基于知識圖譜的海上浮式風機領域可視化分析

王康， 譚繼可， 周緒紅， 王宇航

(1.重慶大學 土木工程學院， 重慶 400045； 2.重慶大學 鋼結構工程研究中心， 重慶 400045)

面對日益嚴峻的環境與能源問題，發展可靠的清潔能源成為各個國家綠色發展計劃中不可或缺的一環。風能作為清潔的可再生能源，得到了世界各國研究人員的廣泛關注，海洋風能開發更是因其得天獨厚的環境優勢成為未來風能行業發展的重點領域。

浮式風機(floating offshore wind turbine，FOWT)是海上風力發電機組的一種結構形式。相較于陸上風機或者海上固定式基礎風機，浮式風機具有更廣闊的應用前景[1]。

早在1972年美國麻省理工大學的Heronemus教授[2]就提出了浮式風機的概念。此后的10年間，研究人員進行了大量關于海上風機的初步分析以及成本分析，但由于技術限制，直至20世紀八九十年代，人們也很少關注及應用海上風能[3]。直到20世紀90年代中期，商業風能行業建立起來以后，浮式風機概念才再次被科研人員所關注[4]。

浮式風機作為一個新興的領域，覆蓋空氣動力學、流體力學、結構動力學、錨泊動力學以及控制工程等眾多學科[5]，現已成為國內外學者關注的熱點。作為一個新興的研究方向，科研人員如何在眾多的主題、內容和方法中充分了解浮式風機領域的研究熱點和演進趨勢成為學界較為關心的問題。本文基于文獻計量學理論，運用CiteSpace信息可視化軟件，分別對1999—2019年WoS數據庫以及知網數據庫浮式風機領域文獻進行整理和分析，探析國內外浮式風機領域研究熱點、演進趨勢，為浮式風機領域后續發展提供研究方向與思路。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

CiteSpace軟件是由美國德雷塞爾大學陳超美教授開發的一款信息可視化軟件[6-7]，通過共引分析理論和尋徑算法等，對用戶指定領域的文獻(集合)進行分析，軟件集文獻計量學、統計學、信息科學等學科于一身，通過可視化圖譜對學科研究熱點、學科演化、發展進程等進行分析與探討[8]。

本文通過定量與定性分析相結合的研究方法，對浮式風機領域高頻關鍵詞、頻次、引文關系、科研團隊等進行統計分析，繪制出研究熱點圖、演進趨勢圖以及國際期刊源圖，討論浮式風機領域研究熱點與演進趨勢。

1.2 數據來源

本文數據來源分別為Web of Science(WoS)核心數據庫與中國知網(CNKI)核心數據庫，檢索時間為2020年5月5日。檢索方式采用主題檢索，檢索時間范圍為1999—2019年。同時由于國內外學科分類差異問題，在保障所選文獻貼近本文目標領域的情況下，選取貼近該領域的相關學科進行文獻篩選。并且在選取文獻時，通過文獻題目和摘要，篩除部分無效文獻，包括征稿通知、期刊聲明、會議新聞以及部分不相關文獻等。最終選取了WoS核心庫的664篇相關文獻以及CNKI核心庫的174篇相關文獻，數據來源表見表 1。

表1 數據來源Table 1 Data source

2 研究熱點分析

CiteSpace軟件中選取“Keyword”模塊進行關鍵詞共現分析。關鍵詞共現圖通過文獻關鍵詞共現關系(即同一篇文獻中關鍵詞同時出現的相關關系)以及出現頻率，能夠直觀地反映浮式風機領域重要的研究熱點。

知識圖譜中每一個節點代表一個關鍵詞，節點的大小代表關鍵詞出現的頻次，節點間的連線表示關鍵詞共現關系，連線的粗細代表了共現關系的強度，連線的顏色代表共現關系的時間。

2.1 國內浮式風機領域研究熱點

根據CNKI數據庫來源繪制出國內浮式風機領域研究熱點知識圖譜，即關鍵詞共現圖，如圖 1所示。圖中共有220個節點以及404段連線。篩除部分中文詞義相同以及相近的關鍵詞，篩除中心度為0的關鍵詞，按照關鍵詞出現頻次以及中心度高低，得到國內浮式風機領域排名前15的關鍵詞，見表2。

圖1 國內浮式風機領域研究熱點知識圖譜Fig.1 Mapping knowledge domains of domestic research focuses in FOWT

表2 國內浮式風機領域研究熱點高頻詞Table 2 High-frequency words of domestic research focuses in FOWT

結合國內研究熱點知識圖譜以及高頻關鍵詞表可以看出：部分關鍵詞出現的頻率較高，例如浮式風機、動態響應、Spar平臺等，同時這幾個關鍵詞節點相較于其他節點要大得多，頻次更高。說明了國內浮式風機研究熱點比較廣泛，但除了節點較大的幾個方向，其余節點并沒有形成大規模研究趨勢。

概括國內浮式風機領域的研究熱點主要有以下幾點：

1)浮式風機的概念：研究早期，通常會對該領域進行概念研究，圖中包括這樣幾個關鍵詞“浮式風機”、“浮式風力機”、“漂浮式風力機”、“海上浮式風力機”、“海上漂浮式風力機”等。這種詞義相同的關鍵詞多次出現對應于國內浮式風機研究領域各個時期不同的表述方式。熱點圖中連線的顏色代表了該關鍵詞共現的時間節點，通過顏色的區分能掌握浮式風機領域中心關鍵詞的表述變化趨勢。可以看到“海上漂浮式風力機”、“海上浮式風力機”等是2010—2013年左右早期國內浮式風機領域中的名稱，“漂浮式風力機”、“浮式風機”是2010—2017年左右常用的名稱，而“浮式風機”從2012年起一直沿用至今。

2)浮式風機的類型：隨著浮式風機基礎理論的引入與研究，浮式風機在結構形式上衍生出了許多可供研究的方向，主要包括Spar平臺、半潛式平臺、張力腿平臺等。因此在未來一段時間里，浮式風機結構形式分析還將作為研究的一大熱點[9]。

3)浮式風機的研究方法與內容：①從高頻詞中可以看出，“數值仿真”和“模型試驗”是國內浮式風機領域研究的主要手段；②圖中可以看出國內研究者較常用的一些數值模擬平臺：FAST、AQWA、SESAM、Open FOAM等；③“動力響應”、“水動力”、“氣動載荷”等主題是國內研究者較為關注的研究熱點?；谶@些方向的發展，“勢流理論”、“動量葉素理論”等理論也是國內浮式風機領域較為關注的理論研究方向。

2.2 國外浮式風機領域研究熱點

對國外浮式風機領域數據源進行研究熱點分析，繪制出國外浮式風機領域研究熱點圖譜,如圖2所示。

圖2 國際浮式風機領域研究熱點知識圖譜Fig.2 Mapping knowledge domains of international knowledge base in FOWT

從圖2中可以看出，以“floating wind turbine”為中心的其他關鍵詞節點包括“dynamic response”、“simulation”、“wave”等。可以發現，國內外研究熱點大致相同，同樣包括浮式風機的概念、浮式風機的類型以及浮式風機的研究內容3個方面。

表3 國際浮式風機領域研究熱點高頻詞Table 3 High-frequency words of international research focuses in FOWT

對比國內外浮式風機領域關鍵詞共現圖及高頻詞表，國內外浮式風機領域研究熱點有以下異同點：1)主要研究熱點都是“動力響應”、“數值模擬”以及 “模型試驗”；2)幾種常用浮式風機結構形式都是國內外的研究熱點，包括“張力腿平臺”、“Spar”等。因此在進行浮式風機領域研究時，結構形式依然作為研究內容的基本載體，并且在此基礎上衍生出的多個子課題，包括“垂蕩板”、“系泊系統”等也將作為研究的熱點；3)浮式風機在使用周期壽命中，主要受到兩方面荷載的作用，一個是“水動力”，一個是“氣動力”。國內外研究熱點都集中于這2點，以及多荷載耦合動力分析；4)整體來說，國內的研究重點偏向于單個結構方向，但是從關鍵詞“optimization”、“performance”、“renewable energy”、“farm”等可以看出國際上研究熱點會更加偏向產業化。

3 演進趨勢分析

3.1 國內浮式風機領域演進趨勢

CiteSpace中“Time-Zoom”模塊能夠對關鍵詞共現圖進行時序分析，關鍵詞時序圖展示了浮式風機領域的演進趨勢，能夠直觀地感受學科發展的歷程，對把握行業發展有重要作用。

根據檢索出來的文獻關鍵詞數據，繪制出國內浮式風機領域關鍵詞突現時序圖, 如圖 3所示?？傮w來看，國內浮式風機領域的發展進程是階梯上升的，從概念的提出到結構形式的發展再到理論研究，可以劃分為基礎理論、結構形式、理論深入3個階段。

圖3 國內浮式風機領域研究熱點時序圖Fig.3 Sequence diagram of domestic emerged terms in FOWT

第1階段：2010—2012年。2010年國內首次提出浮式風機的概念。受到國外發展趨勢的影響，彼時浮式風機按照一般結構的研究路徑進行定性分析，開始階段主要是從結構特性、結構特征運動、研究方法3個方面入手。這一階段主要是將浮式風機的概念引進國內，開啟國內浮式風機領域研究序幕。

與此同時，2010年，為推動我國新能源產業建設與發展，國家發布了許多行業指導政策，包括《2010 年能源工作總體要求和任務》、《海上風電開發建設管理暫行辦法》、《風電設備制造行業準入標準》以及《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》等，這些政策的發布促進了國內浮式風機領域的研究。

2010—2012年這一階段，浮式風機主要圍繞基本理論進行研究，包括“氣動性能”、“模型試驗”、“系泊系統”等。這一階段主要運用其他學科現有理論，如“船舶工程”、“風工程”等學科的基礎理論對浮式風機進行研究。例如，張亮等[10]從多個角度對比了國內外不同結構形式的浮式風機在模型試驗方面的異同點，給出了適合于我國浮式風機試驗研究的技術路線。葉小嶸等[11]利用動量葉素理論與動態失速修正對浮式平臺與風輪葉片進行氣動響應研究。

第2階段：2013—2016年。這一階段浮式風機主要圍繞結構形式進行研究，包括“Spar”、“張力腿平臺”、“半潛型浮式基礎”。理論研究主要圍繞這幾種結構形式的穩定性進行研究，例如“動態響應”、“參數分析”、“數值模擬”、“水動力”等。此階段研究重點集中于浮式風機的結構形式上。

2014年國家能源局發布《國家能源局關于印發全國海上風電開發建設方案(2014—2016)的通知》。通知中指出列入全國海上風電開發建設方案(2014—2016)項目共44個，總容量1 053萬千瓦。同時，通知中指出“為健全海上風電技術標準和規程規范，指導海上風電開發建設，委托能源行業風電標委會風電規劃設計分標委牽頭，研究制定《海上風電場工程風電機組基礎設計規范》、《海上風電場交流海底電纜選型敷設技術導則》、《海上升壓站變電站設計技術導則》、《海上風電場工程施工安裝技術規程》和《海上風電場防腐蝕技術規范》等技術標準和規程規范?！边@一時期為規范海上風電行業，在由小規模試驗場到爆發式增長前，亟需制定一系列國家規范。

因此國內有許多學者對結構形式進行了多維度的研究。例如，唐友剛等[12-14]針對5 MW海上半潛式浮式風機進行模型實驗研究，分別對半潛式浮式基礎整體強度、水動力性能以及極端海況下運動特性進行了系統分析。衛濤等[15]對張力腿浮式風機進行數值模擬，研究了張力腿浮式風機整體模態，得到該結構動態特性。張亮等[16]采用頻域分析的方法研究Spar式風力機在不同參數影響下的水動力性能。國內學者對于浮式風機幾種基礎形式的研究進一步推動了我國浮式風機領域的發展。

第3階段：2017年—2019年。2016年，國家發改委、國家工信部、國家能源局聯合印發了關于《中國制造——2025能源裝備實施方案》的通知，目的是為推動我國浮式風機領域規范化、精細化、深入化發展。自2017年起，浮式風機領域研究重心開始導向理論的研究及規范的完善上。這一階段國內科研人員把目光轉移到理論的研究上[17]，與此同時，這一階段還出現了眾多計算浮式風機動力響應的數值仿真平臺，這些軟件的開發也推動了浮式風機理論研究的深度與廣度。

3.2 國外浮式風機領域演進趨勢

根據數據源整理分析，繪制國外浮式風機領域關鍵詞時序圖，如圖 4所示。

圖4 WoS數據庫浮式風機領域研究熱點時序圖Fig.4 Sequence diagram of international emerged terms in FOWT

對比國內關鍵詞時序圖可以看出，國外浮式風機領域演進趨勢也主要分為3個階段：

第1階段：2009—2013年。2007年，歐洲海上風電發展政策研討會上提出到2020年將可再生能源在一次能源消費中的占比提高到20%[18]。2008年，英國Blue H公司建造了世界上首臺小型海上浮式風機樣機，額定功率為80 kW[19]。此后歐洲各國及北美建立了大量海上風電場[18]，國外浮式風機研究開始進入科研人員的視野中。

與國內發展進程相似，2009—2013年，國外浮式風機研究熱點集中于浮式風機概念以及理論和工具的引入。例如，Roddier等[20]運用了船舶動力學等已有理論對一種浮式風機基礎進行了可行性研究。Jonkman等[21]提出了一種用于浮式風力耦合動力響應建模的綜合仿真工具，并通過模型對該工具進行了驗證。

第2階段：2014—2016年。國外浮式風機領域研究熱點開始著眼于浮式風機的受力分析以及結構形式。突現的研究熱點有“dynamic response”、“TLP”、“computation fluid dynamic”。例如，Goupee等[22]分別建立了張力腿、半潛式、單柱式3種平臺的模型試驗，分析3種浮式風機在風浪聯合作用下的耦合特性。

第3階段：2017—2019年。這一階段突現“blade”、“mooring line”、“mooring system”等主題，國際上學者對于浮式風機領域的研究開始著眼于浮式基礎理論上的深入研究，包括系泊系統、風機葉片等。隨著浮式風機領域向深海以及極端海洋環境的發展，極端工況、結構疲勞的研究也成為研究熱點。例如，Kang等[23]采用關聯FMEA方式對浮式風機進行風險評估，并使用某風電場實測數據進行驗證，并對浮式風機安全性與可靠性提供設計建議。Hsu等[24]針對浮式風機系泊系統可能會受到極強風浪偶然荷載的作用，提出一種新的概率模型為系泊索極值設計提供參考。

對比國內外浮式風機領域演進趨勢圖，可以看出，國內外的發展進程是大致同步的。一個學科的發展一般遵循四階段理論：第1階段即是學科的提出；第2階段是引入新的方法和工具對該主題進行研究；第3階段是對該領域進行發散，突現應用技術方面研究；第4階段進入衰減階段[25]。通過上述研究熱點時序圖的分析，浮式風機作為一個新興領域，目前處于第2階段末期至第3階段初期，科研前景非常廣闊。

4 科研合作分析

科研合作是指科研人員共同完成科研任務為實現同一科研目標進行科研合作和科研產出的活動[26]。在CiteSpace中選擇Author選項進行微觀合作可視化分析，繪制科研合作關系知識圖譜能夠直觀看出在浮式風機領域最具影響力的科研團隊，了解各科研團隊間合作關系。

圖 5為CNKI核心數據庫中浮式風機領域科研人員合作關系圖，其中發文量與中心度均較大的是上海理工大學李春、丁勤衛科研團隊，該團隊在流固耦合與浮式平臺動力響應方面做出了許多貢獻[27-28]。

圖5 國內科研合作關系Fig.5 Domestic research cooperation

圖 6為WoS核心數據庫中浮式風機領域科研人員合作關系圖，可以看出國際浮式風機領域各科研團隊相互之間有著不同程度的聯系，科研人員間合作較為緊密。其中發文量與中心度最大的科研團隊是挪威科技大學(NTNU)MOAN Torgeir與GAO Zhen科研團隊，該團隊在Spar結構形式方面做了大量工作，對其動力響應進行了深入研究[29]，同時提出了一種簡化的浮式風機在風浪荷載作用下動力響應分析方法[30]。此外上海交通大學HU ZHIQIANG團隊也對Spar平臺的動力響應進行了試驗與數值仿真研究[31-32]。

圖6 國際科研合作關系Fig.6 International research partnerships

5 國際期刊源可視化分析

5.1 知識流分析

雙圖疊加(Dual-Map)模塊是顯示浮式風機研究領域的文獻分布、被引軌跡、知識流動等信息的可視化分析模塊，主要使用了Blondel算法形成期刊簇[33]。下面對WoS核心數據庫進行雙圖疊加分析，如圖 7所示。

圖7 WoS數據庫浮式風機雙圖疊加Fig.7 Dual-map overlay of FOWT based on WoS database

雙圖疊加分析由左右2部分組成。左側是被引文獻發文的主要學科分布。右側為被引文獻的期刊分布，代表該領域研究中主要引用的學科分類。因此，左側是浮式風機的應用領域，右側為浮式風機的研究基礎。橢圓形中心表示特定期刊的主題區域，左邊橢圓形的橫軸表示作者的數量，縱軸表示發表的數量。右側橢圓橫軸為被引作者數量，縱軸為期刊被引次數，左右兩側的期刊鏈接反映了左右期刊之間的引用關系。

通過CiteSpace內置Z-Score算法對引文連接關系進行標準化處理，使兩側期刊之間的引文關系更加清晰明了，最終得到3條主要的引文軌跡：

①Mathematics, Systems, Mathematica→Mathematical, Mathematics, Mechanics;

②Mathematics, Systems, Mathematica→Earth, Geology, Geophysics;

③Mathematics, Systems, Mathematica→Environmental, Toxicology, Nutrition。

浮式風機領域主要以“數學、數學、力學”；“地球學、地質學、地球物理學”；“環境、毒理學、營養”這3門學科為研究基礎(圖7右側)。這表明浮式風機領域近年來引用了這3個學科的一些期刊，呈現出跨學科發展的趨勢。除此之外，應用領域中“獸醫學、動物學、科學”文獻量呈增長的趨勢，這表明越來越多的研究人員[34-35]開始思考海上浮式風機對于環境生態的影響。

5.2 研究載體分析

期刊共被引分析顯示了國際研究中引用相關期刊的研究期刊，說明這些期刊的研究成果被國際研究認可與采納，以及這些期刊所包含的理論將匯入到國標相關領域的研究中。

在 CiteSpace中選取“Cited Journal”進行文獻共被引分析，圖 8顯示了對浮式風機相關文獻期刊的共被引分析結果，表 4表示為被引頻次以及中心度排名前10的國際期刊。

圖8 WoS數據庫浮式風機領域期刊共被引Fig.8 Co-cited analysis of journals connected to FOWT based on WoS database

從表 4可以看出，“WIND ENERGY”、“RENEW ENERG”以及“OCEAN ENG”是國際浮式風機領域被引頻率前3名的期刊?！癢IND ENERGY”、“WIND ENG”、“J RENEW SUSTAIN ENER”是中心度前3名的期刊。對比期刊頻次與中心度排名，可以發現被引頻率以及中心度不成正相關，即使被引頻率高，也不一定表明該期刊影響力大。不過從被引率和中心度排名上看，“WIND ENERGY”都是本領域排名第1的期刊。

表4 被引頻次及中心度排名前10的期刊Table 4 Top 10 journals in citation frequency and centrality

6 結論

1)在研究熱點方面，國內外浮式風機領域高頻關鍵詞較為接近，包括荷載作用、動力響應、結構形式(半潛式、張力腿式、Spar等)、附屬結構(風葉、垂蕩板、系泊系統等)以及穩定性、耐久性等研究熱點。

2)在演進趨勢方面，雖然浮式風機概念起源于國外，但由于早期技術和產業化原因，未產生大規模研究。開始階段借助其他學科已有理論方法、研究工具對浮式風機進行初步探究，隨后在此基礎上發展出各種結構形式，開展了各結構形式的穩定性、動力響應研究及對比分析，現階段科研人員開始對新結構形式包括對原有結構形式的改進以及附屬結構進行深入研討，同時開始著手對現有理論和工具的適應性改良。目前國內外浮式風機發展進程已同步化。

3)國內科研合作關系呈現各團隊獨立發展的趨勢，國際科研合作關系中各團隊具有較強的聯系。在國外期刊源方面，目前浮式風機領域呈現出較強的跨學科發展趨勢，同時生態環境領域發文量呈現出增長趨勢。

針對以上結論，為推動我國浮式風機領域發展給出相關建議：

1)作為新興研究方向，浮式風機領域本身自帶多學科交叉的屬性，在研究過程中不僅需要結合已有學科理論，還需要對該學科做出理論改進與創新；

2)未來浮式風機領域發展將會向新理論、交叉學科以及新形式3個方面發展；

3)通過前期小型風電場的試驗，現階段浮式風機將向產業化方向發展，研究方向應以產業化創新為主，結合國家政策，完善行業規范，促進產學研結合，在技術支撐下逐步提高可再生能源利用率。