發佈日期:2016-08-01

美國國家科學基金會研究基礎設施之投入與管理概況

作者:林海珍

科研投入研究基礎設施美國國家科學基金會預算策略Research InfrastructureNational Science FoundationBudgetStrategy

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一、研究基礎設施之範疇與重要性

對於研究基礎設施範疇,目前在我國尚未見明確定義。由中央研究院學術競爭力分析暨台灣學術里程與科技前瞻計畫報告書(中央研究院,2008)提及,良好的研究環境基礎設施可迅速提升學術研究成果,並提到基礎設施的範圍相當廣泛,除了與研究有直接關聯的各種實驗儀器設備、核心設施服務平台、圖書與期刊、各類的電子資料庫及網路資源等硬體設施外,它也包含了支援研究的行政與技術人力資源。同時提及在軟硬體設施外,適當的生活與工作環境的配套設施也非常的重要。

歐盟則是對於研究基礎設施進行較為明確的定義,亦即研究社群所使用的設施、資源或是服務,以達成在其領域進行研究以及強化創新的目的。包括主要的科學設備(scientific equipment)或工具、知識為主的資源像是收藏(collections)、典藏(archives)以及科學數據、以及像是數據、計算系統或是溝通網絡的e化研究基礎設施(e-infrastructure),或是其他對於研究以及創新達成卓越性為重要的工具。其形態可以是單點、虛擬或是分散式的。使用者可以是學術、企業、產業或公共服務之個人、團隊或機構,用來創造新的知識、產品、程序、方法與系統甚至是管理計畫 (European Commission, 2015a;鄭婷嫻,2015)。

中國研究者Hesheng Chen等則是提出國家大型研究基礎設施(national large research infrastructure)係指為科學與技術研究目的而由政府投資成立的大型設施,由科學社群共享其長期維運,以在科學與技術上達成重要突破,並且在經濟與社會發展過程以及國家安全上解決策略性、基礎性以及前瞻性(forward-looking)的科學技術問題。這些研究設施又可以成為國家基礎設施的組成部分(Hesheng Chen et al., 2011)。

美國雖然沒有對於「研究基礎設施(research infrastructure)」進行明確的定義,但是在國家科學基金會(National Science Foundation, 後簡稱NSF)2003年出版的設施管理與監督指南(National Science Foundation Facilities Management & Oversight Guide)中,對設施(facility)的定義設定為「共享使用的基礎設施、設備與儀器,可以讓廣泛的研究或是教育社群使用。在特性上可以是集中式或是分散式整合型態。可以是大規模網絡或是計算型基礎設施、多重使用者設備或是因此建立的網絡,或是其他能夠對於廣泛的科學或工程學科領域具有主要影響的基礎設施、設備與儀器」(National Science Foundation, 2003)。

關於研究基礎設施之重要性,從歐盟的角度認為研究基礎設施是研究、教育與創新的知識三角核心,可以聚集足夠關鍵數量的人、 知識與投資。透過更為開放、交互連結、數據驅動、電腦密集的研究、實驗性發展、教育及訓練等方式,而能夠帶來創意並且提升研究效率。而研究基礎設施的e-化服務(遠端近用)可以使服務變得更容易近用,並讓不同領域或是地區的人可以合作。不過從歐盟的角度認為產業不只是使用者,也可以增加對於研究基礎設施的建造、操作與創新的角色(European Commission, 2015b)。

根據我國學者吳豐祥等人(2004)的研究認為,英國工程和自然科學研究委員會(Engineering and Physical Sciences Research Council, EPSRC)及美國NSF兩個機構與我國科技部的前身國科會最為對等與相似,因此本研究在篇幅限制下,先以NSF作為研究探討的對象。

二、美國國家科學基金會研究基礎設施的發展概況

美國在研究基礎設施之建設與購置,以美國能源部與NSF為相當重要的管理與資助部門。以美國總統提出2015年與研究基礎設施相關的預算中,能源相關部會署及方案中編列最高,其次則為NSF(Office of Science and Technology, 2014)。以能源部而言,主導研發建置了國家實驗室等級之大型研究基礎設施,像是羅倫斯柏克萊國家實驗室先進光源(Advance Light Source, ALS)、史丹福直線型加速器同調光源(Linear Coherent Light Source, LCLS)與勞倫斯利福摩爾國家實驗室點燃裝置(National Ignition Facility, NIF)等,皆相當有名(蔣玉宏,2015)。在關於先進科學儀器的部份,雖然美國NSF和其他各聯邦機構如國立衛生研究院、能源部、國家航空與航天局、國土安全部、農業部及國家海洋和大氣管理局皆有資助計畫,但以美國國家整體,主要還是透過NSF對於先進的科學儀器制定發展策略並給予政策支持(冷伏海等,2014)。以下將就NSF對於研究基礎設施預算投入概況與發展策略與進行介紹。

1.NSF的組織任務與架構

NSF誕生於1950年,屬於美國獨立聯邦機構,當時國會立法時為NSF定義出四項任務: 促進科學的進展、促進國家健康、繁榮及福祉、確保國家防衛,以及其他目的,希望聯邦政府透過NSF,對於大學的科學研究與科學及工程教育給予支持。早期成立時之資助焦點以軍事研發為主,之後才逐漸調整為支持符合國家長遠利益的科學研究和教育基礎的發展。目前NSF支持所有科學與工程領域知識前沿基礎研究以及科學與工程領域教育。在2015財年,NSF整體經費已經達到將近74億美元。而美國大學執行的基礎研究中,NSF的資助占美國聯邦資助的24%,達到1/4。而在2017財年向國會請求的NSF預算,則提升至80億美元(National Science Board, 2000;National Science Foundation, 2016 a)。

NSF每年向國會提交預算建議,最後由國會批准。決策機構是國家科學委員會(National Science Board, NSB),主要任務為確定NSF的政策。在NSF下設有七個科學(教育)局和相關辦公室,科學局包括生物科學局(Directorate for Biological Sciences, BIO)、電腦與資訊科學及工程學局(Directorate for Computer & Information Science & Engineering , CISE)、工程科學局(Directorate for Engineering, ENG)、地球科學局(Directorate for Geosciences, GEO)、數學與物理科學局(Directorate for Mathematical & Physical Sciences, MPS)、社會、行為與經濟科學局(Directorate for Social, Behavioral & Economic Sciences, SBE)與教育與人力資源局(Directorate for Education & Human Resources, HER)。此外在辦公室部分主要有國際科學與工程辦公室(Office of International Science and Engineering, OISE)、綜合性活動辦公室(Office of Integrative Activities, IA)等(National Science Foundation, 2016b;陽春霞等,2015)。

2.NSF研究基礎設施預算概況-依照會計帳與活動

NSF的整體預算如果從會計帳戶與活動分類來看(如表1),主要是區分為(1)研究及研究相關活動(Research and Related Activities, 簡稱R&RA)、(2)教育與人力資源、(3)重要科學設施和設備建設(專戶)(Major Research Equipment and Facilities Construction, 簡稱MREFC)、(4)機構運作與資助管理、(5)國家科學委會,以及(6)總監察長辦公室等科目(National Science Foundation, 2016c)。以2015財年整體經費而言,(1)研究及研究相關活動之經費為60.4億美元,約佔NSF整體預算84%;(2)教育與人力資源經費為8.86億美元,約佔NSF整體預算12%;而(3)重要科學設施和設備建設(專戶) 經費1.44億美元,約佔NSF整體預算2%。

表1 2015- 2016財年NSF預算(百萬美元)-依照會計帳與活動

NSF預算科目2015財年整體經費2016財年預估經費2015-2016財年變化
增加額增加%
(1)研究及研究相關活動6041.576033.65-7.92-0.13%
(2)教育與人力資源886.33880.00-6.33-0.71%
(3)重要科學設施和設備建設(專戶)144.76200.3155.5538.37%
(4)機構運作與資助管理306.56330.0023.447.65%
(5)國家科學委員會4.154.370.225.30%
(6)總監察長辦公室14.6015.160.563.84%
總計7397.977463.4965.520.89%
資料來源: National Science Foundation, 2016c;本研究整理

NSF的預算實際又可往下細分出有關研究基礎設施(research infrastructure)的相關預算。在2015-2016財年投入研究基礎設施預算中(表2),可以發現主要牽涉到研究基礎設施投資的項目為(1)研究及研究相關活動,以及(3)重要科學設施和設備建設(專戶)的會計項目(National Science Foundation, 2016c)。

表2 NSF在2015與2016財年研究基礎設施預算概況(百萬美元)-依照會計帳與活動

2015財年整體經費2015財年實際研究基礎設施經費2015財年研究基礎設施經費占比2016財年預估經費2016財年預估研究基礎設施經費2016財年研究基礎設施經費預估占比
(1)研究及研究相關活動生物科學局(BIO)736.1996.6313.13%744.17148.8920.01%
電腦與資訊科學及工程學局(CISE)932.98159.4617.09%935.82167.9017.94%
工程科學局(ENG)923.5333.523.63%916.1928.333.09%
地球科學局(GEO)1319.04709.4453.78%1318.54692.2752.50%
數學與物理科學局(MPS)1376.32333.5124.23%1349.15341.3625.30%
社會、行為與經濟科學局(SBE)276.1962.0322.46%272.2060.9122.38%
國際科學與工程辦公室(OISE)48.460.100.21%49.100.100.20%
綜合性活動辦公室(IA)427.4677.2118.06%447.0678.6717.60%
美國北極研究委員會(US arctic research commission)1.41--1.43--
小計6041.571471.924.36%6033.651518.4325.17%
(2)教育與人力資源886.33--880.00--
(3)重要科學設施和設備建設(專戶)(MREFC)144.76144.76100%200.31200.31100.00%
(4)機構運作與資助管理306.56--330.00--
(5)國家科學委會4.15--4.37--
(6)總監察長辦公室14.60--15.16--
總計7397.971616.6622%7463.491718.7423.03%

資料來源: National Science Foundation, 2016c; 本研究整理


以2015財年NSF之研究基礎設施投入經費來看,總投入總金額約16億1千7百萬美元,佔NSF年度經費73億9千8百萬美元之22%。其中,大部分研究基礎設施經費是從(1)研究及研究相關活動項目下支出,其經費約佔整體研究基礎設施資金比例91%,並佔NSF年度經費比例20%,主要經費編列在生物科學局、電腦與資訊科學及工程學局、工程科學局、地球科學局、數學與物理科學局與社會、行為與經濟科學局等六大科學局,以及國際科學與工程辦公室與綜合性活動辦公室之下。而(3)重要科學設施和設備建設(專戶)則是整體計入研究基礎設施的預算中,其支出之研究基礎設施經費為1.44億美元,佔整體研究基礎設施資金比例9%左右。

在(1)研究及研究相關活動研究項目下的研究基礎設施預算,就投入的各個科學局而言,研究基礎設施預算占比最高的是地球科學局(包含極地方案(polar program)),高達該科學局預算的53.78%;其次為數學與物理科學局,研究基礎設施經費支出為該局預算之24.23%;第三則為社會、行為與經濟科學局,研究基礎設施經費支出為該局預算之22.46%;工程科學局的研究基礎設施支出占比最低,僅佔該科學局預算的3.63%。這也呈現不同學科領域對於研究基礎設施的需求具有差異性,例如地球科學局的預算中,包含了南極與北極有關的設施與物流、大洋觀測計畫、學術研究艦隊與物流,以及美國國家大氣研究中心等相關預算,因此相關設施支出經費超過該局預算之二分之一;數學與物理科學局的預算則是包括阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列計畫、雙子星天文台、雷射干涉重力波天文台、國家高磁場實驗室、國家超導迴旋加速器實驗室、美國國家光學天文觀測台與國家射電天文台等較各種大型設施而具有較高的研究基礎設施預算;此外,社會、行為與經濟科學局主要投入在國家科學與工程統計中心。

就(3)重要科學設施和設備建設(專戶)而言,主要為支持購置、建造與調試重大研究設備與設施,以提供在前沿科學與工程獨特的能力,為NSF在1995年所建立的專戶。不過有關設施初始的規劃與設計,以及建造後的維運,則是由(1)研究與研究相關(R&RA)帳戶資助。美國重要科學設施和設備建設(專戶)的目的,主要是提供循環性帳戶以資助大型基礎設施的建設與購置(construction and acquisition),希望可以:

(1)避免對於科學局或辦公室的資助基礎產生嚴重的偏移(例如建設與購置成本超過原本科學局或辦公室年度營運預算的10%以上) (National Science Foundation,2003);

(2)確保有足夠的資源可以完成多年期資助的計畫;以及

(3)將建設型計畫的緩慢支出特性進行區分。

3.NSF研究基礎設施預算概況-依照研究基礎設施內涵

NSF另依照研究基礎設施之內涵,包括按照設施(facilities)、聯邦資助研發中心(federally funded R&D centers)與其他研究設備與基礎設施(other research instrumentation and infrastructure)三大類進行預算統計。由表3的範疇例示,顯示出NSF研究基礎設施所涵蓋的範疇。可以發現像是聯邦資助研發中心、科學與創新政策之科學計畫以及讓公眾近用研究資源的計畫經費,其實都歸屬在研究基礎設施預算之下。

表3 NSF在2015與2016財年研究基礎設施預算概況(百萬美元)-依照研究基礎設施內涵

類型研究基礎設施涵蓋範疇(例示)2015財年實際研究基礎設施經費佔整體研究基礎設施經費比例2016財年預估研究基礎設施經費佔整體研究基礎設施經費比例
設施學術研究艦隊、大洋觀測計畫、極地設施與物流、國家危害工程研究基礎設施、重要科學設施和設備建設,與共用設施建設事前規劃等894.6455.34%977.1056.85%
聯邦資助研發中心美國國家大氣研究中心、美國國家光學天文觀測台、國家太陽天文台與科學技術政策研究院等220.2513.62%217.6212.66%
其他研究設備與基礎設施重點科學儀器設備計畫(MRI)、
中型規模研究基礎設施(Midscale Research Infrastructure)、國家科學與工程統計中心(NCSES)、NCSES下之科學與創新政策之科學計畫(Science of Science and Innovation Policy, SciSIP)活動、網絡及計算資源基礎設施服務、研究資源(包含支持操作與維運小型設施、基礎設施與設備、田間試驗站與博物館收藏等),以及研究資源-公眾近用計畫(Research Resources – Public Access Initiative)等
503.5331.15%525.7830.59%
研究基礎設施之資助(小計)1,618.42100.11%1,720.50100.10%
研究基礎設施監管的抵銷-1.76-0.11%-1.76-0.10%
研究基礎設施(合計)1,616.661,718.74
資料來源: National Science Foundation, 2016c;本研究整理

其中,重點科學儀器設備計畫(Major Research Instrumentation, 簡稱MRI)為橫跨NSF科學局的方案,藉由在國家體制內的高等教育、研究博物館與非營利研究機構投資最先進的研究設備,強化美國的科學事業。MRI方案促進共同使用儀器設備的購置與發展,並藉由競爭性提案與審查擇優錄取過程進行資助。一方面促進科學儀器設備相關的研發與培養科研人員,部分資助先進科學儀器與設備,亦即原理上先進、技術上創新且用以研究國際前沿科學問題的中型科學儀器設備,但是不支持維運費用,並且只支持單一且已良好整合的設備(Office of Science and Technology, 2014; NSF, 2015; 冷伏海,2014) 。2015年此方案的實際經費約為7千4百萬美元(National Science Foundation, 2016c)。

4.NSF在研究基礎設施的新進投資重點與精進方向

關於NSF在研究基礎設施的新進投資重點方向,由NSF出版的2014-2018年策略規劃報告《為國家的未來投資科學、工程與教育》,其中第一項策略性目標(Goal)-蛻變的科學與工程前沿(transform the frontiers of science and engineering)的第三項目的(objective),便明示要提供世界級的研究基礎設施以促進重要的科學進步。為滿足此促進科學進展的主要任務,NSF希望提供研究社群先進且有力的工具以及能力,以讓美國的研究單位可以位在全球的前端。這樣的工具與能力包括重點科學儀器設備計畫、中間規模的設備、先進的計算與數據資源(advanced computational and data resources)以及資訊化基礎設施(cyberinfrastructure)。此外也強調需要預備下世代的人力以能發展、維運以及應用基礎設施來促進科學進步。而大型研究基礎設施乘載對於科學主要發現與革命性的進展,可以推動所有領域向前進展,因此高量的投資是值得的,這些設施也是未來科學家與工程師培訓的基礎(National Science Foundation, 2014)。

此外,NSF認為中型規模的研究基礎設施在實驗科學中的基礎研究重要性將會逐漸增加。過往NSF資助的研究基礎設施類型偏向小型與大型兩個極端。如以NSF下各個科學局(individual Directorates)的業務而言,資助規模約在2,000萬美元,即約6億台幣左右;如透過重點科學儀器設備計畫投資最多400萬美元(原本是200萬美元),即1億2千萬台幣。在大型的研究基礎設施部分而言,重要科學設施和設備建設(專戶)的投入門檻約在幾千萬至數億美元規模,多半在1億美元以上,即約30億台幣規模。顯示出介於中間的中型規模研究基礎設施較未受到關注,NSF因此認為有需要完備此類設備的提供。此外像是先進的計算與數據資源以及網絡型基礎設施(cyberinfrastructure)具有多樣形式,亦對於科學與工程研究非常重要。如何將此類工具與能力的發展與維運,與其他類型設施組合之投資進行平衡,是NSF相當具有挑戰性之處。此外,其他的挑戰還包括研究基礎設施之生命週期規劃、人力資本的發展、以及如何對各領域研究如爆炸般的數據進行積釀、散布與管理(National Science Foundation, 2014; Science, 2016)。

在2017財年,重要科學設施和設備建設(專戶)申請的預算中,主要是持續資助三項計畫: Daniel K. Inouye 太陽望遠鏡 (DKIST), 國家生態觀測網(National Ecological Observatory Network, NEON) 與大型綜合巡天望遠鏡(Large Synoptic Survey Telescope, LSST)。在2017年則是打算啟始一新計畫-區域級的研究船(Regional Class Research Vessels, RCRV),預估三年總經費為2億5千600萬美元,第一年經費預算為1億600萬美元(National Science Foundation, 2016c)。

三、 啟示與建議

由美國NSF的經驗來看,研究基礎設施雖未像歐盟提供直接而明確之定義,但是每年在預算的提交上,仍會從像是會計帳戶角度,或是從研究基礎設施涵蓋範疇來提供預算申請相關細目。追根究柢,其實是美國總統辦事機關中的管理及預算辦公室(Office of Management and Budget, OMB)所制定的預算編列、提交與執行指南(Circular No. A–11-Preparation, Submission, and Execution of the Budget),要求聯邦機構在研究發展投資組合中需要區分出研究發展(包含基礎研究、應用研究與發展)、研究與發展設施(research and development facilities)以及研發主要設備(major equipment for R&D)(Office of Science and Technology, 2014),因此,NSF遵循相關準則,往下透過架構分類,呈現出研究基礎設施投資預算概況,以供美國國會與公眾進行檢視追蹤,提升研究基礎設施投資之透明度。此外,對於較為大型且需要較為長期資助的研究基礎設施,也設有一重要科學設施和設備建設(專戶),提供較高額度資金,以確保設施之建置上有較穩定持續之經費資助,一方面避免對NSF既有科學局或辦公室預算產生較大衝擊,也確保有足夠的資源可以完成多年期設施之資助計畫。管理上,也透過分析既有研究基礎設施的缺口,精進資助機制,完善對於中間規模設備之投資。同時,在資通訊科技之發展下,也特別注重先進的計算與數據資源以及資訊化基礎設施之發展。

我國過去藉由持續投入研究基礎設施之建置,加上研究設施與資源共享,孕育出許多世界級尖端研究與科技創新,因此研究基礎設施之建置與維運對於台灣科研推動具有一定的重要性及影響性,未來仍有需要持續精進在研究基礎設施之規劃與整合管理,以確保永續的科學、經濟、安全與競爭力需求。就目前現況,我國每年係透過科技計畫的審議程序,進行有關大型設施或500萬以上科學儀器設備之預算審查,而若單價500萬以上儀器設備需俟補助對象申請通過才採購而暫無法詳列者,嗣後應依規定另送科技部審查(科技部,2015)。不過就目前的模式而言,我國似較欠缺對於研究基礎設施之定義及較明確之範疇界定(如研發中心是否需納入研究基礎設施範疇中),以及一具上位性、系統性的分類架構,作為各部會研究基礎設施相關預算投入之統計基準。因此本研究建議我國可以思考於行政院層級討論並建立研究基礎設施之範疇與分類,往下連結至各部會相關研發資源投入,以利後續於預算分析、資源配置甚至是成效追蹤之基礎。此外,國內一些大型研究基礎設施亦逐漸面臨功能規格老舊而有汰舊換新的需求,然因大型研究基礎設施之投資費用高昂,美國以建立專戶方式於大型研究基礎設施建置與替換時提供穩定資金來源亦是值得我國思考與精進的方向。而資通訊科技的興起,例如:雲端計算、物聯網的發展等使得研究基礎設施能夠透過網路服務,達成遠端取用,因此可持續利用資通訊科技強化研究基礎設施產出之資訊交換、共享、分析、應用等,以提升研究基礎設施之服務效能並促進科技化的創新服務。

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