基于CiteSpace認識圖譜分析粉煤灰利用研究特征

楊敬杰，印紅梅，高 鑫，羅 冰

(1.西南科技大學城市學院，四川 綿陽 621010；2.綿陽市環境監測中心站，四川 綿陽 621010；3.西南科技大學固體廢物處理與資源化省部共建教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010)

1 引 言

我國對粉煤灰利用的相關技術進行了大量的研究報道，尤其近幾年來，針對粉煤灰利用綜述發表了大量的相關文獻，為國內外學者了解和指導開展粉煤灰的有效利用研究起到了重要的作用，但是面對海量的文獻和數據，在當前大數據的時代背景下僅以“粉煤灰”為關鍵詞，2010～2018年之間中國知網(CNKI)收錄的文獻量就高達13 674篇。傳統文獻綜述方法存在文獻利用率低，信息掌握不全等局限性。另外，傳統的對與學術個體靜態的關注，已不能適應科技高速發展的需求[1]。

CiteSpace是一種基于共引分析理論(Co-citation)和尋徑網絡算法(PathFinder)對特定領域文獻集合進行計量的軟件，以相關知識領域為對象，以探尋出相關科學領域演化的關鍵路徑和知識拐點為目的，通過網絡基礎分析、科學計量學分析將數據信息可視化，繼而梳理關鍵重要文獻，量化文獻之間的相關特征。主要包括合作網絡分析(作者、國家、機構合作)、共現網絡分析(特征詞、關鍵詞、學科類別)和共被引分析(文獻、作者、期刊共被引)等功能模塊[2]。CiteSpace分析過程是知識可視化的圖形建立的過程，又是序列化的知識譜系建立的過程，顯示了知識單元(相關領域)或知識群之間網絡、結構、互動、交叉、演化或衍生等諸多復雜的關系[3]。畢鼎淇等[4]檢索1998-2017年Web of Science數據庫中螺類腸道菌群研究領域相關論文，通過CiteSpace軟件進行分析，分析結果表明：腸道菌群多樣性及腸道菌群的功能和應用研究是當前螺類腸道菌群研究的熱點問題，發文較多的研究機構包括慶熙大學、奧斯瓦爾多·克魯斯基金會和牛津大學。戴競等[5]以Web of science數據庫和CNKI數據庫為數據源，使用可視化軟件CiteSpace生成了文獻共被引以及關鍵詞共現圖譜，該領域的研究前沿為應曲面法以及超聲化學法對還原石墨烯、g-C3N4納米片、異質結光催化劑的制備、有機染料降解、超聲化學法對多元素共摻雜光催化劑。尋找到了該領域研究的奠定性和高引用率文獻。梁永霞等[6]以24種航空航天工程專業期刊的科學文獻索引為原始數據庫，利用CiteSpaceⅡ繪制了航空航天工程領域前沿的知識圖譜，認為圖譜中衍生出的5個知識群—航行器飛行軌道最優化、追蹤與估計、姿態描述、壓電材料技術、氣動彈性是當代航空航天工程的研究前沿。

本文借助CiteSpaceV.5.1.R2對2010～2018年中國粉煤灰利用領域核心文獻進行計量并進行可視化分析來解釋該領域研究主題方向。并通過高引用文獻的解讀與分析研究內容演變特征，并預測研究趨勢，旨在分析粉煤灰利用領域的主要研究力量、研究基礎、研究熱點、前沿以及動態變化。

2 材料與方法

2.1 數據來源

文獻計量分析數據來自中國知網核心數據庫，通過主題詞“粉煤灰”進行檢索，時間跨度為2010～2018年，只針對SCI來源期刊、EI來源期刊、核心期刊、CSSCI期刊以及CSCD核心期刊所包含的學術論文，檢索結果共同篩選出相關文獻3632篇，作為分析的數據基礎。

2.2 研究方法

信息可視化是指利用計算機實現對抽象數據的交互式可視來增強人們對這些抽象信息的認知[7]。將初期研究的奠基性作用文獻轉換為相關數據后導入CiteSpaceV，將時間段(Time Slicing)設為2010～2018年，跨度(Year Per Slice)為1年；數據抽取對象為TopN10.0%；每個時間段抽取的節點數最大值設為50；裁剪方式選為Pathfinder(尋徑網絡)；節點類型(Node Types)依次選擇“Keyword”“Author”“Institution”；分別生成關鍵詞、作者和機構共現圖譜，并進行基本特征、合作特征、關鍵詞共現等知識圖譜分析。

3 結果分析

3.1 發文數量時間特征

由粉煤灰研究文獻時間分布圖(圖1)可以看出，在2000～2018年間，論文的發表數量基本上呈逐年上升的趨勢，增長趨勢在2000～2008年較為平緩，但是在2008～2016年間出現了一定程度上的波動，歷年論文發表數量的增長表明粉煤灰領域越來越多的得到科研工作者的關注，根據發文量年度趨勢可以預測2018年發文量應穩定在450篇左右。

圖1 2000～2018年粉煤灰研究文獻時間分布Fig.1 The time distribution of coal fly ash research literature from 2000 to 2018

3.2 關鍵詞共現圖譜以及熱點分析

關鍵詞代表了文章的主要研究內容，對關鍵詞共現分析有利于識別研究主題以及其演變規律，將節點類型選為關鍵詞，裁剪方式設為尋經裁剪(PathFinder)從圖2可以看出，網絡節點數量N為227，連線數量E為996，網絡密度Density為0.0388。其中具有紫色外圈的點為轉折點，該類節點具有高的中介中心性，中介中心性是測度節點在網絡中重要性或影響力的指標，用以發現和衡量文獻的重要性，并以紫色圈對節點進行標注，其大小反應了關鍵詞出現的頻次，節點的中心性與其影響力成正比[8]。圖2中關鍵詞布局特征表明，粉煤灰領域研究主題廣泛，相同主題內研究角度呈現多元化特征。出現頻次最大的關鍵詞是“抗壓強度”，其他依次為“混凝土”“力學性能”“正交實驗”“吸附”“耐久性”“強度”“礦物摻合料”“水泥”“微觀結構”“礦渣”“氧化鋁”“高性能混凝土”“性能”“重金屬”“地質聚合物”等，可以明顯看出利用粉煤灰作為混凝土填料出現頻次較高并且聚類內相似性最強，是最重要的一個研究專題。另外，此研究所涉及的其他領域也很多，例如土壤改良劑、合成莫來石、燒結泡沫陶瓷等，只是這些領域所占比重較小。這些領域之間相互聯系，形成了巨大的領域共線網絡認識圖譜。關鍵詞印證了本領域的主要研究方向為大摻量粉煤灰水泥性能研究、粉煤灰回填技術、高性能混凝土、有價金屬提取以及粉煤灰吸附研究。

圖2 關鍵詞共現圖譜特征Fig.2 Keywords Co-occurring spectral feature

3.3 作者以及研究機構分布

為了發現粉煤灰利用技術領域的中堅力量，可以通過探尋該領域核心作者群體的方法，該方法通常依據發表相關論文的第一作者分布情況。依據普萊斯定律[9]，核心作者是指發文量在N篇以上的作者，N的計算依照公式(1)，其中指發文量最高的作者發文數，本研究中最高發文量為18篇，經過計算N=3.088，故發文量高于4篇的應為該領域的核心作者。由粉煤灰研究領域作者研究圖譜(圖3)可知多數研究學者合作關系主要為團隊內部之間，研究者人物之間散落和連接較少的節點，說明作者之間合作較少，但是，其中王棟民、閻培渝、馬保國為核心作者的研究團隊合作較為緊密，其余團隊間亦有不同程度的合作。分析造成此現象的原因主要還是受到地域、學緣關系的影響。

表1列出了目前我國粉煤灰研究領域的重要研究者，以第一作者發表的學術論文數量10篇以上代表了粉煤灰研究者的中堅力量，以第一作者發文量最多的為王棟民，通過表中可以直觀了解發文量前15的作者及作為第一作者發文量的情況。

圖3 2010～2018年粉煤灰研究領域作者研究圖譜Fig.3 Author study graph of fly ash research field from 2010 to 2018

表1 發文作者及機構Tab.1 The 20 authors and their institutes in coal fly ash research

對與機構共現分析，在軟件界面中將時間跨度設置為2010-2018年；時間切片設定為1年；節點類型選擇“Institution”；選擇標準選擇“Top N=50”；運行調試后得到機構共現網絡如圖4所示。由圖中可以看出，節點數N=1058，連線數E=181，網絡密度Denity=0.0053，節點代表研究機構，節點大小與機構發文量成正比關系，節點之間的連線表示機構之間的合作關系，節點整體分布形式呈現“中心集中、四周分散”狀態，以核心作者為中心形成了大小不同的連線緊密區域，說明該領域有多個研究團隊，分析作者研究機構可以得出：學術上研究粉煤灰資源化利用的研究機構較多，高校和科研院所是粉煤灰利用研究的主要力量，高校在發表量上占有絕對的優勢，但聯系比較稀少，說明各研究機構在研究方向上比較分散，合作和學術交流緊密程度不高，但是，在局部領域也形成若干個以一個科研機構為核心的研究基體。發文數量排在前5位的有：重慶大學、南京工業大學、寧夏大學、東南大學和同濟大學，其余排在前列的科研機構列入表2中。

圖4 2010-2018年粉煤灰研究領域機構合作圖譜Fig.4 The visualization diagram of agency cooperation in coal fly ash research from 2010 to 2018

表2 主要發文機構排名Tab.2 Top 10 institutes in coal fly ash research

將2010～2018年共被引頻次數排名前10的經典文獻進行歸納并列入表3，指出各專家學者在粉煤灰利用領域的研究方向。黃艷利[10]研究了地面矸石、粉煤灰、黃土等固廢作為填充材料的綜合機械化固體填充技術，分析了不同矸石混合粉煤灰充填體壓實率對等價采高的影響規律，研究方法包括數值模擬、工程實踐，該研究為綜合機械化固體充填采煤技術的有效實施提供技術參考。徐俊明等[11]比較分析了矸石-粉煤灰充填材料壓實過程中的變形特征，研究了基本變形規律，并得到出充填體的最佳配比為1∶0.3時充填綜采工作面巖層移動控制效果良好。阿茹罕等[12]研究了同強度等級條件下，養護不同時間、含有不同比例粉煤灰混凝土的碳化特性，結果表明：在自然碳化或加速碳化條件下，只要保證粉煤灰摻量在40%以下，不同粉煤灰摻量的混凝土抗碳化性能基本相同。王蕭蕭[13]以內蒙古東部區富含天然浮石為粗骨料，通過輕骨料混凝土中摻入不同配比的粉煤灰，在不同養護時間下進行強度對比，在凍融循環作用下，考察了最優配比條件下輕骨料混凝土的耐久性和抗凍性能。李響等[14]人研究了水泥-粉煤灰復合凝膠材料的水化程度，通過不同摻量粉煤灰反應程度和化學結合水量的測定得出結論：粉煤灰摻量越大，粉煤灰自身的反應程度越低，水泥水化程度越高。而高溫養護的熱激發效應加速了早領期體系水泥總水化反應和粉煤灰火山灰反應進程。林瑋等[15]利用宏觀和微觀性能相結合的方法研究了粉煤灰磷酸鎂水泥中粉煤灰的活性效應、微集料效應和形貌效應，研究結果表明：粉煤灰中的氧化鎂是激發粉煤灰活性的關鍵，另外其他活性產物包含鉀、鎂、鋁、硅和磷元素的復雜無定型化合物；粉煤灰的活性和圓球形的物理填充改變了磷酸鎂水泥漿體的流動性，摻量在40%時其抗壓強度達到最大，摻入粉煤灰后，溶液中大量的磷酸根離子被吸附于粉煤灰表面，使其釋放過程得到一定的緩沖，造成了凝結延緩。蔣麗等[16]研究了粉煤灰陶粒對廢水中鹽酸鹽的去除情況，結果表明：較高的磷酸鹽初始濃度可以加快磷酸鹽的吸附．且當 pH 為6時，吸附效果最佳。粉煤灰陶粒對磷酸鹽的吸附符合 Langmuir等溫模型。粉煤灰陶粒的吸附飽和量隨著溫度的升高逐漸減小，15℃最大飽和吸附量為0.7903 mg/g。汪瀟[17]研究了在較長齡期下，粉煤灰摻量為50%和60%的混凝土的力學性能、抗碳化性能和收縮性能。結果表明大摻量粉煤灰混凝土經過適當的激發劑作用和較長的養護時間后，強度發展和基準混凝土強度相當；長期養護可以強化其碳化性能提高并改善混凝土的收縮性能。王沖等[18]利用微量熱儀法測量了不同摻量粉煤灰和礦渣對水泥水化熱和放熱速率的影響規律，研究表明：粉煤灰或礦渣的摻入，顯著降低了水泥水化熱，與礦渣相比，粉煤灰對水泥水化熱降低作用明顯比礦渣作用強，其玻璃體網絡形成體結構穩定性是其活性較低性的主要原因。王宇等[19]利用改良水熱法研制合成了低成本的P型沸石，并對其進行了稀土鑭改性處理，通過實驗研究了改性鑭離子濃度、投加量、pH值對同步去除氨氮和磷的影響，結果表明：適當的反應條件下，氨氮與磷的去除率分別為90%，95%以上，稀土元素改性吸附劑由于其表面離子配位不飽和，容易和陽離子和陰離子生成表面配位絡合物，所以可以吸附水中的陰陽離子。氨氮與磷的最大吸附量分別為3.94,1.65mg/g。

表3 高共被引經典文獻統計Tab.3 Statistics of high cited literatures

4 結 論

本文以2010～2018年中國知網來源期刊上發表的3 632篇粉煤灰相關論文為樣本，利用文獻計量分析方法，對該領域進行了聚類分析、關鍵詞共現分析以作者與研究機構共現分析。研究發現：2010～2018年，粉煤灰研究技術的增加速度較快，形成了規模較大的核心刊物群，該刊物群包括《采礦與安全工程學報》EI、《硅酸鹽學報》EI、《硅酸鹽通報》核心期刊、《建筑材料學報》EI、《環境科學學報》核心期刊、《混凝土》核心期刊、《材料導報》EI等；核心作者群體和機構結構較為松散，但是，在局部領域也形成若干個以一個科研機構為核心的研究基體，其中高校占據粉煤灰研究領域的優勢地位，科研單位和企業居于次席；從關鍵詞中介中心性的角度分析可知：大摻量粉煤灰混凝土的性能及機理研究、改性粉煤灰復合材料的吸附動力研究、粉煤灰基地質聚合物填充材料性能及機理研究、粉煤灰中有價組分的提取為研究的主要熱點和文獻量的爆發點。

本文首次將CiteSpace軟件應用于粉煤灰利用領域，旨在通過認識圖譜的可視化分析幫助研究者了解該領域的研究熱點和發展趨勢，但是，本文納入分析的文獻來源僅限于中國知網數據庫，不能保證數據的全面性，可能對結果的準確性造成一定的影響。