知識圖譜視角下低空空域研究的前沿?zé)狳c與演進(jìn)的計量分析

李作學(xué)，張傳旺 ，荊 浩，黃 濤

(沈陽航空航天大學(xué) a.經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，b.通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究中心，沈陽 110136)

低空空域是國家空域系統(tǒng)的重要組成部分，也是通用航空活動的主要區(qū)域，深化低空空域管理改革可以促進(jìn)通用航空、繁榮我國航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2011年11月，國務(wù)院、中央軍委發(fā)布《關(guān)于深化我國低空空域管理改革的意見》，明確指出用5到10年的全面建設(shè)和深化改革，在低空空域管理領(lǐng)域建立起科學(xué)的理論體系、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系、運行管理體系和服務(wù)保障體系[1]。2014年12月,《低空空域使用管理規(guī)定(試行)》征求意見稿提出低空空域是指真高1 000米及以下區(qū)域，并開始在部分地區(qū)進(jìn)行低空空域管理改革[2]。2016年5月,國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)通用航空業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》,指出將我國低空空域管理改革由原來的1 000米真高推廣到3 000米，實現(xiàn)監(jiān)視空域和報告空域無縫銜接[3]。2018年10月,民航局在《低空飛行服務(wù)保障體系建設(shè)總體方案》中提出了兩大目標(biāo)，一是到2022年初步建成三級低空飛行服務(wù)保障體系，二是在2030年該體系要全面覆蓋低空報告、監(jiān)視空域和通用機(jī)場[4]。在此之后，中共中央及中國民航局發(fā)布一系列政策措施要求各個地區(qū)深化低空空域管理體制改革，低空空域管理逐漸成熟。但是與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國低空空域管理起步晚，存在一定的差距。

當(dāng)前，國內(nèi)外業(yè)界和學(xué)者開展了許多關(guān)于低空空域相關(guān)研究，研究成果豐富。付其喜等對無人機(jī)交通管理系統(tǒng)進(jìn)行了綜述[5]，高志宏對我國低空空域管理體制進(jìn)行了梳理[6]。然而目前從科學(xué)計量學(xué)角度對低空空域研究較少。中外哪些學(xué)者比較關(guān)注低空空域研究，哪些機(jī)構(gòu)關(guān)注該領(lǐng)域研究,中外對此領(lǐng)域的研究熱點分別是什么,都圍繞哪些問題在研究,演化歷程如何,對這些問題的回答有助于把握低空空域領(lǐng)域研究的力量、研究熱點和發(fā)展趨勢。因此本文從知識圖譜視角對低空空域進(jìn)行計量研究，利用可視化的知識圖譜軟件CiteSpace，對低空空域研究的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化計量分析，對該領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展的研究熱點及其演化趨勢進(jìn)行梳理分析，以期對低空空域理論研究實踐管理提供有益的參考和借鑒。

1 數(shù)據(jù)來源和研究工具

本文以大量數(shù)據(jù)文獻(xiàn)資料為基礎(chǔ)，這些數(shù)據(jù)資料來源于美國的Web of Science(Wos)核心合集數(shù)據(jù)庫和中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫。國外的研究數(shù)據(jù)通過在Web of Science數(shù)據(jù)庫核心文集進(jìn)行檢索，主題詞為“l(fā)ow altitude airspace”。由于檢索發(fā)現(xiàn)2001開始出現(xiàn)本領(lǐng)域研究文獻(xiàn)，為了保證研究結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，本研究以2001-2019為檢索時間，時間截止到2019年10月13日，去掉一些無關(guān)文獻(xiàn)，共得到159條文獻(xiàn)資料。由于國內(nèi)的低空空域研究文獻(xiàn)在CNKI查詢2000年僅為1條，2002年沒有文獻(xiàn)條數(shù)，因此國內(nèi)研究檢索時間限定為2003-2019，時間截止到2019年10月13日。從中國知網(wǎng)的期刊中進(jìn)行高級檢索，以“低空空域”為主題詞，期刊來源全部期刊，得到504條文獻(xiàn)，在這些文獻(xiàn)中進(jìn)行篩選，將一些與低空空域無關(guān)的文獻(xiàn)，以及一些會議通知，廣告信息等進(jìn)行去重，最終選取文獻(xiàn)489條，在此基礎(chǔ)上形成低空空域研究的可視化圖譜與圖表。

研究工具采用可視化的知識圖譜軟件CiteSpace，該軟件是由美國德雷塞爾大學(xué)華人學(xué)者陳超美開發(fā)的一款信息可視化軟件[7]。通過該軟件繪制的知識圖譜，把高度抽象的科學(xué)熱點研究和前沿實現(xiàn)了從抽象化到具體化和形象化。知識圖譜可以將科學(xué)知識以圖像的形式進(jìn)行展示，尤其是呈現(xiàn)知識結(jié)構(gòu)關(guān)系和知識演進(jìn)規(guī)律，展示科學(xué)知識發(fā)展歷程與結(jié)構(gòu)關(guān)系[7]。本文利用CiteSpace5.5，繪制國內(nèi)外低空空域領(lǐng)域研究的知識圖譜，揭示該領(lǐng)域研究基礎(chǔ)、研究熱點及演化發(fā)展趨勢。

2 低空空域研究文獻(xiàn)時空分布

2.1 時間分布

CNKI和Wos期刊中的低空空域主題研究年度分布如圖1所示。

圖1 低空空域主題研究年度分布

Wos期刊中的低空空域研究始自2001年，在近十年內(nèi)明顯增多：2001-2013年年發(fā)表量均為個位數(shù)；2014-2015年分別在11篇和13篇；2016年開始增至到26篇，2017年下降到15篇；2018年達(dá)到迄今最高點32篇。2019年由于檢索時間問題，目前檢索篇數(shù)非整年數(shù)量。

CNKI期刊中的低空空域研究也始自2001年，2002年沒有相關(guān)文獻(xiàn)；從2003年增加到6篇，2004-2008年發(fā)表量均為個位數(shù)；2009年增至到17篇，2010年劇增到42篇，以后逐年大幅度增加，2015年的58篇成為2010-2018年的峰值，說明這期間低空空域研究逐漸受到關(guān)注。與國際研究類似，2019年的檢索時間不是全年的數(shù)量，發(fā)表的篇數(shù)有些少。總體上看，國內(nèi)和國際的研究數(shù)量同步上升，國內(nèi)的關(guān)注度比國際要高。

2.2 國家(地區(qū))分析

對文獻(xiàn)來源的國家(地區(qū))進(jìn)行分析，可以了解本領(lǐng)域研究國家(地區(qū))的研究熱度和合作關(guān)系。國際低空空域研究文獻(xiàn)主要來源于美國、中國、英國、德國、日本等，其中美國與中國研究的節(jié)點最大，發(fā)文量分別為66篇和40篇。

2.3 研究機(jī)構(gòu)分析

對文獻(xiàn)來源機(jī)構(gòu)的分析，可以了解低空空域研究的主要機(jī)構(gòu)分布，有利于把握各機(jī)構(gòu)間相互合作關(guān)系。本文運用CiteSpace軟件對國際和國內(nèi)的低空空域研究的主要機(jī)構(gòu)發(fā)文數(shù)量進(jìn)行知識圖譜繪制(見圖2和圖3)。通過圖2可以看到國際低空空域領(lǐng)域研究較為活躍的研究機(jī)構(gòu)有NASA、Beihang Univ、Univ Oklahoma、Rothamsted Res、East China Normal Univ等。而NASA占據(jù)了圖中的主要位置，發(fā)文量為12篇。

圖2 國際研究機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)知識圖譜

從圖3可以看到國內(nèi)對低空空域研究的機(jī)構(gòu)較多，但相互聯(lián)系較少。發(fā)文量靠前的機(jī)構(gòu)有中國民航大學(xué)、海口經(jīng)濟(jì)學(xué)院、民航甘肅空管分局、中國民用航空飛行學(xué)院等。中國民航大學(xué)主要研究低空空域的監(jiān)管與安全的問題以及對低空空域管理制度分析等。

圖3 國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)知識圖譜

2.4 作者分析

通過對作者分析可以了解在該領(lǐng)域具有影響力的學(xué)者。CiteSpace知識圖譜軟件可以繪制出國內(nèi)外低空空域研究文獻(xiàn)的來源作者圖譜。圖譜中的節(jié)點越大則發(fā)文量越多；作者間的合作通過作者連線的粗細(xì)展現(xiàn)出來，連線較粗的表示合作比較緊密。圖4和圖5分別是國際和國內(nèi)低空空域研究文獻(xiàn)來源作者圖譜，直觀展示了作者發(fā)文數(shù)量和作者之間的合作關(guān)系。

圖4 低空空域研究國際作者圖譜

圖5 低空空域研究國內(nèi)作者圖譜

由圖4可以看出，國際低空空域研究發(fā)文量在前5位的作者分別為Kyle G Horton、Phillip M Stepanian、Chin E Lin、Marc Cavazza、Florence Ho。Kyle G Horton和Phillip M Stepanian均來自美國俄克拉何馬大學(xué)，他們的團(tuán)隊研究了低空飛行中如何識別夜間候鳥飛行區(qū)域[8]。面對低空空飛行器大量增加，來自中國臺灣臺南國立成功大學(xué)的Chin E Lin研究團(tuán)隊研究低空飛行中從屬監(jiān)視轉(zhuǎn)播(ADS-R)的沖突檢測與分辨算法[9]。來自英國格林威治大學(xué)的Marc Cavazza改進(jìn)了共享空域服務(wù)無人機(jī)的沖突檢測和解決方案[10]。日本東京國家信息研究所的學(xué)者Florence Ho提出無人機(jī)交通管理機(jī)器人軌跡的多智能體路徑搜索[11]。從合作關(guān)系上看，主要研究團(tuán)隊內(nèi)部成員之間聯(lián)系緊密，已有6個較緊密的學(xué)術(shù)研究群體。

從圖5中可以清楚地看到，來自北華航天工業(yè)學(xué)院的馮登超在圖中的結(jié)點非常突出，載文量為9篇。面對低空安全隱患問題，他介紹了面向低空安全的三維可視化空中走廊在通用航空和軍用航空中的應(yīng)用目標(biāo)及空中走廊體系結(jié)構(gòu),探討了低空空域空中走廊可視化技術(shù)發(fā)展的構(gòu)想,分析了空間實景三維可視化展示、空間虛景三維可視化展示、多源異構(gòu)參數(shù)分類可視化展示的關(guān)鍵技術(shù),梳理了近年來相關(guān)可視化數(shù)據(jù)源獲取方法、可視化展示技術(shù)、可視化建模產(chǎn)品的理論研究現(xiàn)狀及相關(guān)成果[12]。發(fā)文量排在第二位的重要作者是中國民航大學(xué)學(xué)者高揚，其主要研究了通用機(jī)場安全風(fēng)險影響因素[13]，通用航空維修安全影響因素[14]，低空開放后面對終端區(qū)航空器碰撞問題，預(yù)測通用航空器與航線運輸航空器的碰撞風(fēng)險[15]。此外，載文量靠前作者還有閆娟、孫慶雷、李波、祁娟、鄭滌濱等，主要研究團(tuán)隊內(nèi)部合作較為緊密，整體上研究力量合作較少。

3 研究主題熱點與演進(jìn)分析

3.1 研究主題熱點分析

研究主題熱點可以通過高頻關(guān)鍵詞反映出來。在CiteSpace信息可視化軟件中，將年份間隔區(qū)間(Slice)設(shè)置為2年，并設(shè)置選擇標(biāo)準(zhǔn)(Selection Criteria)中TOP N的值為50，并在裁剪選項(Pruning)中設(shè)置Pathfinder等參數(shù)，以關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的方法為主，生成國際和國內(nèi)低空空域研究關(guān)鍵詞熱點圖譜(見圖6和圖7)。

圖6 國際低空空域研究主題熱點圖譜

從圖6的國際低空空域關(guān)鍵詞圖譜上看，關(guān)鍵詞數(shù)量較少，且聯(lián)系較為分散。結(jié)合關(guān)鍵詞頻次(關(guān)鍵詞后括號內(nèi)標(biāo)出的數(shù)字)來看，主要包括以下幾類內(nèi)容：第一，關(guān)于低空空域的技術(shù)與設(shè)備相關(guān)內(nèi)容研究：例如“UTM(聯(lián)合技術(shù)手冊)”(10)、“UAV(無人機(jī))”(6)、“radar(雷達(dá))”(6)等。第二，與生態(tài)領(lǐng)域相關(guān)內(nèi)容研究：例如“aeroecology(航空生態(tài)學(xué))”(6)、“bird migration(鳥類遷徙)”(5)、“migration(遷移)”(2)等。第三，與空域管理相關(guān)內(nèi)容研究：例如“l(fā)ow-altitude airspace(低空空域)”(5)、“air traffic control(空中交通管制)”(2)、“airspace(空域)”(2)、“air traffic management(空中交通管理)”(2)等。

圖7 國內(nèi)低空空域研究主題熱點圖譜

通過對圖7關(guān)鍵詞圖譜以及關(guān)鍵詞頻次來看，關(guān)鍵詞數(shù)量較多，且聯(lián)系較為緊密。研究熱點內(nèi)容主要包括以下幾類：第一，主要關(guān)鍵詞“通用航空”(162)、“低空空域”(155)共出現(xiàn)317次，一起構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點，體現(xiàn)出低空空域?qū)νㄓ煤娇瞻l(fā)展的重要作用,也反映出目前制約我國通用航空發(fā)展的關(guān)鍵因素。第二，與低空空域管理相關(guān)內(nèi)容研究：包括“低空空域管理”(122)、“低空開放”(32)、“管制空域”(10)、“空域資源”(9)、“空域管理”(7)等關(guān)鍵詞總計為180次，這體現(xiàn)出低空空域研究領(lǐng)域?qū)Φ涂臻_放和管理的關(guān)注。通過對低空空域充分開發(fā)利用，可以更好支持通用航空產(chǎn)業(yè)鏈的完善、培育新的經(jīng)濟(jì)增長點以及促進(jìn)整個民航行業(yè)的持續(xù)發(fā)展[16]。第三，與通用航空相關(guān)內(nèi)容研究：包括如“通用航空產(chǎn)業(yè)”(68)、“航空”(35)、“通航產(chǎn)業(yè)”(16)、“航空業(yè)”(15)、“航空運動”(13)等關(guān)鍵詞。近幾年，中央有關(guān)部門相繼出臺了一系列促進(jìn)通航產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。通航產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，有利地推動了我國經(jīng)濟(jì)的增長。但這也導(dǎo)致了空域的擁擠，空中飛行安全性降低，給空域管理帶來了巨大壓力[17]。所以如何保持通用航空產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展是當(dāng)今迫切需要解決的問題。第四，與航空器有關(guān)內(nèi)容研究，包括例如“航空器”(25)、“無人機(jī)”(20)、“通用飛機(jī)”(17)、“私人飛機(jī)”(13)、“公務(wù)機(jī)”(12)、“直升飛機(jī)”(8)等關(guān)鍵詞。這體現(xiàn)出各類航空器工作需要低空空域中的條件保障，實行低空開放及其配套服務(wù)，保證航空器在低空活動和有效飛行。第五，關(guān)于地區(qū)部門的關(guān)鍵詞，包括“中華人民共和國”(19)、“民航局”(19)、“美國”(12)、“美利堅合眾國”(12)、“北美洲”(12)等。這表明我國的低空空域研究受到關(guān)注的同時，以美國為代表的北美地區(qū)的低空空域中先進(jìn)的管理經(jīng)驗引起了學(xué)者們的總結(jié)和探討。

3.2 研究主題熱點演進(jìn)圖譜

為了更好地分析低空空域研究的關(guān)鍵詞隨時間演變歷程，以追蹤低空空域研究主題的年度進(jìn)展，通過CiteSpace軟件，在關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜的基礎(chǔ)上點擊Time-Line View生成國際和國內(nèi)低空空域研究關(guān)鍵詞年度演變知識圖譜(見圖8和圖9)，以更加直觀地了解低空空域主題熱點的演進(jìn)過程。

圖8 國際低空空域研究關(guān)鍵詞演變知識圖譜

根據(jù)圖8，可以看出國際上對低空空域研究的熱點演進(jìn)關(guān)鍵詞出現(xiàn)在2013年以后。2013到2018年期間，新增的關(guān)鍵詞有“uav(無人機(jī))”、“ua(行動單位)”、“radar(雷達(dá))”、“weather(天氣)”、“bird migration(鳥類遷徙)”、“aeroecology(航空生態(tài)學(xué))”等。2016年以后出現(xiàn)了一個關(guān)鍵詞“system(系統(tǒng))”。

圖9 國內(nèi)低空空域研究關(guān)鍵詞演變知識圖譜

通過圖9國內(nèi)低空空域研究關(guān)鍵詞年度演變知識圖譜，可以看到在2007年以前，出現(xiàn)的關(guān)鍵詞有“通用航空”、“低空空域”、“低空空域管理”、“直升飛機(jī)”等節(jié)點較大的關(guān)鍵詞。而在2007到2013年，低空空域研究主題急劇增長，達(dá)到了一種井噴的狀態(tài)，出現(xiàn)了很多相關(guān)研究的關(guān)鍵詞，如關(guān)于通用航空產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵詞有“民用航空”、“產(chǎn)業(yè)鏈”、“通用航空產(chǎn)業(yè)”等；關(guān)于航空器相關(guān)的關(guān)鍵詞如“通用航空飛機(jī)”、“航空器”、“公務(wù)機(jī)”、“飛行人員”等；還包括關(guān)于航空企業(yè)的關(guān)鍵詞如“企業(yè)管理”、“航空運輸企業(yè)”、“民航業(yè)”等。從2014到2016年，伴隨著我國通用航空的發(fā)展，熱點關(guān)鍵詞演變?yōu)椤帮w行服務(wù)站”、“雷達(dá)”、“飛行安全”、“無人機(jī)”、“通航機(jī)場”等。2017年到現(xiàn)在，隨著國家對通航產(chǎn)業(yè)的大力支持，以及軍民融合國家戰(zhàn)略的提出，“飛行計劃”、“通信”、“低空安全”、“軍民融合”等關(guān)鍵詞受到業(yè)界的關(guān)注。當(dāng)前，國內(nèi)低空空域管理改革是業(yè)界討論熱點之一。面對低空空域管理改革，四川和黑龍江兩省改革試點工作效果顯著。四川省成立了全國首個低空空域協(xié)同管理運行中心，簡政放權(quán)提高了通航企業(yè)運行效率，建立了低空目視飛行模式提高低空空域利用率。黑龍江建立飛行服務(wù)站，確立了“互聯(lián)網(wǎng)+”飛行服務(wù)模式，劃設(shè)固定航線，引接黑龍江空管局二次雷達(dá)終端，規(guī)范服務(wù)站工作，保障管理體系順利運行。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用CiteSpace信息可視化軟件，從國內(nèi)和國際兩個角度，以時空分布狀況、研究熱點與演進(jìn)分析為重點，對低空空域研究進(jìn)行文獻(xiàn)整理、信息挖掘和可視化分析，梳理了近二十年來該領(lǐng)域研究前沿?zé)狳c及演進(jìn)發(fā)展印記，為我國低空空域研究提供啟發(fā)借鑒。

主要研究結(jié)論如下：(1)對低空空域研究關(guān)注度越來越高。從文獻(xiàn)數(shù)量來看，國內(nèi)外低空空域研究的熱度在持續(xù)走高；從國家上看，美國的發(fā)文數(shù)量占據(jù)領(lǐng)先地位，中國的研究呈現(xiàn)上升趨勢；從研究機(jī)構(gòu)上看，有影響力的研究機(jī)構(gòu)有NASA、Beihang Univ等；從研究力量上看，國內(nèi)外研究基本上以小團(tuán)隊為主，主要研究團(tuán)隊內(nèi)部合作較為緊密。從合作區(qū)域上來看，國際合作研究主要是以NASA為中心，國內(nèi)合作研究主要以中國民航大學(xué)為中心。隨著我國通航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，跨國低空空域合作研究有可能成為未來研究的一種趨勢。(2)從研究主題熱點關(guān)鍵詞來看，國際研究熱點在低空空域技術(shù)與生態(tài)方面，比如“UTM(聯(lián)合技術(shù)手冊)”、“radar(雷達(dá))”、“aeroecology(航空生態(tài)學(xué))”等，而國內(nèi)低空空域研究熱點在通用航空和低空空域方面，主要包括低空空域管理、通用航空產(chǎn)業(yè)、航空器、美國低空空域先進(jìn)的管理經(jīng)驗等。(3)從研究主題熱點演進(jìn)來看，國際上由具體研究轉(zhuǎn)向低空空域系統(tǒng)研究，而國內(nèi)圍繞通用航空中低空空域的管理、航空器、飛行服務(wù)站、雷達(dá)、飛行安全、通航機(jī)場等展開具體微觀研究。

通過國內(nèi)外對比研究，可以肯定未來我國低空空域領(lǐng)域研究大有可為。目前低空空域開放是制約我國通用航空發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。只有低空空域資源對社會放開，通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的空域劃設(shè)、航線規(guī)劃、機(jī)場規(guī)劃、飛行服務(wù)保障、安全保障、飛行計劃等實踐問題就能夠得到快速發(fā)展。當(dāng)前，我國低空空域理論研究可以先行，借鑒國際上聯(lián)合技術(shù)手冊、雷達(dá)、航空生態(tài)學(xué)等已有研究成果，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)通用航空“飛得起、飛得遠(yuǎn)、飛得便捷、飛得安全、飛得高效”等目標(biāo)。未來，我國低空空域領(lǐng)域研究將在低空空域協(xié)調(diào)管理機(jī)構(gòu)、擴(kuò)大并優(yōu)化低空空域運營范圍、低空空域管理綜合改革試點、營造通用航空運營環(huán)境、社會公共服務(wù)應(yīng)用場景中的低空空域管理改革新模式、飛行服務(wù)站建設(shè)、低空目視飛行航圖、無人機(jī)監(jiān)管平臺、低空空域運行實驗室等方向上展開創(chuàng)新研究。雖然目前實踐進(jìn)展總體上落后于理論研究，但是隨著國家對通航產(chǎn)業(yè)的大力支持，以及軍民融合國家戰(zhàn)略的提出，低空空域?qū)嵺`將會迎來快速發(fā)展機(jī)會，理論研究將在實踐中體現(xiàn)價值。