代表安徽、福建、江蘇、江西、山東、上海和浙江7個(gè)省份地區(qū)。

由表2可以看到，華東地區(qū)生物和醫(yī)藥領(lǐng)域大型科學(xué)儀器資源利用率為87.9%，處于合理區(qū)間。但就華東地區(qū)各省份來說，科學(xué)儀器資源配置情況差異較大。從儀器數(shù)量和原值來看，地區(qū)III和地區(qū)VI大型科學(xué)儀器資源配置數(shù)量較多，分別占華東地區(qū)總量的20.5%和38.2%，原值占比分別為23.1%和38.7%。從利用率來看，地區(qū)I和地區(qū)IV設(shè)備利用率分別為127.4%和150.1%，均超過合理利用水平，存在儀器超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，處于儀器配置稀缺狀態(tài)；地區(qū)II和地區(qū)VII儀器利用率分別為79.3%和76.4%，均不足80%，存在儀器閑置現(xiàn)象，處于儀器配置過量狀態(tài)；地區(qū)III、地區(qū)V和地區(qū)VI，大型科學(xué)器儀器資源利用率均處于80%～120%，儀器資源配置總體較為合理。

3.2 模型求解

（1）確定需求量和共享量

根據(jù)表2可知，在華東地區(qū)7個(gè)省份中，地區(qū)I和地區(qū)IV生物和醫(yī)藥領(lǐng)域大型科學(xué)儀器資源配置不足，因此由定義可知，這兩個(gè)地區(qū)為儀器共享需求方1和儀器需求方2，分別計(jì)算兩個(gè)地區(qū)的共享需求量。

儀器需求方1：

同理，可計(jì)算共享需求方2的大型科學(xué)儀器資源需求量為：

同樣，由表2可知，地區(qū)II、地區(qū)III、地區(qū)V、地區(qū)VI和地區(qū)VII為儀器供給方，分別為供給方1、供給方2、供給方3、供給方4和供給方5，分別計(jì)算各個(gè)儀器供給方的資源可共享量。

儀器供給方1：

同理，可計(jì)算出其他儀器供給方的資源共享量：

表2 2014年我國華東各地區(qū)生物和醫(yī)藥領(lǐng)域大型科學(xué)儀器設(shè)備配置情況

計(jì)算出華東地區(qū)生物和醫(yī)藥領(lǐng)域各省份的儀器資源需求量和共享量，如表3所示，可知資源共享量遠(yuǎn)大于需求量，直接用雙層規(guī)劃模型求解即可。

（2）常數(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

在具體參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，由于實(shí)際數(shù)據(jù)缺失且核算過程復(fù)雜，考慮參數(shù)設(shè)定的科學(xué)性和合理性，本文中的固定成本和單位服務(wù)成本參數(shù)均為當(dāng)量參數(shù)，僅表示相對關(guān)系。

共享固定成本αj見表4。

單位機(jī)時(shí)服務(wù)成本βij見表5。

由表6中各地區(qū)的成果產(chǎn)出能力，可計(jì)算出需求方的共享產(chǎn)出能力，結(jié)果如表7所示。

需求方的成本系數(shù)θij見表8。

將上述參數(shù)帶入模型，則上層規(guī)劃模型為：

表3 華東各地區(qū)生物和醫(yī)藥領(lǐng)域大型科學(xué)儀器資源共享量和需求量

表4 共享固定成本

表5 單位機(jī)時(shí)服務(wù)成本

表6 各地區(qū)成果產(chǎn)出能力

表7 共享的成果產(chǎn)出能力

表8 需求方成本系數(shù)

下層規(guī)劃模型為：

約束條件為：

最終求得的共享匹配雙方的大型科學(xué)儀器資源共享量為：

上述結(jié)果表明，最終的共享需求匹配方案為供給方2向需求方1和需求方2提供全部共享設(shè)備機(jī)時(shí)，同時(shí)說明供給方2和需求方1和需求方2之間應(yīng)加強(qiáng)合作和儀器資源共享，在總消耗最小的基礎(chǔ)上最大程度發(fā)揮華東地區(qū)現(xiàn)有儀器資源的作用。

4 政策建議

本文用雙層規(guī)劃模型定量地研究了大型科學(xué)儀器設(shè)備的共享問題，充分考慮了管理部門、設(shè)備供給方以及需求方的全局利益，使模型在實(shí)際中更具有參考價(jià)值。但模型僅在理想狀態(tài)下考慮，所以本節(jié)提出以下針對性建議。

科研管理部門要不斷提高儀器設(shè)備管理水平，使共享模式制度化，收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)化，可參考本文以設(shè)備利用率為基礎(chǔ)的雙層規(guī)劃模型，在今后設(shè)備資源配置研究時(shí)，根據(jù)區(qū)域特征，確立多種不同的共享模式。同時(shí)，隨著信息化程度提高，要不斷完善通過互聯(lián)網(wǎng)直接獲取可用的儀器設(shè)備狀態(tài)信息的技術(shù)，儀器設(shè)備資源的共享可以依據(jù)信息系統(tǒng)的儀器設(shè)備利用情況進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備信息資源的利用與共享，提高設(shè)備利用率。此外，共享體現(xiàn)的是社會效益，但有時(shí)對某個(gè)儀器擁有單位卻不一定非常有利，導(dǎo)致部分單位加入共享平臺的積極性并不高，進(jìn)而影響設(shè)備利用，因此，可以考慮從制定法律法規(guī)等方面增強(qiáng)執(zhí)行力度。

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[2] 關(guān)于開展2015年科技基礎(chǔ)條件資源調(diào)查工作[R].2015.

[3] 張世侖, 侯國慶, 黃彥斌, 等. 淺議科技國有資產(chǎn)管理與大型科學(xué)儀器設(shè)備資源共享機(jī)制[J]. 行政事業(yè)資產(chǎn)與財(cái)務(wù), 2014(16): 14-16.

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