基于Cite Space的我國路面工程領域發展狀況分析

林 垚，張 麗，張 晗

（交通運輸部科學研究院，北京 100029）

0 引言

傳統的科技發展狀況分析研究多采用定性方法，即咨詢各領域的專家學者，基于其知識積累和對國內外研究現狀的分析研判進行歸納總結，存在主觀性過強、客觀性不足的局限。因此，國內外學者開始探索將定量方法引入科技發展分析。科學計量法是定量分析方法的代表，它通過對科研成果的定量分析，可為科技發展現狀、特點、趨勢的辨識提供相對準確、直觀的數據，能結合專家咨詢法對分析結果進行印證。

基于科學計量法的科技發展分析應用可追溯至20 世紀90 年代美國蘭德公司開展的技術預測[1]。隨著科學計量法的不斷完善，國內外學者在諸多領域開展了實證研究，包括冶金、醫藥、生物、材料、能源、航天、信息安全等，并逐步出現在國家、行業的技術預見中，如：日本自第8 次技術預見起，引入科學計量法識別快速發展的研究領域[2]；中國工程院在“中國工程科技2035 技術預見”中，對智能機器人和3D 打印領域進行了計量分析[3]，等等。目前，科學計量分析在交通運輸領域科技發展實證研究中的應用主要涉及智能交通、交通運輸設備制造等主題或領域。韓國第5 次技術預測[4]選擇了SCOPUS 數據庫中2000—2014 年主要科技期刊作為文獻計量對象，分別對交通運輸與機器人等13個領域進行了關鍵詞共詞演化分析，得出全新的技術與研究子領域或新興研究子領域。Shiue 等[5]檢索了WEB?PAT 中智能汽車相關專利數據，根據專利申請人與受讓人、國際專利分類（International Patent Classification,IPC），分別構建社交網絡和主題網絡圖譜，從中識別出智能汽車的核心代表和技術。徐莉貞[6]在研究遼寧省交通運輸設備制造業技術預見時，利用文獻計量法和文本挖掘技術，從55本中文核心期刊1999—2006年的7萬多篇相關文獻中提取相關高頻詞，梳理出技術研究熱點。楊金彪[7]選取了德溫特創新索引（Derwent In?novations Index,DII）作為數據源，統計了1987—2017 年期間智能交通專利申請量、高產機構、公開國、優先權國分布，以及專利被引量、高被引專利、高被引IPC 分類號等，梳理出全球智能交通技術在不同階段、不同主題上的發展過程。在上述研究和應用中，通過對各類知識載體的數量統計與關聯圖譜的分析，揭示出研究產出、研究主題、研究力量等分布規律，提升了科技發展分析的科學性和可靠性。然而，目前科學計量分析在交通運輸領域科技發展實證研究中的應用仍然較為有限，尚未覆蓋交通運輸全領域。

路面工程是道路工程派生出來的一個重要分支。路面質量直接影響公路的耐久性和服務功能，一直受到交通行業乃至社會大眾的廣泛關注。近年來，隨著路面養護技術、長壽命路面技術的快速發展，在路面裂縫自動化識別、加速加載試驗、新型路面結構等方面出現了許多新的研究成果，很多成果代表著當前路面工程領域新的發展方向。路面工程屬于傳統學科領域，不同于上述已實證的新興交叉方向。本文嘗試利用科學計量法和可視化工具，通過表格和可視化圖譜對路面工程領域的研究進展進行定量和可視化分析，以期為該領域科技發展現狀總結與熱點跟蹤提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文以中國科學引文數據庫（Chinese Sci?ence Citation Database,CSCD）[8]為數據源。CSCD由中國科學院文獻情報中心創建，是我國第一個引文數據庫。它收錄了我國工程技術領域出版的高水平中英文學術期刊，是國內評價學術水平的一個重要參考。

本文以“路面”為關鍵詞檢索2010—2019年CSCD 收錄的期刊，提取檢索結果中排名前200位的高頻關鍵詞。在咨詢路面工程領域專家后對檢索詞進行調整和補充，制定檢索式，主要檢索詞包括：路面、瀝青、水泥、集料、混凝土、混合料、改性劑、級配、配合比、油石比、空隙率、壓實度、平整度、車轍、裂縫、彎沉、模量、溫度場、接縫、灌縫、吸收層、加鋪層、封層、碾壓、攤鋪、離析、沉降等。本文檢索時間跨度為2010—2019年，檢索日期為2020年7月。通過主題檢索，共檢索到1 443 篇文獻。再逐一檢查，剔除與主題不相關者后，共得到有效文獻1 292篇。

1.2 研究方法

科學計量法是運用數學、統計學等方法對一定時期內發表的研究成果、科學家、研究機構等進行統計分析，發現科學技術發展狀況、特點和趨勢的一種定量分析方法[9]。本文使用的主要方法包括：

（1）總體現狀分析的計量方法。基于文獻特征統計方法來實現，具體是對題名、關鍵詞、作者、機構、年代、期刊等科技文獻實體的外部特征值進行統計，從數量指標上來完成相關內容的分析，其分析結果通過統計圖表展現[10]。

（2）科研合作網絡分析的計量方法。科研合作是科研主體（科研人員、機構等）由于工作的需要與其他科研主體相互交流、合作而形成的一種關系。基于這種關系形成的網絡即科研合作網絡。可采用中心性等指標分析科研主體在網絡中所處的地位。

（3）面向研究熱點探測的計量方法。詞頻分析法和共詞分析法是研究熱點探測中運用最為廣泛的方法。以文獻的高頻關鍵詞或主題詞為對象，利用詞頻分析完成關鍵詞或主題詞的頻次統計，將出現頻次超過一定閾值的高頻詞提取出來進行共詞分析，構建共詞網絡圖譜，以高頻詞聚類表征的主題來表示研究熱點。

1.3 研究工具

本文采用的分析工具為Excel 和Cite Space 5.6.R2[11]。Cite Space 是由美國德雷塞爾大學計算機與情報學教授陳超美開發的科技文本挖掘及可視化軟件。它能夠通過可視化的手段呈現科學知識結構、規律和分布情況[12]。其主要功能包括共被引和耦合網絡分析、科研合作網絡分析、主題和領域共現網絡分析等。Excel用于實現總體現狀分析，Cite Space用于實現科研合作網絡分析和研究熱點探測。

2 數據分析與圖譜解讀

2.1 論文產出分析

圖1 為路面工程領域2010—2019 年年度發文量及基金論文數量統計。如圖1 所示，2010—2019 年期間，該領域發文量平穩，基金論文平均占比為87.3%。基金論文占比是指國家、省部級等重要基金資助的論文占全部論文的比例，是衡量期刊論文學術質量的重要指標。按照基金級別劃分，該領域依托國家級和省部級基金項目產出的論文數量最多，分別為675篇、992篇，超出總發文量的50%。排名前15位的路面工程領域高發文基金項目如圖2所示。

圖1 路面工程領域2010—2019年年度發文量及基金論文數量統計

圖2 排名前15位的路面工程領域高發文基金項目

2.2 研究機構分析

路面工程領域涉及一級發文機構共229 個，總被引頻次排名前10 的研究機構如表1 所示。這些機構的論文篇均被引頻次大于8 次/篇，南京理工大學的篇均被引頻次最高，為16 次/篇。從表1中列舉的二級機構可以看出，路面工程領域的高被引機構集中在高校或科研院所下屬的公路學院、土木工程學院、交通學院、道路中心，以及依托上述機構建立的實驗室，部分高校的材料學院、信息工程學院、計算機科學與工程學院等也涉足了此領域研究。

科學合作是研究者為生產新的科學知識這一共同目的而在一起工作[13]。Cite Space 提供3 個層次的科學合作網絡分析，分別為國家合作（宏觀）、機構合作（中觀）和學者合作（微觀）。本文將在一篇論文中同時出現不同機構或作者的情形確定為存在合作關系，對中觀和微觀合作關系進行分析。

表1 路面工程領域排名前10位的高被引機構

圖3 為發文機構合作聚類圖譜。圖中設置時區分割為1，閾值為（1,2,25）、（4,3,20）、（4,3,20），保留前5%節點，得到節點226 個，連線213 條，Q值為0.851 9，S值為0.501 4。Q值即Modularity 值，它是網絡模塊化評價指標，其取值區間為[0,1]。Q值越大，表示聚類越好。Q＞0.3時聚類顯著。S值即Silhouette 值，它是網絡同質性評價指標。S值越接近1，表示網絡同質性越高。S＞0.5時，聚類結果為合理[5]。圖3中Q值與S值符合上述標準。

圖3 科研機構路面工程領域合作網絡圖

圖3中節點的大小代表機構發表論文的多少。節點越大，發文量越高，節點標簽亦越大。節點中不同顏色的色環代表了機構發文的不同時段。若節點被紫紅色色環環繞，說明這些機構的中心度＞0.1，為高中心度機構。Cite Space 用中介中心性來衡量節點中心度，從而發現研究機構的重要性。中心度越高，說明該機構越活躍，不僅發表文獻多，而且越能起到合作聯系的作用。節點間的連線揭示機構共現關系，其粗細反映共現強度。不同顏色的節點與連線代表具有同質性的科學共同體。

由此可得，長安大學、同濟大學、交通運輸部公路科學研究院、長沙理工大學、哈爾濱工業大學、東南大學等為高發文機構。對照圖中頂部的時間坐標，長安大學、同濟大學的發文時段為2010—2019年，交通運輸部公路科學研究院、長沙理工大學、哈爾濱工業大學、東南大學的發文稍晚于前者，集中于2011—2019年。其中，長安大學、同濟大學、交通運輸部公路科學研究院、長沙理工大學為高中心度機構。華南理工大學、中南大學的發文不多，然而在機構合作中發揮了關鍵作用。圖中顯示了8個較突出的科學共同體。每個科學共同體中有1～2 個高發文機構，以他們為中心發出合作連線，多為星狀連接。科學共同體間的合作關系有強有弱，合作對象主要為高校、科研院所及部分企業。

通過關鍵術語，表2 列舉了各科學共同體在路面工程領域的合作研究內容。關鍵術語是通過從論文標題、關鍵詞或摘要中提取名詞性術語得出，采用的方法主要有潛語義索引（Latent Se?mantic Index,LSI）算法、對數似然率（Logarith?mic Likelihood Ratio,LLR）算法及互信息（Mutu?al Information,MI）算法[12]。表2 中，“類號”即聚類結果的編號，對應于圖3 聚類得出的8 個科學共同體，關鍵術語是采用LLR 算法從關鍵詞中提取。

表2 科研機構在路面工程領域合作研究內容

2.3 研究人員分析

路面工程領域涉及830 個第一作者，總被引頻次排名前15 的作者見表3。其中，譚憶秋、李盛、郭寅川等的被引頻次和發文量排名均位于前列，說明他們在科研產出規模與影響力上皆表現突出。不同于高發文作者或高被引作者，程玲、徐威、孫曉立3人的發文量不高，而他們的論文篇被引頻次排位前三，超過34次/篇。此指標反映出這3位作者發表高水平論文的概率較其他作者更大。

表3 路面工程領域排名前10位的高被引作者

表3 （續）

將作者間的合作關系進行聚類，如圖4所示。圖中設置時區分割為1，提取每個時區中出現頻次排名前60%的作者，保留前5%節點，得到節點327 個，連線308 條，Q值為0.945 9，S值為0.656 1。如圖4所示，黃曉明、談至明、王選倉、譚憶秋、張爭奇、田波、沙愛民、陳拴發等作者的合作發文較多。其中，黃曉明、王選倉、張爭奇、譚憶秋的發文時段較廣，且在近1～2 年內仍為活躍作者。圖中顯示了7 個較突出的科學共同體。以黃曉明、田波為代表的科學共同體形成了較為豐富的作者間關聯，為網狀連接。其余共同體的作者關聯由高發文作者發出，多為星狀連接。通過梳理其中代表作者的合作關系發現，機構內部合作多于與外部機構合作。在上述提及的代表作者中，黃曉明、沙愛民與外部機構作者的合作較多，合作開放程度較其他作者稍高。

圖4 路面工程領域作者合作網絡圖

同樣應用LLR 算法，分析各作者共同體的合作研究內容，如表4所示。

表4 作者在路面工程領域合作研究內容

2.4 研究熱點分析

關鍵詞是對文獻主題的高度概括。對2010—2019 年路面工程領域關鍵詞的出現頻次由高到低進行排序，排名前30 位的高頻關鍵詞如表5 所示。關鍵詞的詞頻越高，表明該領域對其的關注度越高。高頻關鍵詞詞頻分析通常用來研究該領域的發展動向。根據表5 可知，從研究對象看，對瀝青路面的關注明顯多于水泥路面；從研究內容上看，路面工程領域的研究熱點集中于路面材料性能、結構力學理論、路面性能預測、路面病害檢測、路面養護技術等方向。

表5 路面工程領域排名前30位的高頻關鍵詞

在詞頻分析的基礎上，本文利用Cite Space對關鍵詞進行共現分析，即共詞分析。共詞分析是統計一組詞語在同一篇文獻中同時出現的次數，然后利用聚類分析生成共詞文獻簇，進而分析這些詞所代表的主題結構變化。圖5 為路面工程領域關鍵詞共現聚類網絡圖。

圖5 路面工程領域關鍵詞共現網絡圖

圖5中設置時區分割為2，閾值為（2,2,25）、（4,3,27）、（4,3,27），保留前5%節點，得到節點105 個，連線117 條，Q值為0.763 2，S值為0.530 2。從整體上看，瀝青路面、水泥路面、有限元、瀝青混合料、路用性能、半剛性基層、車轍、溫度場、數值模擬、反射裂縫等關鍵詞節點較大，出現頻次在30次以上。通過各節點的年輪顏色可以判斷，這些詞幾乎覆蓋了整個研究時段。然而，水泥路面、瀝青混合料、路用性能、溫度場等關鍵詞的中心度在0.06～0.07之間，即關鍵詞出現頻次高并不意味著中心度亦高。上述未提及的高頻關鍵詞中心度大于0.16。應變、力學響應、應力吸收層、黏彈性、裂縫長度、級配、動力響應等關鍵詞的節點較小，最小出現頻次為5 次。然而，它們的中心度較高，中介中心性大于0.2。高頻關鍵詞的利用頻次較高，為該領域重要的知識基礎；高中介中心度關鍵詞是連接高頻關鍵詞的重要術語，對該領域的研究演進作出重要貢獻。具備高頻和高中介中心性兩大特性的關鍵詞，代表著研究熱點主題。由此可得，圍繞瀝青路面、半剛性基層、車轍、反射裂縫、有限元等的研究是近10年內該領域的熱點方向。經過聚類，圖中主要顯示了9 組關鍵詞簇。采用LLR 算法，得到各聚類的主題標簽依次為：瀝青加鋪層、水泥混凝土路面、微表處、水泥穩定材料、瀝青混合料、裂縫寬度、性能試驗、半剛性瀝青路面、軸載換算。

突發性探測是從文獻標題、摘要、關鍵詞、描述詞中提取使用頻次突然增多或在短時間內突然出現的關鍵詞[14]，從而探測該領域研究興趣的變化。表6列舉了路面工程領域突現強度排名前5位的關鍵詞，突現值越高，說明在文獻中出現頻率增長越快。

表6 路面工程領域的突現關鍵詞

如表6 所示，路用性能的突現強度最高，時間跨度為2018—2019 年，即從2018 年成為研究“中心”后持續至2019 年，說明未來還可能受到持續的關注。類似的關鍵詞還有裂縫檢測、加速加載試驗等。

3 發展現狀討論

3.1 機構分布及合作方向

路面工程領域的高發文機構主要包括長安大學、同濟大學、交通運輸部公路科學研究院、長沙理工大學、哈爾濱工業大學、東南大學等，其二級機構集中在道路或土木工程學科方向。由表1可以看出，這些機構的文章被引頻次亦較高，在科研產出影響力上表現出較大優勢。由圖3可知，這些機構同時為高中介中心性機構，在學術共同體中發揮重要媒介作用，并在10年內保持著較高的活躍度。如表2 所示，代表性機構的學術合作方向涵蓋了理論分析、應用技術、材料特性等方面，具體研究方向如下：0#為水泥混凝土路面方向，例如傳荷能力、板底脫空處理等；1#為水泥路面、透水性瀝青路面、路面集料等方向，例如滑模攤鋪工藝、機制砂等；2#為瀝青混合料方向，例如瀝青浸漬法的理論密度、排水性瀝青混合料等；3#為路面車轍預估、路面平整度、混合料的疲勞性能等多個方向；#4 偏重于實際應用，例如級配碎石性能、路面車轍的控制標準、路面抗滑性能衰減等；5#集中在理論分析層面，例如行車速度對路面性能的影響、移動荷載作用下的力學響應等；6#為路面養護方向，例如微表處、預防性養護措施等；7#的合作領域較多，包含了路面結構層的層間聯結、車轍性能預估、結構的力學響應分析等內容。

3.2 學者分布及合作方向

路面工程領域的高發文或高被引作者如表3、圖4 所示，他們的所屬單位與上述代表性機構范圍基本吻合。由于路面工程與其他學科相關，隨著信息技術的發展，很多其他機構學者加入到該領域研究中，并發表了高水平論文。如在第一作者中，21%的學者的二級機構隸屬材料科學與工程、環境科學與工程、電子信息工程等學科方向；在高被引作者中，程玲、徐威發表了有關瀝青節能攤鋪、路面裂縫檢測的研究成果，他們的專業分別為機械工程、計算機科學與工程。盡管如此，道路工程、土木工程等傳統方向的資深學者仍為學術合作的核心。根據表4 所示，以黃曉明、王選倉、沙愛民、張爭奇、田波、談至明、譚憶秋為中心的學術共同體的合作研究方向分別是：0#連續配筋水泥路面、瀝青混合料性能方向；1#復合式路面、舊水泥路面改造方向；2#路面性能檢測方向；3#路面的表面特性方向；4#水泥路面應用技術方向；5#水泥路面的力學模型方向；6#瀝青路面結構力學分析與功能性材料方向。

3.3 熱點主題方向

根據圖5所示聚類結果，結合文獻分析可得，路面工程領域的熱點主題包括：

0#反射裂縫防治技術研究方向，主要包括級配碎石、應力吸收層等反射裂縫防治技術措施，舊水泥路面改造的抗裂技術，以及加鋪層材料的抗剪性能、疲勞壽命研究等；

1#水泥路面方向，主要包括水泥路面的力學分析方法，如車路耦合動力學研究方法，模量、應變等力學響應研究，以及重載、溫度梯度等邊界條件對路用性能的影響分析等；

2#路面養護技術方向，主要包括預防性養護、微表處、就地熱再生等養護技術研究，以及基于加速加載試驗的瀝青路面與典型養護措施的長期性能研究等；

3#水泥穩定材料性能研究方向，主要包括水泥混凝土配合比設計，溫度應力對材料性能的影響研究，以及路面的抗滑性能研究等；

4#瀝青混合料性能研究方向，主要包括瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩定性研究，以及材料性能的理論分析方法研究，如斷裂力學、模擬試驗等；

5#路面結構研究方向，特別是水泥路面的有限元分析，主要包括連續配筋混凝土路面的力學分析，路面的裂縫間距、長度計算，以及路面結構的動力響應研究等；

6#瀝青混合料性能試驗研究方向，主要包括混合料的抗裂性能、彎拉強度試驗研究，基于超聲波的性能檢測方法，以及瀝青混合料的力學參數研究等；

7#瀝青路面路用性能研究方向，主要包括半剛性基層、柔性基層瀝青路面的性能分析，溫度場對路面性能的影響分析，路面車轍的產生機理與防治技術研究，以及瀝青路面性能的預估模型研究等；

8#路面結構力學設計方法研究方向，主要包括復合式路面的力學響應分析，基于疲勞等效的瀝青路面軸載換算方法，以及路面的永久變形、抗剪強度研究等。

另外，分析結果也顯示出路面裂縫檢測的研究方向，該方向與其他聚類交叉較少，主要包含裂縫的圖像處理、裂縫識別等技術。

3.4 突現詞分布

如表6 所示，從內容上看，突現詞主要分布在路面病害、路用性能等方向。路面病害方向的關鍵詞包含路面裂縫、裂縫檢測等。隨著我國高速公路養護任務的日益繁重，路面病害特別是裂縫類病害的檢測與防治在2014年后受到了更多關注。路用性能方向的關鍵詞包括路用性能、加速加載試驗等。這一方向的突現詞是由于長壽命路面、永久性路面理念在國內逐步得到推廣，對瀝青路面長期性能的試驗研究明顯增多引起的，從2018 年起出現激增。從上述突現詞的時間跨度看，這兩個方向可能在今后一段時間內持續成為研究熱點。

3.5 討論

綜上所述，2010—2019 年，我國路面工程領域產出了一批依托各類基金項目的較高質量的科研成果，形成了以高校和科研院所為中心的研究力量，包括代表性的個體和具有相似研究方向的科學共同體。然而，科學共同體的開放程度有限，鮮見多元合作和國內外合作。從研究力量的學科方向來看，包含交通及相關學科方向，其中相關學科方向占據了一定比例。從研究合作方向、熱點主題以及突現詞來看，隨著我國高速公路從大規模建設時期向養護運營時期轉變，以及對環保性、耐久性、功能性方面要求的日益提升，路面工程的發展呈現出以下特點：一是對我國高等級公路典型路面裂縫的研究深入，從裂縫發生機理到防治技術，再到裂縫檢測與自動識別，形成了一系列技術成果；二是對路面結構、材料耐久性的關注越來越多，特別是利用加速加載等先進的試驗方法，對不同類型的路面結構、組合方式、材料性能、力學響應等進行了深入研究；三是在路面養護技術、功能性材料等方向取得了很多突破，例如各種養護技術的長期效果，以及降噪、排水、連續配筋式路面和材料的理論分析與應用技術等。

4 結語

本文應用科學計量法和Cite Space 分析工具，較為清晰地展現了路面工程領域的論文產出、發文機構、發文作者、主要研究內容等發展現狀。從圖表所展示的結果參數來看，可視化圖譜具有較好的可靠性。將圖表結果與相關文獻進行對比后發現，圖表能有效揭示路面工程的研究現狀，且結論總體可靠。這一分析結果可作為定性分析的參考與補充。

然而，本文僅選取了CSCD 收錄的中文期刊進行了實證研究，對其他期刊數據源，以及會議論文、專利等其他類型數據源未作采集，因而分析結果在全面性和時效性上存在局限。此外，本文主要展示了路面工程領域的發展現狀，對其發展演化過程和研究前沿未作揭示。除Cite Space外，科學計量分析工具還有多種。有分析認為，VOSviewer 在英文文獻應用中的準確度高于Cite Space。因此，下一步研究將針對國內外多元數據源，研究引文分析等前沿探測方法，并對比不同計量分析工具進行實證，結合本文的研究成果，提煉形成較為完善的交通運輸科技發展態勢計量分析方法體系。