基于譜圖量化的能源相關路面研究熱點分析

栗培龍，魏曉鳳，朱德健，畢嘉宇

(1.長安大學道路結構與材料交通運輸行業重點實驗室，西安 710064; 2.長安大學公路學院，西安 710064)

在瀝青路面建設中傳統瀝青混合料及其施工工藝流程對環境帶來了諸多不利影響，制約了交通行業的綠色發展[1]，同時熱電[2]、壓電[3]、光伏[4]等路面的出現加速了路面建設從能源消耗向能源制造的功能轉變。隨著傳統路面向智慧化、智能化、功能化、人性化轉變，路面網、互聯網、能源網等多網融合的趨勢日益顯著。但目前中外學者對路面網和能源網兩網融合的相關研究較少。且由于多學科交叉的特點，所需閱讀的文獻數量大，傳統文獻閱讀方式效率低，知識點龐雜為研究帶來極大困難，費時費力。為此，提出能源相關路面的概念，并為快速有效地建立起能源相關路面的知識框架，精準把握能源相關路面相關研究的動態，推薦采用文獻可視化計量分析工具：Citespace。

能源相關路面是將能源與路面工程相結合，以便實現交通、能源與環境的協調發展。能源相關路面的研究主要包括能源路面和路面能源兩方面。能源路面是指通過控制路面建設期間各環節的能源消耗，減少二氧化碳溫室氣體排放量，實現路面和環境良好的相容性；而路面能源是指通過將路面表面能源如太陽能、光能、熱能、荷載等轉化為電能或其他可被利用的能源，實現路面與環境良性共生。路面能源為“人-車-路”協調智能化發展提供了可能性，具有很大的發展潛力。

在優化文獻閱讀方式方面，目前文獻可視化計量分析軟件已廣泛應用于環境保護[5]、能源[6]、生物[7]、應急救援[8]及災害防治[9]等領域。常用的文獻可視化計量分析軟件有Citespace、Ucinet、Vosviewer等。與其他文獻計量軟件相比，Citespace軟件操作簡單，對同一組數據可多角度繪制圖譜，且圖譜展示清晰。同時在文獻研究層次上，Citespace軟件可同時實現研究方向的發展脈絡與知識交叉等宏觀計量以及某一學術機構或個人的學術貢獻等微觀計量。

基于此，借助Citespace可視化軟件，在Web of Science數據庫中以energy pavement為主題詞進行文獻檢索，并分別從文獻共被引分析、機構分析及作者分析三個維度等對能源相關路面研究熱點及進展進行分析探究，為后續研究提供參考。研究框架如圖1所示。

圖1 研究流程圖

1 數據來源及處理方法

在Web of Science核心合集中以energy pavement為主題，通過article精煉后總共獲得2 311條有效文獻。選用Citespace5.3R4軟件工具分析有效文獻。在軟件設置中，將時間年限設為1997年1月—2020年11月，時間切片為1年。文本處理中術語來源全選，閾值為40，即選取的對象為每一年中的前40個。為更全面地反映研究熱點，節點類型和剪枝類型需根據圖譜展示結果做相應調整。此外，為了在對被引文獻，作者和機構進行分析時能進一步獲取研究主題，采用關鍵詞和LLR(log-likelihood rate)對數似然率算法對圖譜進行聚類[10]。聚類時部分聚類由于內部相關性不高、可分析性較差故在圖譜中難以顯示，聚類序號不連續。軟件參數設置界面如圖2所示。

圖2 Citespace軟件參數設置界面

2 熱點主題內容分析

2.1 研究進展分析

對能源相關路面以往每年的發文量進行整理并匯總如圖3所示。可以看出，2010年以前能源相關路面的研究較少，從2009—2010年開始相關研究突增，隨后隨年份增長相關研究整體也呈現增長趨勢。這符合現階段道路發展建設的需求。

圖3 1997年1月—2020年11月“能源相關路面”發文數量變化

采用文獻分析法分析能源相關路面的研究進展，如圖4所示。圖4中節點越大，表明文獻被引用的頻率越高，文獻的影響力也越大。Santamouris[11]的文章對應節點最大，被引達67次，引用頻次最高，因而在能源相關路面領域內具有最重要的影響力。能源相關路面中被引頻次最高的前6篇文獻及其對應的聚類如表1所示。

表1 被引次數最高的前6篇文獻

相近研究主題的文獻組成聚類，形成知識群組。結合Citespace軟件，由于圖4中各聚類板塊的顏色最淺，代表研究的年份越接近2020年。因此各知識群組分別代表了能源相關路面的熱點主題。由于能源相關路面“多學科交叉”的特性，通過共被引圖譜對各熱點主題進行宏觀和微觀追蹤分析，認識各熱點主題對應的學科分布將十分有助于對能源相關路面展開研究。

2.2 熱點主題宏觀分析

由圖4可知，最大的熱點主題是聚類#0瀝青太陽能采集器，其次是聚類#1全壽命周期評估，聚類#2溫拌瀝青，聚類#3熱島效應等。基于對能源相關路面的基本認識，可知目前對能源路面的研究較多，如聚類#1，聚類#2，聚類#3；對路面能源的研究相對較少，最突出的主題為聚類#0。對能源路面和路面能源的主要熱點主題進行宏觀分析如下。

圖4 1997—2020年“能源相關路面”參考文獻共被引聚類分析圖譜

熱點主題#0瀝青太陽能采集器。最早提出路面可作為能源收集器是在2001年。路面能源主要包括光能、太陽熱能、地熱能、由于行駛的車輛和行人而產生的機械能、雨水和風等。該主題以研究瀝青太陽能采集器為代表，研究內容涉及能源收集、熱傳導、導電瀝青混凝土、冰雪融化、空氣對流、電磁等。旨在通過收集路面能源減少外界環境對既有路面的損害。該主題中引用率較高的文獻主要有Bobes-Jesus等[15]在2013年發表的關于瀝青太陽能集熱器的文獻綜述，該綜述集中闡述瀝青太陽能集熱器現有的研究進展，包括太陽能收集過程的主要傳熱機制、不同收集方法及熱能收集所涉及變量的影響、對瀝青熱行為的研究類型等。其次，Pan 等[16]在2015年發表的文章中不僅指出有關水力瀝青路面(hydronic asphalt pavement, HAP)的研究現狀，還提出未來發展應關注HAP的施工技術、養護技術和長期的使用性能。總體來看，該主題的研究熱點集中在壓電路面、光伏路面、熱電路面，相關研究仍處于探索階段：理論分析較多且沒有形成各自獨立的評價標準和規范體系，因而也無法有效地指導實踐。通過對路面能源的收集與轉化，不僅能有效緩解能源短缺的現狀，還能通過集能融雪的技術解決路面結冰、抗滑性低的既有弊端。可以預測，隨著智慧公路、智能公路的發展，能源收集技術的提高和應用必將會有更大的發展空間。

熱點主題#1全壽命周期評價(life cycle assessment, LCA)。LCA研究產品從獲取材料到生產、建造、維修/修復、使用和處置的整個生命周期的環境方面的潛在影響[17]。該研究基礎中施引文獻首次被共同引用的時間為2008—2011年。以Huang等[18]2009年發表的文章為基礎，相關研究涉及路網可持續性、被動式冷卻、熱拌瀝青、施工工藝、壽命周期評估等多項內容。此后在2011年瀝青分支下由Santero等[13]發表的綜述被引頻次達到了整個聚類中的最高值，是2011年該聚類中最有影響力的施引文獻。以往的評估模型側重建立評估道路與環境關聯性的基本框架，卻無統一的量化標準。而文獻[16]指出了現有的關于道路與環境相互作用的全壽命周期評估模型中存在的不足，細化并補充了路面粗糙度和交通延誤等尚未考慮在內的影響因素。此外，由聚類#1還可知當下學者們的研究主題多為：采用數據挖掘及建立模型的方法分析包括能源消耗、輪胎-路面相互作用在內的LCA各個階段的環境影響。

熱點主題#2溫拌瀝青。最早提出通過改進“溫拌瀝青”可促進公路的可持續發展這一觀點是在2002年。與其他熱點主題明顯不同，該熱點主題主要改進瀝青路面的生產技術。在2012年該熱點主題研究成果顯著增長，發文數量達19篇，其中以Rubio等[12]的研究為核心形成關聯網絡。Rubio等[12]在2012年發表的綜述中涉及溫拌瀝青、全壽命周期評估、分子動力學模擬等領域，提出通過使用有機添加劑、化學添加劑、水基或含水發泡工藝3種技術可實現施工時溫拌瀝青對高溫的要求，從而有效降低拌合瀝青對環境的不利影響。盡管該技術已運用于實踐并取得良好評價，但該技術目前仍缺乏完整的指導理論和規范指標。

熱點主題#3熱島效應。最早定義熱島這一概念的是Manley[19]。此后有關學者基于主題#3開始建立起熱島效應與道路建設之間的聯系。聚類#3中施引文獻首次被共同引用的時間為2008—2009年。此后對熱島效應的研究主要集中在瀝青可再生路面、水泥混凝土路面、雨水收集、生命周期評估、養護維修策略等研究模塊。由圖4可知，Santamouris[11,20]在2013、2014年發表的相關研究文獻的burst值明顯高于其他文獻，說明這兩篇文獻短期內被大量引用，對2013—2014年的研究具有重要指引作用。Santamouris[11]在2013年發表的利用降溫路面緩解城市熱島的文章中指出，在環境氣候影響下與路面結構有關的溫度參數主要有熱導率、熱容性、路表面對流換熱等；Qin[14]在2015年發表的綜述中對Santamouris[11]提出的降溫路面做了補充。盡管兩人的成果對主題#3的研究具有重要參考，但仍沒有解決水對透水和保水路面熱性能產生的不利影響。此外，隨著近兩年道路研究向微細觀方向發展的趨勢，也有學者提出通過控制路面粗糙度、輪胎與路面的接觸等減少車輛行駛產生的能耗，間接緩解熱島效應。

2.3 熱點主題微觀分析

除了可由聚類的排序、分布及內容等從宏觀上把握能源相關路面研究所涉及的知識領域，還可從微觀上把握能源相關路面某一篇文獻的研究進程。圖譜中紅色的點為具有突發性、爆破性的關鍵文獻，即在特定時間內被高頻引用的文獻。關鍵文獻不僅代表當時的研究熱點，對之后的研究熱點的發現和遷移也起到關鍵作用。它的出現既可能與國家或地方政策有關，也可能是某一領域取得了重大性發現。近幾年能源相關路面中部分關鍵文獻如表2所示。可以看出，對Santero等[25]在2011年發表的文章的關注度從2015年開始一直持續至2020年，表明截至2020年11月，對全壽命周期評估的研究是能源相關路面最新的研究熱點。

表2 被引文獻突變強度排序

3 熱點主題研究機構及作者合作分析

在社會網絡分析理論的形成中，Granovetter[26]提出社會網絡“弱連接優勢”的概念并認為新觀點和新信息一定來自與其他不同群體中的個體間的弱關系，處于結構洞未知的個體透過信息過濾可獲得更多競爭優勢與創新能力。由于能源相關路面多學科交叉的特點，基于已有知識儲備快速定位和解讀各機構學者的研究方向及研究內容，精準定位、快速捕捉相關學術交流活動、訪學活動等對縮短研究進程、挖掘創新點具有重要意義。

3.1 機構合作分析

機構合作網絡圖譜如圖5所示。可以看出，Chang’an Univ.(Chang’an University)和Univ.lllinois(University of Illinois Urbana-Champaign)節點較大，表明Chang’ an Univ.(Chang’an University)和Univ.lllinois(University of Illinois Urbana-Champaign)在能源相關路面發表的論文數量較多且影響力很大。各點間連線越粗表明二者間合作越緊密。參考各機構的研究主題更有利于針對性地、快捷有效地獲得全面系統的認識。此外，Harbin Inst.Technol.(Harbin Institute of Technology)、Tongji Univ.(Tongji University)、Rutgers State Univ.(Rutgers, The State University of New Jersey)等機構的“burst”值較高，表明其發表的論文被引用率突增，該機構在該領域的研究最具權威性。通過對發文數量較多或具有“burst”特性的機構的追蹤，可以獲取各機構的最新研究動態。能源相關路面中發文頻次大于43的機構如表3所示。

圖5 機構合作網絡聚類分析圖譜

由表3可知，在能源相關路面領域研究成果最多的前三名機構分別為：Chang’ an Univ.(Chang’an University)、Univ.Illinois(University of Illinois Urbana-Champaign)、Southeast Univ.(Southeast University)。以Chang’ an Univ.(Chang’an University)為例，2019年，太陽能-路面和諧共生的概念被提出，在闡述利用太陽能優勢的同時也指出了這一應用對環境的負面影響[22]。可以預測，有效建立起路面-環境的和諧共生將是中國下一階段能源相關路面研究工作的熱點之一。

表3 研究能源相關路面的主要機構(發文頻次≥43)

3.2 作者合作分析

為使作者合作網絡圖譜中各研究主題更加鮮明，將聚類方式改為“title term”。對得到的作者合作網絡聚類圖譜中各主要聚類的代表學者及作者發文數量整理如表4所示。

表4 各聚類名稱及其代表學者

其中聚類#0、聚類#2、聚類#3為路面能源方向，涉及路面能源收集與轉換。聚類7、聚類#10為能源路面方向，對應的熱點主題為溫拌瀝青。

以所含作者數量最多的聚類#0為例，對聚類#0研究最活躍的作者為Al-Qadi I L。如文獻[17]提出了基于環境和經濟績效相結合的生命周期解釋(life cycle interpretation,LCI)評估方法，并對常規熱拌瀝青瑪蹄脂碎石(stone mustic asphalt,SMA)和添加化學添加劑的溫拌SMA進行了LCA和壽命周期成本分析(life cycle cost analysis,LCCA)。實驗后證明了溫拌SMA顯著的環境效益。由圖譜中與Al-Qadi I L有關聯的作者的分布可知，Al-Qadi I L發表的多篇論文也被El-Khatib A、Singhvi P引用，并用于研究溫拌瀝青相關內容，對能源相關路面在溫拌瀝青方向的研究熱點的推進影響力很大。由聚類間關系可知，Lytton R L、Santamouris M都位于聚類間交界處，說明他們為不同主題的聯絡者，其研究領域具有跨學科屬性；現有的研究集中在少數幾位學者當中，并且各研究主題下的代表學者幾乎與其他聚類的研究學者沒有較多溝通。但是，必要的溝通更有利于加速整個研究的進程。

4 結論

借助Citespace軟件，分別從文獻共被引、機構合作、作者合作3個維度分析探究了能源相關路面的研究熱點。得出如下結論。

(1)現階段研究的熱點主題涉及瀝青太陽能采集器、全壽命周期評估、溫拌瀝青、熱島效應等多個研究基礎。當前研究熱點集中在全壽命周期評估、能源收集兩個研究方向。

(2)Santamouris[11]在2013年發表的文獻對應節點最大，被引頻率最高，其影響力也最大；其burst值較高，短期內該文獻受到的關注度較大，對后續研究的意義也越大；兩篇文獻間的連線越粗，二者在研究主題或內容上就越相似，共被引聯系就越緊密。

(3)Chang’an Univ.(Chang’an University)和Univ.lllinois(University of Illinois Urbana-Champaign)在能源相關路面發表的論文數量較多且影響力很大。Harbin Inst.Technol.(Harbin Institute of Technology)、Tongji Univ.(Tongji University)、Rutgers State Univ.(Rutgers, The State University of New Jersey)等機構在各自領域的研究最具權威性。

(4)能源相關路面的學科交叉性較強，研究仍處于初級研究階段，缺乏相應的細化標準和指導規范，因而將能源相關路面的理論應用于實踐還需要進一步研究。