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高等教育科研资源质量评价方法研究 ——基于贝叶斯网络模型的预测论文

发布时间:2020-01-17 16:23:46 文章来源:SCI论文网 我要评论














SCI论文(www.scipaper.net):

摘要:本文主要采取理论研究和案例分析相结合的方法,在对我国当前高等教育科研资源质量分析的基础上,运用贝叶斯网络建立科研资源质量评价模型,提出一种科研资源评估指标体系向贝叶斯网络的转化方法,研究了科研资源指标和指标逻辑关系转化。最后以项目申请为例,通过比较模型中节点的后验概率和先验概率的差值大小来识别科研资源质量评价系统中的关键因素,对科研资源质量改进提供技术支撑。

关键词:教育;科研资源;质量评价白光晗;贝叶斯网络

本文引用格式:白光晗,等.高等教育科研资源质量评价方法研究——基于贝叶斯网络模型的预测[J].教育现代化,2019,6(53):220-225,233.

Research on the quality Evaluation Method of Scientific Research Resources in Higher Education
--Based on the Bayesian network Model

BAI Guang-han,ZHANG Yun-an

(Laboratory of Science and Technology on Integrated Logistics Support,National university of Defense Technology,Changsha,P.R.China)

Abstract:based on the analysis of the current higher education quality research resources in our country,this paper establishes a quality evaluation model of research resources bayesian network by combining theoretical research and case analysis.A kind of scientific research resources evaluation index system is introduced by using the transformation method of bayesian networks.Then the relationships between the scientific research resources index and index logic transformation are discussed.Finally,taking a project application as an example,the key factors in the quality evaluation system of scientific research resources are identified by comparing the difference between the posterior probability and the prior probability of the nodes in the comparison model.These provide a technical support for improving the quality of scientific research resources.

Key words:Education;scientific research resources;quality evaluation;bayesian network

        针对中国特色的社会主义国家,中国未来15年科技发展的目标:2020年建成创新型国家,使科技发展成为经济社会发展的有力支撑,并对“创新型国家”的标准作了描述:科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力要显著增强,基础科学和前沿技术研究综合实力要显著增强,并要取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果。

        国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》明确提出到2020年,我国科学技术发展的总体目标是:自主创新能力显著增强,科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强,为全面建设小康社会提供强有力的支撑;基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强,取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果,进入创新型国家行列,为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础。进一步明确了科技创新能力对于国家发展的重要性。

       科研资源是科技创新的基石,对科技发展具有重大的支撑作用。人类一切科技创新活动都要依赖于科研仪器设备、知识经验积累和人类的创造性活动。只有将科研资源合理配置,才能对科技发展起到应有的支撑作用。所以对高校科研资源内涵深入分析,以贝叶斯网络技术为基础,研究高校科研资源瓶颈识别方法,对实现中国未来15年科技发展的目标、对贯彻“十二五”规划具有重要的意义。

        在科研资源管理方面,我国的研究主要偏向于科研资源中存在的问题及对策。王修来等[1]基于科研活动所需的五个基本要素,即人才、项目、资金、设施、成果等,分析我国科研资源的现状,在此基础上提出相应的对策;宋振峰[2]针对目前国内科研活动中的资源浪费十分严重现象,无论智力资源、财力资源和信息资源的分配和使用,提出了许多亟待解决的问题;黄宝晟[3]针对我国在科研资源共享方面存在的问题,简要概括了我国科研资源共享中的主要问题,探析了科研资源缺乏共享的原因;宋建勇[4]从信息不对称博弈的角度分析了科研资源管理中存在的资源不合理利用问题,并在此基础上提出了解决这一问题的对策建议;殷朝晖,张祖新[5]提出我国应借鉴高等教育和科技发达国家的成功经验,有利于我国研究型大学原始性创新能力的提高和高层次创新人才的培养,加快研究型大学建设的步伐;纪延光,韩之俊[6]基于科研项目的课题制管理,构建了科研项目沟通管理的过程体系;杨斌,何铁宁[7]描述了目前科研项目管理存在的两大类问题:项目管理问题和信息管理问题,提出了把现代项目管理理念和科研项目管理相结合的解决方案;黄定东,沈月芳[8]结合科研项目管理的实践,阐述了科研项目管理前期管理、过程管理及提高高水平成果的“产出率”管理,并对进一步提高科研管理水平进行了探讨。

       科研资源质量评价方法是一种全新的科研管理模式研究,所以本文首先分析了科研资源的影响因素,并从这些因素中抽取出瓶颈。然后介绍了科研资源质量评价贝叶斯网络模型,分析了科研资源贝叶斯网络模型的基本结构。通过比较节点先验概率和后验概率差值来识别科研资源的关键因素。

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一影响科研资源质量的因素分析

        我国的科研资源丰富,但是科研资源利用失衡、配置失衡、共享失衡等,极大影响了我们科学技术的发展和创新。科研[9]是科学研究的简称,一般是指利用科研手段和装备,为了认识客观事物的内在本质和运动规律而进行的调查研究、实验、试制等一系列的活动,为创造发明新产品和新技术提供理论依据。科学研究的基本任务就是探索、认识未知。资源[10]指在一定领域内拥有的物力、财力、人力等各种物质要素的总称。张严锋等[11]指出科研资源包括科学仪器设备资源、科技文献资源、科学数据资源、专业技术资源等;商悦等[12]指出科研资源是科研活动赖以生存的物质条件,它包括科研队伍、科研活动资金、科研设施设备、科研信息四个要素,统一于学校的科研活动之中,共同发挥作用;黄宝晟[3]指出科研资源包括科研仪器设备资源、实验基地资源、科技文献资源、科研数据资源、专业技术资源等多种资源。

        本文所研究的科研资源是指:为科学研究探索和认识未知所服务的各种资源的总称。一般包括人力资源、经费资源和条件资源,具体可以分为优势特色学科资源、科研团队资源、科研平台资源、科研设备资源、科研经费资源等。我国科研资源主要存在以下几个问题:

1.科研资源利用失衡

      (1)盲目投资、重复采购造成大量资源浪费;(2)大型设备闲置和功能未完全开发;(3)各学科不同经费购置的大型仪器设备不允许其他学科使用,共享情况较差;(4)科研资源布局分散、各自为政、自管自用。

2.科研资源配置失衡

      (1)科研队伍流动不顺畅;(2)科研资金结构不合理;(3)科研设备调控不完善。

3.科研资源共享失衡

       (1)仪器设备重复购置问题严重;(2)仪器设备利用率低;(3)科研数据的共享存在障碍。

       科研资源瓶颈是指那些影响科研资源整体发展的关键因素。我们可以归纳出以下主要的科研资源瓶颈:

1.仪器设备

      (1)仪器设备盲目投资、重复采购,造成大量浪费;(2)仪器设备共享差,各学科不同经费购置的大型仪器设备不允许其他学科使用。

2.科研队伍

      (1)科研队伍流动不顺畅;(2)科研队伍结构不合理。

3.科研用房

      (1)科研用房的独立性和集中型混乱;(2)科研用房配套设施不齐全。

二科研资源质量评价方法

       贝叶斯网的网络结构是一个有向无环图,其中每个节点代表一个属性或者数据变量,节点间的弧代表数据变量间的概率依赖关系。我们用下面的例子来具体说明贝叶斯网的结构:

        图1中共有五个结点和五条弧。A1是一个原因节点,它会导致A2和A3。而我们知道A2和A3都可能最终导致A4。另外如果科研团队分歧严重的话还可能导致A5。

(一)科研资源贝叶斯网络基本要求

         目前,科研资源质量评估最终是否成功主要与指标分类、指标内容、评议标准等息息相关。指标分类是对科研资源的具体细分,是指影响科研资源评估的因素,这里各个因素是互不相交的,即这些因素之间互不影响,这里定义成一级指标;指标内容是对各个一级指标的充分解释,也是由互不相交的子集组成,这里定义成二级指标;评议标准是对各个二级指标的充分解释,可以理解过最小单元,不可再分,这些单元是互不相交,所以只能选择其中的一个三级指标,这里定义成三级指标。用贝叶斯网络对科研资源质量评估进行建模可以采用两大类:一种是用输入节点表达三级指标,用输出节点表达二级指标,表达了由因及果的关联关系;而另外一种建模方式是用输入节点来表达二级指标,用输出节点表达三级指标,是一种由果推因的表述方式。这里一级指标用I1表示,二级指标用I2表示,三级指标用I3表示。根据贝叶斯网络模型中具体节点变量的表达方式,又可以进一步分为以下五种表示方法:

       1.基于一级指标节点——二级指标节点的表示方法。这种表达方法的网络结构中只有指标分类节点和指标内容节点,如图2(a)所示。该表达方式确立了科研项目的指标分类和指标内容的关联关系,无法表达科研资源的深层的评议标准与指标分类的关联关系及故障传播途径;

         2.基于二级指标——三级指标的表示方法。这种表达方法的网络结构中只有指标内容节点和评议标准节点,如图2(b)所示。这种方式能够详细的描述科研资源质量评估是否合格的具体影响因素,但是由于忽略了一级指标,不能及时发现这些影响因素;

          3.基于一级指标——二级指标——三级指标的表示方法。这种表达方法的网络结构中包括了指标分类节点、指标内容节点和评议标准节点,如图 2(c) 所示。这种模型是对 1、2 的扩展,能够很好地解释科研资源质量评估的影响关系。




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(二)科研资源质量评估标准中基本指标的转化

      从推理过程和对科研资源评估系统状态的描述过程来看,节点与科研资源评估标准中的指标是对应的,评估标准中的指标也正是建立贝叶斯网络需要的所有节点集合,可以将评估标准中的指标直接转化为贝叶斯网络的节点。

1.二态系统

       对于二态科研资源评估标准,其中所有指标均只有满意和不满意两种状态,可以直接将其转化为在贝叶斯网络中的二态节点。与二态科研资源评估标准各种指标对应的贝叶斯网络节点Xi的可行状态取值如下所示:



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2.多态系统

        由于多态系统在科研资源系统中是广泛存在的, 并且贝叶斯网络中的节点完全支持多态变量的表述, 所以可以将多态科研资源系统的多态指标转化为贝叶斯网络中的相应节点。假设某多态指标除满意状态之外还有 m 个不满意状态,则在贝叶斯网络中对应节点 Xi 的可行状态取值如下所示:

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(三) 科研资源评估模型

         科研资源评估指标中的各个指标因素是互不相交、互不影响的。这与贝叶斯网络中的条件概率分布的概念是相对应的。因此,在保持连接关系一致的条件下,可以将科研资源评估指标中的这些关系直接转化为贝叶斯网络中对应节点的条件概率分布。科研资源评估指标中主要的关系是包含与被包含的关系,这正好与概率论中的全概率、条件概率和贝叶斯公式相对应,也正好可以应用到贝叶斯网络中。在贝叶斯网络中,三级指标一般都是二态的情况。下面将分别对在二态和多态条件下的转化方法进行研究。


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         表 1 为某高校科研经费评估标准,表 2 为某科研资源质量评估标准,图 3、4 是根据上述中的描述转化得到的贝叶斯网络。从图 3、4 可知,二级指标中的各个指标是相互独立的,并且不存在一个原因引起 2 个不同的结果,并且在贝叶斯网络中,三级指标只能为一个,不能存在相互矛盾的情况,这些是贝叶斯网络的重要特征,这也与科研资源质量评估标准相符合。

由上述可知,基于科研资源质量评估标准建立贝叶斯网络的主要步骤如下:

      1.确定需要识别的科研资源标准,并以该标准对应的指标为起始原因节点确定对应的科研资源评估标准的子目录;

        2.将科研资源评估标准中所有二态及多态指标转换成贝叶斯网络中对应的节点并且将所有子表转化为贝叶斯网络中多个节点的关联关系,并用有向边连接以标明父子关系;

       3.依据已知的科研资源评估标准的所有起始原因节点的先验概率,确定贝叶斯网络中的其余节点的先验概率,然后采用完整节点模式推理计算其他节点的概率,进行比较计算,最终确定需要改善的节点。

三 某高校国防预研项目分析

           国防预研项目的评价是根据评价主体的效用观点,对项目能否满足某种需求的认识或估计,对项目中诸多因素交织的系统问题进行分析、衡量和判断。图 5 描述了该国防预研项目评价步骤。

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        表3描述了国防预研项目评估的指标体系。其中,项目负责人:是否对项目发展有非常明确和可行的规划及思路;项目总体目标是否明确,近、中、远期目标是否明确、思路和措施是否可行;开展的研究工作是否属于基础性、前沿性研究,且紧扣未来武器装备研制和国防科技发展的技术增长点。

        学术骨干:各研究方向是否均有相应的学术骨干;学术骨干对各自研究方向是否有深刻的理解和明确思路;科研工作和人才培养方面是否发挥显著作用。研究队伍:人员职称、年龄、专业结构、研究能力与水平;是否在研究方向上开展了相关研究工作,并取得了一定的成绩;是否有相对独立的科研队伍和管理队伍。仪器设备:各研究方向是否均具备开展高水平科研实验的仪器设备;仪器设备总值。主要仪器设备水平:主要仪器设备在国内所处水平。仪器设备发挥的作用:仪器设备使用情况;仪器设备管理制度落实情况;仪器设备在科研工作中发挥作用的情况;仪器设备开放共享情况。科研用房独立性:科研及办公房是否独立、集中使用。科研用房面积:科研及办公用房占用的面积。科研用房配套设施:科研用房配套设施是否良好;科研环境是否整洁、舒适。国防预研项目考察重点包括科研队伍、仪器设备、科研用房等。考察指标分为两级,其中二级指标均按照A、B、C、D、E、F、G等七个评议标准进行评定。但是这七个评定按照二级指标的属性不同而不同,如表4所示:



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          针对国防预研项目评估指标体系可以分为一级指标、二级指标、三级指标,可得到如下的贝叶斯网络模型。由于表3可以分为具体的模块,比如其中一级指标由科研队伍、仪器设备、科研用房3个组成,一级指标科研队伍又可以分为项目负责人、学术骨干、研究队伍3个二级指标等。这里为了分析的方便,假设三级指标由2个组成(C、G),C表示满意状态,G表示不满意状态。用0表示满意状态,1表示不满意状态。这些模块转化为相应的贝叶斯网络结构如图6所示。


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         在一次国防预研项目评估中失败,即P(I 0=1)=1,下面利用图6对发生此结果的科研资源质量进行识别,其步骤如下:

       1.搜索贝叶斯网络模型,确定I0所在的节点;

       2.以I0为汇源节点,搜索指向它的节点,并依次展开形成子网络;

       3.根据检测到的证据P(I 0=1)=1修改对应节点I0的状态取值;

       4.采用完整节点模式推理计算出I0父节点概率,如表5所示;

        5.根据表 5 信息,先检验后验概率和先验概率相差比较大的节点(最容易出现不满意的状态),则对 I11 进行详细检测,发现其的确处于不满意状态, 即P(I 1 = 1) = 1 ;

      6.以 I11 为汇源节点,搜索指向它的节点,并依次展开形成子网络;

        7.根据检测到的证据 P(I 11   = 1) = 1 修改对应节点I11 的状态取值;

     8.采用完整节点模式推理计算出 I11父节点概率, 如表 6 所示;

        9.根据表 6 信息,对 I212 进行详细检测,但结果显示其处于满意状态,即P(I 212 = 0) = 1 ,下面对 I211
(此时任意挑选)进行详细检测,结果显示其也处于满意状态,即P(I 211 = 0) = 1 ,则 I213 是导致 I11 不满意的原因;

      10.以 I213 为汇源节点,搜索指向它的节点,并依次展开形成子网络;

       11.根据检测到的证据P(I 213 = 1) = 1 修改对应节点I213 的状态取值;

        12.采用完整节点模式推理计算出 I213 父节点概率,如表 7 所示;比较表5,6,7可知,在表7中,检测父节点是选择I313i=0的状态,而在表5和表6中,检测父节点是选择状态为1,这是因为节点I3为贝叶斯网络的根节点,节点I3是最小单元,并且在贝叶斯网络中只能选择其中之一,也就是最终的检测原因节点,所以对于I3节点状态的选择应该选取状态为0的情况。

          13.根据表7信息,对I3133进行详细检测,发现选择的就是I3133,正好切合实际,即P(I 3133=0)=1。所以针对科研项目I3133节点,对科研项目评估方案进行修改,然后可以改善一定的质量标准。

参考文献

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