工程改造的相关理论基础

第五节　续写辉煌——北京正负电子对撞机重大改造工程

大型工程项目包括立项、设计、建造、管理等活动过程，而改造则是对原工程项目进行重新评估、设计和改进，并在此基础上进行建造的一种活动。北京正负电子对撞机(Beijing Electron Positron Collider，简称BEPC)是我国的大科学装置之一，也是我国唯一的正在进行重大改造的大科学工程。总结其改造过程中积累的经验，分析并发现其中存在的问题，进而提出相应的政策建议，不仅可作为大科学工程改造过程的典型案例，也可以为其他工程的改造提供指导和借鉴。

一　BEPCII简介

1984年10月7日，中国第一台高能加速器——北京正负电子对撞机建设工程在北京西郊八宝山东麓破土动工。邓小平、杨尚昆、万里、方毅等中央领导同志与中外科学家一起，为北京正负电子对撞机工程奠基。卢嘉锡主持了奠基典礼。六年后的1990年7月，国家计委在北京正负电子对撞机、谱仪和同步辐射装置经过近一年的运行和实验，证明整个机器性能稳定的情况下，组织了对这一重大科学工程的国家验收。至此，作为中国科学技术史上最大的科研工程建设项目，北京正负电子对撞机宣告正式结项。

北京正负电子对撞机和北京谱仪的成功建成并最终达到国际先进性能指标，令中国的科学家扬眉吐气，无比喜悦，也得到了世界高能物理学界的高度评价，产生了巨大的作用与影响，成为我国科技领域又一个显赫的里程碑。王淦昌说：“这个工程的研制成功“标志着我国高能物理和精密机械、电子技术又进入了一个新的阶段，是一个里程碑。有人说这是继原子弹、氢弹、导弹、人造卫星等之后我国取得的又一伟大成就，依我看说得一点也不过分。”

1991年5月24日，中南海怀仁堂隆重举行北京正负电子对撞机工程表彰大会。宋平、温家宝等党和国家领导人出席会议，为工程有功单位和人员颁发了由国务院总理李鹏签字的荣誉证书。

北京正负电子对撞机建成后陆续取得了一批在国际高能物理学界有影响的科研成果，先后获得来自国家和各个部门的一系列奖励——国家科技进步特等奖、中国科学院自然科学一等奖等，可谓成就辉煌。

北京正负电子对撞机自20世纪80年代末成功建成以来，取得了大量重要的物理成果，在国际τ—粲物理领域占领了一席之地。可是，随着时间的推移，一个新问题——如何让北京正负电子对撞机续写辉煌的问题——便被提出来了。一方面，根据国际高能物理实验的最新发展，表明该能区有丰富的物理研究内容，有可能取得具有重大科学意义的成果，所以迫切需要在更高亮度的条件下进行精确研究；而另一方面，近年来，高能加速器及探测器的设计思想和技术也有了很大发展，例如双环交叉对撞技术成功地使加速器亮度提高了上百倍。因此，基于我国在τ—粲物理研究领域的优势地位，国内外高能物理界对BEPC大幅度提高亮度，在该领域深入开展研究，做出一流工作都寄予了很高的期望。^[44]

一般而言，国际上大型高能物理加速器在完成它的主要科学目标后，都会根据世界高能物理研究的最新发展，针对该能区物理发展的要求，以较小的投入，对加速器和探测器进行重大改造，保持其在科学上的竞争力，继续在国际高能物理研究的前沿发挥重大作用。而且，由于BEPC在τ—粲物理实验研究中取得了重大成就，对国际高能物理的发展产生了巨大影响，引起了国际高能物理界对τ—粲物理的极大兴趣，他们也十分重视这一能区的丰富物理“矿藏”。美国、俄罗斯等国都计划参与这个领域的研究。2001年初，美国康乃尔大学的对撞机CESR计划将它的能量降到τ—粲能区，研究τ—粲物理，其设计亮度与BEPCII单环设计方案大体相当；俄罗斯新西伯利亚的VEPP—4M也计划将能量降至τ—粲能区。这样，在一段时期内，τ—粲物理将成为国际高能物理实验研究竞争的热点之一。^[45]因此，为了保持我国在高能物理领域的一席之地和τ—粲物理研究领域的国际领先地位，根据高能物理研究的发展态势，以及国际大型物理高能加速器的普遍经验，必须对北京正负电子对撞机进行改造升级。

北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)，是对北京正负电子对撞机和北京谱仪进行重大改造，并对相关公用基础设施进行增容、改造和升级，改进辐射防护设施的大型工程。它主要采用双环方案，在对撞机现有隧道内新建一个储存环，采用多束团、大交叉角对撞方式，建成后将成为当前国际上最先进的双环对撞机，并将亮度提高两个数量级，在质心系能量3.77 GeV时达到3×10³²/cm²s～10×10³²/cm2s。北京谱仪也将进行全面改造，大幅度提高探测器性能，减少系统误差，与对撞机的高事例率相匹配，实现精确测量，并适应BEPCII高计数率运行的要求。^[46]

BEPCII不仅对今后10～15年间我国在τ—粲物理能区研究领域保持领先地位具有重要意义，同时，由于在对撞机改造工程中采用大功率电源、微波技术、超导高频技术、超导磁铁技术、超高真空技术、自动控制、高性能晶体材料等前沿技术，必将带动我国高技术产业发展，促进高技术成果转化。此外，对撞机改造后也将进一步改善其同步辐射光源的性能，为凝聚态物理、材料科学、生命科学、微电子技术等领域提供前沿的实验手段，并将大大地促进相关学科的发展。

二　BEPCII改造经验

自1997年中科院高能物理所向中国科学院上报BEPCII方案以来，改造方案曾经过从单环到双环的调整。2001年到2003年，工程完成项目立项；2004年，改造正式开工；2006年10月，储存环完成了所有主体设备的安装，实现了双环真空封闭，开始整体设备的联合调试；2007年3月，BEPCII储存环成功实现对撞，标志着BEPCII改造项目基本结束，进入调试阶段。BEPCII从初步立项到完成改造，历经近十年的时间，积累了许多宝贵经验。大致包括以下五个方面：

1.改造的前提：适应科学发展的规律，更需要符合工程改造的规律

科学的发展有其内在的规律可循，大科学型工程的改造，必须适应科学发展的规律。BEPCII改造完成后，将更有利于发现τ—粲能区的微小粒子，探究高能物理发展规律。在21世纪，高能物理仍然会是重要的科学研究领域。高能物理又称粒子物理，是研究物质结构最小单元的构成及其相互作用规律的前沿学科。20世纪50年代以来，粒子物理实验一直是国际上基础科学研究的最前沿和知识创新的热点之一，而高能物理实验研究包括基于加速器的和非基于加速器的物理实验。在BEPCII中进行的物理研究属于基于加速器的实验研究。在加速器实验研究的国际前沿，有两大发展趋势：高能量前沿和高精度前沿。高能量前沿使用规模巨大、能量最高的加速器，在这个领域我国主要通过国际合作来参与。而高精度前沿研究需要的能量较低，也是国际粒子实验物理研究的热点之一。其中τ—粲能区是三大具有重要物理意义研究的能区之一，在这一领域展开研究，是符合粒子物理实验研究趋势的。^[47]

大型工程改造，必须符合工程改造的基本规律。在立项上，要完成技术论证、专家评审、按程序审批等各个环节；在改造过程中，要严格工程管理制度，监控工程质量，又保证计划的进度；在评估验收阶段，由国家和审批单位组织专家组进行综合测试和质量评估。从2001到2003年完成立项，BEPCII先后召开四次国际评审会，对BEPCII的加速器和探测器进行了认真评审，国内外专家对BEPCII的可行性研究给予了高度评价，一致认为在技术上是完全可行的，2003年2月国务院批准了国家发展计划委员会关于BEPCII项目建议书的报告；有关环境、卫生、消防等事项的报告，如《BEPCII环境影响报告书》、《BEPCII放射防护评价报告书》和《BEPCII消防设计》也都通过了相关部门的审批。而在改造过程中，BEPCII严格按照改造的规划书和工程的进度要求，有条不紊地实施改造方案。到目前为止，改造活动已经基本结束并进入调试阶段，基本符合改造的总体规划和工程进度。

2.改造的基础：落实国家中长期科技规划，应对科技发展的战略需求

《国家中长期科技发展规划纲要》指出，科技在推动国家经济发展中起到基础性的作用。而为了充分发挥科技的这种基础性作用，必须加强在科学前沿问题上的研究，如研究微观和宏观尺度，以及高能、高密、超高压、超强磁场等极端状态下的物质结构与物理规律，粒子物理学前沿的基本问题等。^[48]因此，进行包括粒子物理学在内的科学前沿问题研究，有利于促进我国原始创新能力的提升，促进多学科协调发展，体现我国的优势和特色，并由此大幅度地提高我国基础科学的地位。同时，基础研究也是高新技术发展的重要源泉，是培育创新人才的摇篮，是未来科学和技术发展的内在动力。

BEPCII对粒子物理研究的重要领域τ—粲能区进行研究，对于提升我国高能物理研究水平，保持在此领域的领先地位有着重要的作用，符合国家科技发展的战略需要。在BEPCII建成之后，预期每年能获取80亿J/ψ事例或20亿ψ(2S)事例，为τ—粲物理实验研究提供高统计量的数据和小的系统误差的精确测量，并探索新的物理现象。预计投入运行后3～5年内，将在τ—粲物理前沿取得多项具有世界领先水平的创新性物理成果。^[49]同时，也能够促进我国同步辐射的应用，和交叉学科及高新技术的发展。所以，BEPCII也是实施国家中长期科学和技术发展规划的重要内容，符合我国科技长远发展的要求。

3.改造的保障：科学化、制度化、规范化的管理体系，保证工程改造的顺利进行

自从法国人亨利·法约尔(Henri Fayol，1841—1925)在其著作《工业管理的一般管理》中提出管理概念以来，管理就作为人类的组织活动，随着实践和理论的发展而发展。管理大师泰罗在20世纪初提出了管理的科学化、制度化理论，这也标志着现代管理理论的成熟。这种管理制度作为企业中个人和内部组织机构的行为准则和规范，制约和影响着人们的行为，调整着企业中个人与组织之间的关系，规范或决定着基本工作过程和程序，进而决定了企业的管理状况和管理水平。企业采用管理制度进行管理，可以简化管理过程，提高管理效率，避免管理过程中的随意性和过分依赖个人，避免裙带关系和人身依附关系对管理的影响，使管理行为更为连续、稳定、客观、规范和公正。

早在BEPCII的立项阶段，就提出要对工程实行科学、规范的管理。BEPCII工程指挥部建立了一整套工程管理制度，包括各级领导的岗位职责、CPM管理、技术文件的审批和管理办法、非标设备管理条例、招投标管理办法和质量控制体系等，并实行了工程财务独立核算。^[50]“工程的施工质量，是BEPCII工程的生命线。”为了加强对工程质量的管理，进一步与国际通行质量管理接轨，BEPCII工程指挥部建立和实施从项目立项、审批、研制到鉴定验收全过程的质量管理体系。这个体系是以GB/T 19001～2000 idt ISO 9001：2000《质量管理体系要求》为标准，来规范工程人员的工作行为，形成组织内部的自我完善机制，从而保障了工程从设计到建造的整个过程中，能够做到有章可循，严格控制质量、经费和进度。^[51]

在对工程实行规范化、科学化管理的同时，针对工程活动的复杂性、系统性等特点，创造性地提出许多新的管理措施，实行管理创新。如针对BEPCII的特殊性，制定了许多管理制度和政策，保证工程各项任务的有序进展。如制定CPM计划，有机协调了各个部门的工作，可根据外部情况的变化，及时调整工作时间，使各项指标符合CPM的工作进度。再如成立项目管理委员会，作为工程的领导机构，并实行BEPCII工程指挥部——分总体——系统三级领导体制。整个工程设有四个分总体，每个分总体设有分总体主任和主任工程师，由指挥部任命，对指挥部负责。而每个分总体又下设若干个系统，每个系统设系统负责人，由分总体主任提名，指挥部批准，对其所在分总体负责。这样层层级级做到目标明确，责任到人，确保工程进展的顺利和质量的监督。

4.改造的条件：创新型的科研人才、有经验的管理人才和稳定的工程队伍，是促使工程顺利进行的核心要素

在科学研究中，科研人才是科研活动的主体，为科学发现和创新作出基础性的贡献。而在工程建造和改造活动，所需要的人才是多方面的，不仅包括科研人才，还包括管理人才和工程队伍。其中，创新型的科研人才，不仅是科研活动的主力军，也是技术攻关、技术创新的主要力量，是工程改造的主体之一；而经验丰富的管理人才，更是促使工程改造科学、高效运行的重要因素；同时，由于大科学工程及改造时间跨度和周期长、技术标准要求高、操作劳动强度大等特点，高水平且稳定的工程队伍，也是完成工程项目的必备要素。

高能物理研究所在BEPC的建设中，培养了一支能征善战的科研和工程队伍，而在多年的运行和改进工作中，又有一批年轻的科研和工程人员成长起来了。他们不仅包括高水平的科研和工程技术队伍，通用设施的运行维护队伍，而且还包括一支事业心强、经验丰富、专业配套的运行大型科研工程的管理队伍。在BEPCII工程中，这些来自各个方面的人才凝聚在一起，发扬吃苦耐劳、不畏艰难、默默奉献的精神，团结合作、严谨求实、群策群力、众志成城地解决了一个又一个技术难题和实际困难，用自己的辛勤汗水谱写了一部BEPCII的辉煌篇章。陈森玉院士、王书鸿研究员的事迹，是战斗在BEPCII工程第一线的科研人员的缩影，而工人师傅们的五月迎风登高架线，六月骄阳挥汗如雨，七月汗流浃背，八月“桑拿”鏖战三伏，更体现了平凡劳动者对于BEPCII的火热情怀。

5.改造的根本：自主创新，是工程顺利进行的根本因素

我们国家提出了“自主创新”的科技发展战略，这一般包括宏观和微观两个方面，即国家的自主创新和企业的自主创新。在宏观上，温家宝同志在关于制定“十一五”规划建议的说明中指出：“要把增强自主创新能力作为国家战略，致力于建设创新型国家。”自主创新作为国家的宏观发展战略，实施范围从科学、技术、工程到经济建设的各个方面，其内容也涉及到理论创新、技术创新和制度创新等各个层面。^[52]而在微观上，创新的主体是企业，企业的自主创新是指企业通过自身的努力和探索产生技术突破，攻破技术难关，并在此基础上依靠自身的能力推动创新的后续环节，完成技术的商品化，获得商业利润，达到预期目标。^[53]在BEPCII的改造过程中，自主创新也同样起到了根本性的作用。面对改造中出现的一系列复杂的新问题，BEPCII指挥部致力于制度创新和技术创新。制度创新理顺了改造中各个方面、各个部门的关系，为改造提供了制度的保证；而技术创新，则创造性地解决了一个个技术上的难题和突发事故，也为下一步的发展积累了经验。

从制度创新来看，根据社会主义市场经济的特征和现代企业制度的要求，中国科学院成立中科建筑设计研究院有限责任公司，实行公司制运行模式来操作工程项目。按照公司制的要求，分别设置董事长和总经理，也制定了详细、规范的规章制度，明确了各部门的职能权限和责任义务。在工程的建造阶段，以市场化的方式来组织招标、竞标等活动。同时，BEPCII作为系统的大型改造工程，涉及许多部门的协调与沟通，需要把改造中各个环节有机结合起来。因此，BEPCII工程建立协调会例会制度，保证工程建设中各职能部门之间的动态沟通，相互协作。这种例会每两周召开一次。^[54]同时，高能所也要求各职能部门把全力支持和配合工程建设作为首要任务，并把此项工作作为各部门年终考核的重要内容。

技术创新，是指在原有技术的基础上，人们依据一定的技术原理和需要，有计划、有目的地进行应用研究和生产发展的技术开发活动。BEPCII工程技术人员以积极的创新意识，认真研究国内外的技术发展态势，根据实际存在的问题和困难，在设计理念、工艺流程、技术装备等方面，进行了技术创新，创造性地解决了众多难题，并发明了许多新型的产品。如2004年2月，研制成功正电子源转换装置；5月，BEPCII工程二极磁铁(67B)样机试制成功。2005年5月，Q(四极磁铁)、S(六极磁铁)磁铁电源的研制，成功地解决了国内高能加速器领域中由同一台直流电压源供电的多台斩波器相互干扰问题；10月，圆满完成四台特种磁铁(Q1A、Q1B各两台)。2006年5月，BESIII超导磁体阀箱试验取得成功；6月，BEPCII低温系统1000L杜瓦阀箱改造圆满成功；等等。

BEPCII在改造过程中，把制度创新与技术创新结合起来，提升了我国工程改造的自主创新能力，为进一步的改造积累了经验。

三　二期改造的问题与建议

BEPCII目前大体已经告一段落，进入调试运行阶段。由于工程改造的复杂性和系统性，涉及方方面面，在改造过程中也暴露出一些问题。总结二期改造过程中出现的问题，分析其中的原因和教训，提出相应的建议，将有利于今后的工程改造更顺利地进行。

第一，由于资金延期、拖期而造成的工程进展不畅问题。资金到位，是工程顺利进行的物质前提。而资金管理，分配上的不规范、不透明，给工程的改造带来许多相关的问题。二期改造过程中，主要实行的是年度拨款、年度审核制度，考核有一定的滞后性，造成了经费经常出现拖期或者延期，在一定程度上加大了改造和施工的困难。因为在市场化的经济活动中，无论是订货或者定单，都需要支付一定比例的预付金，有的货物需要交完现款，企业才可以生产和加工。由于资金不能按时到位，企业就会延迟交货的时间，从而使改造活动受到很大的影响。为了使资金及时到位，可以采取先拨款后审批方式，并给予工程改造单位适度的资金处理自主权，但必须加大对资金用途的有效监督，逐步建立规范的监督体系。

第二，科学发现的不确定性与工程改造的风险性并存，会造成一些管理政策滞后。二期工程的改造，需要遵守科学发现的规律和工程改造的规律，而对于这些规律的探索却是一个持续的过程。并且BEPCII的许多设备、设施要求精度高，对外部环境的反应比较敏感，也容易造成许多工程事故，如2004年11月储存环开机后遇到罕见故障，束流不能完成一圈注入等问题。同时，这些规律的发现与遵守，以及对于相应风险的防范和事故的处理，都存在一定的滞后性问题。所以，在逐步完善管理制度、政策的基础上，需要针对性地根据外部条件的变化，及时地调整管理和政策。

第三，社会保障制度不够完善，影响了工程改造的整体进展。这是个突出的历史遗留问题，也是我国科研机构普遍存在的问题。由于BEPC的建造和管理部分处于计划经济时期，所使用的大量人才和劳动力由国家负责退休、养老等问题。实行社会主义市场经济之后，由于市场经济还不够成熟，社会保障制度也不完善和健全。BEPCII的实施中，这批老专家和技术工人都到了退休的年龄，他们的养老、医疗保障这些本该由社会保障来解决的问题，却由于社会保障制度的不完善而占了高能物理所的许多事业经费，对高能所的正常运行和管理造成极大影响。因此，只有逐步完善社会保障制度，才能为我国的科技事业和工程创新消除后顾之忧。

总之，BEPCII的改造过程，无论是工程立项、设计，还是具体的建造过程，都为大科学工程乃至一般的工程提供了经典的案例，其中有众多的经验需要我们认真总结和汲取。而工程中暴露出的问题则既包括BEPCII工程特有的问题，也包括大型工程改造中普遍存在的问题，这些问题需要相关部门以改革的精神加以分析与协调，当然也会随着我国改革的整体进程而逐步地得到解决。