基于CiteSpace的地鐵安全研究知識圖譜及可視化分析

鄧勇亮， 孟苗苗， 張 瑩， 劉澤東

(中國礦業大學 力學與土木工程學院， 江蘇 徐州 221116)

隨著我國經濟社會的快速發展，城市人口和機動車數量迅猛增長，城市公共交通擁堵問題日益嚴重，成為限制城市經濟高速發展的主要障礙之一[1]。地鐵作為一種綠色高效的出行方式，不僅可以有效緩解城市公共交通的巨大壓力，同時也成了城市發展水平的重要象征[2]。然而，由于地鐵工程的規模大、技術復雜以及不可預見風險因素較多，使得地鐵施工與運營階段頻頻發生安全事故，這不僅會造成嚴重的社會經濟損失，對地鐵未來的發展也會產生一定的負面影響[3]。隨著地鐵項目的不斷增加，地鐵建設和運營過程中所發生的安全事故總數也呈現出不斷上升的趨勢。因此，提高地鐵安全的管理和保障水平成為目前該領域所關注的重要問題[4]。為了更好地了解有關地鐵安全的發展趨勢，本研究借助CiteSpace科學文獻計量軟件，篩選出2005―2019年間的中國知網中文SCI、EI來源期刊、核心期刊和CSCD期刊中有關地鐵安全的1786篇文獻作為研究對象，對地鐵安全主題進行可視化分析，通過解讀知識圖譜來探索挖掘該領域的相關研究成果，分析地鐵安全領域的有關研究熱點變化過程、前沿信息和趨勢，為進一步推進我國地鐵安全研究提供有價值的參考和借鑒。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本研究的樣本數據來源為中國知網數據庫中文SCI、EI、核心期刊以及CSCD期刊文獻，篩選得到的文獻具有較強的代表性和權威性。同時，為了確保數據能夠盡可能全面的獲取，時間設置為近15年(2005―2019年)，以主題詞為“地鐵或軌道交通”“安全或風險”進行高級檢索，共檢索得到1937篇文獻，整理刪除了期刊會議征稿、卷首語、會議論文以及無作者等無效數據，最終篩選得到1786篇文獻，檢索時間截止到2019年12月11日，分四次將數據導出為TXT文本格式，作為本研究的樣本數據。

1.2 研究方法

CiteSpace作為一種文獻可視化分析軟件[5]，它可以將某一領域知識的宏觀結構和發展脈絡以知識圖譜形式進行描述[6]。學界將基于CiteSpace分析所得到的數據結果稱為科學知識圖譜[7]，將它作為一種可行的研究方法，并且該方法也得到了廣泛使用[8]。本研究借助可視化分析軟件CiteSpace v5.5.R2版本對地鐵安全領域進行可視化分析，其中，閾值TopN設置為50，即提取每個時間切片排名前50的作者、機構和關鍵詞，網絡剪裁設置為尋經網絡和修剪網合并，對地鐵安全研究主題的作者、機構合作網絡、關鍵詞共現和時區圖等進行分析，以此來研究有關地鐵安全的研究熱點與前沿趨勢。

2 核心作者群與熱點研究機構分析

2.1 發文量時間分析

發文量是衡量某一研究主題發展的一個重要指標，它可以在一定程度反映出該領域科學知識量的變化情況以及相關學者在該領域的研究進度[9]。近年來，我國有關地鐵安全的相關研究整體上呈現出不斷上升趨勢。從圖1可以清晰地看出，從2005年開始，關于地鐵安全領域的研究才剛剛開始，發文量僅為10篇，隨著地鐵工程建設不斷發展，對地鐵安全的研究熱度也不斷增加，到2012年達到184篇。從發文量來看，可以將地鐵安全領域的研究分為三個階段：(1)2005―2007年，國內地鐵項目發展較慢，學者有關地鐵安全的研究較少，關注度低，所以發文量較少；(2)2008―2012年，該階段國內地鐵建設項目處于高速發展階段，相比于第一階段發文量明顯持續不斷增加，地鐵安全的研究處于蓬勃發展階段，同時也得到了很多學者的關注，到2012年發文量為184篇；(3)2013―2019年，該階段的發文量雖有波動，但基本上呈現出緩慢上升的趨勢，說明學者對地鐵安全的研究隨著地鐵進入新的發展階段而不斷深入，到2019年預計發文量為214篇。從發文量的統計結果可知，表明有關地鐵安全領域的研究受到了國內許多研究學者的關注，相關的研究成果也呈現出逐漸上升的趨勢。

2.2 作者、機構合作網絡分析

2.2.1 作者合作網絡分析

通過CiteSpace軟件對地鐵安全這一研究領域進行作者合作網絡的可視化分析，設定時間切片的值為3，節點類型為“Author”，網絡剪裁設置為尋經網絡和修剪網合并。通過對第一作者分析，發文量在9篇以上(含9篇)的作者如表1所示，可以看出在2005―2019年高產出的作者有吳賢國、張立茂、史聰靈、張頂立、鐘茂華、李啟明等。

表1 2005―2019年論文產量排名前10位的作者

圖2 2005―2019年地鐵安全研究作者合作圖譜

2.2.2 機構合作網絡分析

研究機構對某一研究領域的發展起著非常重要的作用，對文獻的研究機構進行總結分析，有利于掌握該研究領域的研究機構情況，為各機構間展開合作研究提供一定的參考。運用CiteSpace軟件，節點類型選擇“institution”，時間切片設置為3年，對地鐵安全數據進行機構合作網絡可視化分析，運行數據后得到圖3。設置機構發文量12篇(含12篇)以上作為閾值，圖中每個節點的大小代表該機構發文數量的多少，節點越大表示發文量越多。節點中不同顏色的圈代表不同時間段內的發文量，節點之間的連線代表合作關系，連線的粗細程度表示雙方的合作強度。由圖3和表2可知，核心研究機構主要集中于兩大類，即集團公司與各大高校。從網絡圖中可以看出，大部分研究機構并不是獨立地進行研究，相互之間聯系緊密，都存在著合作關系，但是從圖中也可以看到有些有影響力的高校和集團公司與其它機構之間的連線較少，表明這些研究機構與其它機構間的合作交流較少。

結合圖3和表2可以發現以下幾個特點：第一，華中科技大學土木工程與力學學院是發文數量最多的機構，從科研實力來看，該高校擁有著成熟的科研實力來支撐有關地鐵研究領域的研究；第二，北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室、中鐵第一勘察設計院集團有限公司等均位于發文機構出現頻次的前五，這表明有關地鐵安全的研究不僅僅存在于高校間，在一些集團公司中也引起了較大的關注，因為他們擁有可以直接從現場進行研究的外部支撐條件。經統計發文量12篇以上的機構共計發表論文453篇，占總發文量的25.4%，這說明地鐵安全領域機構之間研究相對分散，不同的科研機構之間科研能力條件有一些差別，華中科技大學土木工程與力學學院是地鐵安全研究領域貢獻最大的研究機構，引領著該領域的發展，其他研究機構的科研能力仍有待進一步加強，尤其是機構之間的學術合作研究更應該加強，通過資源共享和交流，從而共同為我國的地鐵安全領域創造出更大的貢獻。

圖3 2005―2019年地鐵安全研究機構合作圖譜

表2 2005―2019年論文高產量機構

3 研究熱點與研究前沿分析

3.1 研究熱點分析

3.1.1 關鍵詞共現分析

關鍵詞是對文章的主題和研究內容的凝練，在CiteSpace軟件中，圖譜中高頻次、高中心性的關鍵詞通常被認為是該研究領域在某一時間段的熱點問題和研究方向[12]。運用CiteSpace軟件，節點的類型選擇“keyword”，網絡剪裁設置為尋經網絡和修剪網合并，其它設置為默認。運行CiteSpace軟件，得到圖4，根據圖4可以清晰地了解三大信息內容：(1)每一個大小不同的十字架節點代表一個關鍵詞，十字架越大，表示該關鍵詞在樣本文獻中出現的頻次越高，也說明在領域中所受到的關注度越高，節點外的紫色光圈代表該節點的中心性，紫色的區域越大，表明中心性越高，該節點越重要，對該領域的影響顯著，即可以視為關鍵節點；(2)節點的顏色越深，說明是早期學者所關注的熱點，顏色偏向暖色，說明是近期學者所關注的熱點；(3)不同節點之間連線的粗細程度與節點共現的強度成正相關，兩個節點之間的連線越粗，表明兩節點的共現強度就越強，反之越弱。

圖4 2005―2019年地鐵安全研究關鍵詞共現圖譜

從圖4可以看出，網絡節點共計327個，連線444條，網絡密度為0.0083，中介中心度是表明在地鐵研究領域中核心程度的指標，在此基礎上，依據出現頻次對關鍵詞進行排序，取排名前20的關鍵詞，結果如表3所示，城市軌道交通、地鐵、軌道交通、地鐵施工和數值模擬出現的頻次和中介中心度均排名靠前；而深基坑、運營安全和風險評價等關鍵詞出現的頻次較低，但中介中心度較高，這說明這些關鍵詞是地鐵安全領域的基礎性研究內容，目前缺乏更進一步的研究；安全管理、地鐵隧道和地鐵車站等出現的頻次較高，但中介中心度較低，說明這些主題更加偏向于地鐵安全的熱點內容。

表3 2005―2019年地鐵安全研究排名前20的關鍵詞

聚類分析將關鍵詞共現網絡聚成不同的區域，這樣可以從不同的角度顯現出研究領域的分布情況，能夠幫助作者迅速快捷地掌握相關研究資料以及數據信息，了解當前該領域的研究前沿[13]。在關鍵詞共現的基礎上進行自動聚類，如圖5所示，通常參考聚類模塊值Q和聚類平均輪廓值S這兩個指標來評價圖譜繪制的合理性，如果Q大于0.3，說明圖譜網絡結構合理，如果S大于0.5，表明網絡的同質性是合理的，如果S大于0.7，則說明是可信的[14]。由圖5可知，Q為0.8045，遠大于臨界值0.3，表明圖譜的網絡結構是合理且顯著的，S值為0.562，大于0.5，表明網絡的同質性是合理的，總體來說，地鐵安全研究的關鍵詞聚類圖譜的繪制效果是比較好的。從圖5可以看出，關于地鐵安全研究的關鍵詞聚類圖譜共有18個聚類標簽，其中主要的聚類標簽有隱患排查、深基坑、安全系數、地鐵火災等，這些聚類標簽構成了當今地鐵安全研究的主題。另外，聚類的顏色越趨近于暖色，說明該主題距離現在的時間越近，由圖5可知，地鐵隧道、地鐵車站等出現的時間相對偏早，而安全控制、地鐵站臺、層次分析等出現的時間相對較晚，更是當今的研究熱點和主題。

圖5 2005―2019年地鐵安全研究關鍵詞聚類圖譜

3.1.2 研究熱點時區分布

對于知識的演進狀況可以借助于CiteSpace軟件中的時區視圖來表示，整個表示過程能夠較為清晰地展現研究文獻的更新與相互影響情況[15]。為了更進一步了解地鐵安全研究熱點的逐年演化情況，展示科學研究進展和了解該領域的研究趨勢，運行CiteSpace軟件，以“Timezone”的可視化方式來繪制研究熱點變化的時區視圖，如圖6所示。

圖6按時間順序、時區(相間條型區域)進行排列，呈現了2005―2019年期間地鐵安全研究熱點的變化情況以及隨著時間推移研究思路的演進路徑，可以直觀地、清楚地了解該研究領域的發展脈絡以及節點之間的聯系。可以看到城市軌道交通、地鐵與許多關鍵詞之間連線密集，關系密切，并且對城市軌道交通和地鐵領域的研究一直延續到2019年，符合本研究主題。與前述研究文獻發文量時間分布相吻合，2005―2012年涌現出來了大量有關地鐵安全研究主題處于生長期，如安全管理、風險分析、風險評估、可靠性、風險等，說明研究者對地鐵安全領域的關注度逐步提升，對其研究不再局限于它本身，更多是通過大量相關關鍵詞展示出來，而這一階段研究的關鍵節點或轉折點是地鐵施工、數值模擬、風險評價、運營安全等高中心性關鍵詞，在一定程度上反映出地鐵安全學科領域的研究熱點，也是當前階段研究者最為關注的重點。2013―2019年研究學者開始關注運營安全、信息技術、安全工程、安全控制等方面，當前，全自動運行、BIM、風險管控等成為地鐵安全的研究前沿。顯然，隨著時間推移以及信息化結合，研究范圍不斷拓展，研究視角逐漸寬泛，研究內容也愈加深入。

3.2 研究前沿分析

通過CiteSpace的突現檢測能力來分析關鍵詞的時間分布，可以直觀地探測出頻次變動率高、增長速度快的突現詞，并根據其突現強度來分析學科研究的前沿領域及發展趨勢[16]。從圖7可以看出，共有9個突現詞，突現度高的有“風險管理” “施工技術” “屏蔽門” “火災”等。其中最早出現的關鍵詞是“地鐵”，這是因為國內有關對地鐵安全的研究剛剛開始，隨后開始出現了一些突變關鍵詞，其中“風險管理”這一突現詞的影響周期最長，說明學者對地鐵風險管理的研究比較關注。其中，“管理”“安全性”“控制措施”“施工技術”突現關鍵詞是當前地鐵安全研究領域的一個研究趨勢，也是未來發展的一個重要方向。

圖7 2005―2019年地鐵安全研究突現關鍵詞

4 結論與展望

4.1 結論

本研究從中國知網總庫SCI、EI來源期刊、核心期刊和CSCD期刊選取了2005―2019年期間關于地鐵安全的1786篇相關文獻，并進行了可視化分析，分別繪制出作者、機構合作網絡、關鍵詞共現網絡，關鍵詞時區網絡，主要得出以下結論：

(1)從2005―2019年間文獻的發文量來看，地鐵安全領域的研究整體處于不斷上升趨勢，其中在2007年以后，呈現出快速增長趨勢，這說明地鐵安全研究引起了研究學者的關注，到2013年以后基本呈現平穩發展趨勢，表明該領域的研究進入新的發展階段而不斷深入。

(2)從作者合作網絡圖來看，有關地鐵安全研究領域的研究學者很多，但是高產出的學者較少；其中吳賢國的發文量最多，達到26篇，其次是張立茂、史聰靈分別為18，16篇。此外通過核心作者群分析，獨立進行地鐵安全研究的學者較多，因此各研究學者之間未形成核心群體，學者之間溝通交流少，學術研究合作少。

(3)從機構合作網絡來看，核心研究機構集中于兩大類，即集團公司與各大高校，其中華中科技大學土木工程與力學學院的發文量最多為43篇，對地鐵安全研究領域的發展起著非常重要的作用，然后依次是北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室、中鐵第一勘察設計院集團有限公司、北京交通大學土木建筑工程學院、北京交通大學交通運輸學院，發文量分別為34，33，28，26篇，發文量均在20篇及以上。雖然大部分研究機構之間都有合作聯系，但是研究機構之間的研究相對分散，不同的科研機構之間科研水平有一些差別。

(4)從研究熱點來看，“地鐵車站”“風險評估”“地鐵施工”和“安全管理”這些關鍵詞出現的頻次較高，說明學者們對該方面的研究較為關注。其中突現關鍵詞有“地鐵”“安全管理”“風險管理”“屏蔽門”等，“地鐵”“控制措施”和“施工技術”的影響周期較短，而“火災”“管理”“安全性”和“風險管理”這些突現關鍵詞的影響周期較長，其中“風險管理”影響周期最長，這表明“風險管理”一直是地鐵安全領域研究的一個重點和熱點。

(5)從研究主題的演進路徑來看，早期學者的研究熱點主要體現在“地鐵施工”“數值模擬”“風險評價”“運營安全”等高中心性關鍵詞的研究上。隨著時間的推移可以看出，該領域目前的潛在研究熱點有全自動運行、BIM、風險管控，信息技術等。

4.2 展望

隨著中國地鐵行業的不斷發展，地鐵在給人們帶來便利的同時也引發了一些不同程度的傷亡事故，因此有關地鐵安全的研究領域逐漸被越來越多的學者所重視，但是國內研究學者對該領域的研究還相對較少，尚未形成一套成熟的知識理論體系。因此，國內研究學者之間應增強彼此之間的合作關系，形成地鐵安全領域核心作者群體。此外，不同的研究機構之間也應當促進彼此間的交流，為中國地鐵安全研究領域創造一個強大的研究機構群體，通過交流和分享經驗，為該研究領域貢獻更大的價值。

由于中國地鐵建設起步較晚，有關地鐵安全方面的研究經驗較少，因此我們可以借鑒國外先進的管理理論和經驗，探索有關地鐵風險管理的規律性，分析存在的安全問題，建立有效的安全風險管理體系，不斷提高地鐵建設和運營安全管理水平。