基于CiteSpace的全球智能家居行業(yè)研究知識(shí)圖譜分析

魯效平 江民圣 孫明 王超 王玉梅 張成橋

1.青島海爾工業(yè)智能研究院 山東青島 266000；2.海爾數(shù)字科技（青島）有限公司 山東青島 266100

0 引言

伴隨著新一輪信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的推動(dòng)作用下，智能家居在居民消費(fèi)中的普及和意愿越來越高。根據(jù)IDC的預(yù)測(cè)，2023年全球智能家居市場(chǎng)出貨量將接近16億臺(tái)，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到16.9%。2021年《政府工作報(bào)告》專門提出“穩(wěn)定增加汽車、家電等大宗消費(fèi)”，同時(shí)“十四五”規(guī)劃綱要提到“加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國(guó)”，國(guó)家大政方針的指導(dǎo)將為智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供新的契機(jī)。智能家居產(chǎn)業(yè)涉及網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、5G、語音識(shí)別、云計(jì)算、邊緣計(jì)算等[1-5]先進(jìn)制造和信息技術(shù)，同時(shí)融合了用戶行為學(xué)、心理學(xué)、人機(jī)工學(xué)等[6-8]人文社科類領(lǐng)域研究，多學(xué)科多領(lǐng)域交叉綜合，是家電制造產(chǎn)業(yè)最新技術(shù)應(yīng)用的前沿陣地。目前行業(yè)學(xué)者尚未針對(duì)智能家居行業(yè)的研究動(dòng)態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)梳理，有必要對(duì)該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析，結(jié)合知識(shí)圖譜和文本分析技術(shù)，利用CiteSpace軟件針對(duì)2011年至2020年十年內(nèi)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在智能家居領(lǐng)域的研究成果數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，有利于企業(yè)和學(xué)者掌握全球智能家居領(lǐng)域主要研究熱點(diǎn)、行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)，把握技術(shù)發(fā)展動(dòng)向，為全行業(yè)提供指導(dǎo)性研究成果。

1 研究數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及分析工具簡(jiǎn)介

文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源于Web of science核心集合，該數(shù)據(jù)庫已有半個(gè)多世紀(jì)，收錄了全球12400多種權(quán)威的學(xué)術(shù)期刊，整理了13000個(gè)機(jī)構(gòu)名稱層級(jí)結(jié)構(gòu)，匯聚了15億條引用文獻(xiàn)的完整引用網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)內(nèi)容涵蓋工程技術(shù)、社會(huì)科學(xué)、自然科學(xué)等領(lǐng)域[9]，能夠提供最新、最全、最深入的關(guān)于文獻(xiàn)的起源和歷史，追蹤最新的研究進(jìn)展。本文數(shù)據(jù)檢索內(nèi)容如表1所示，完成基本檢索操作之后，單擊“導(dǎo)出為其他格式”，在彈出的界面中記錄內(nèi)容選擇“全紀(jì)錄與引用的參考文獻(xiàn)”，文件格式選擇“純文本”，記錄來源設(shè)置可輸入檢索結(jié)果的編號(hào)條目，每次最多輸出500條，最終獲得14411條檢索記錄。

表1 檢索內(nèi)容設(shè)置說明表

本文使用的分析工具為CiteSpace V.5.7.R5(64-bit)W，它是基于共引分析理論（co-ciation）和尋經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（pathFinder）等技術(shù)[10-11]應(yīng)用Java開發(fā)的信息可視化軟件，通過對(duì)特定領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量，探尋出科學(xué)領(lǐng)域演化的關(guān)鍵路徑及其知識(shí)拐點(diǎn)，并通過一系列可視化圖片的繪制實(shí)現(xiàn)對(duì)科學(xué)演化潛在動(dòng)力機(jī)制的分析和學(xué)科發(fā)展前沿的探測(cè)[12]，是目前知識(shí)圖譜繪制和研究領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的軟件之一，如圖1所示為軟件啟動(dòng)界面。

圖1 軟件操作首頁

2 智能家居領(lǐng)域研究基本情況

2.1 智能家居發(fā)文量統(tǒng)計(jì)

將下載的原始數(shù)據(jù)拷貝至…input文件夾下，同時(shí)建立輸出文件夾…output，然后依次單擊軟件界面菜單中的Data→Import/Export，在彈出的窗口中利用Remove Duplicates命令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的去重操作。

對(duì)去重之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可獲得關(guān)于智能家居領(lǐng)域近十年論文發(fā)文量的曲線圖，如圖2所示。

圖2 2011—2020年智能家居領(lǐng)域發(fā)文數(shù)量變化曲線

從發(fā)文數(shù)量可以看到，智能家居相關(guān)的研究論文在最近十年基本呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，尤其是在2016年及2019年論文數(shù)量急劇攀升，相較于十年前，2020年度論文數(shù)量增長(zhǎng)了將近734%，深受相關(guān)領(lǐng)域研究者的關(guān)注。

2.2 智能家居領(lǐng)域研究主要來源分析

2.2.1 智能家居研究主要貢獻(xiàn)國(guó)家（地區(qū)）及機(jī)構(gòu)

通過對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量統(tǒng)計(jì)，可以獲取智能家居領(lǐng)域主要研究和投入的國(guó)家和地區(qū)，該數(shù)據(jù)能夠從側(cè)面反映在智能家居領(lǐng)域目前各國(guó)的技術(shù)實(shí)力排名和研發(fā)投入程度，分析結(jié)果如圖3所示，圖3中彩色圈越大說明所屬國(guó)家貢獻(xiàn)論文數(shù)量越多。從結(jié)果可以看出，中、美、韓三國(guó)位居全球智能家居研究領(lǐng)域Top3位置，其中以中、美兩國(guó)為引領(lǐng)，在全球智能家居領(lǐng)域研究中占據(jù)主導(dǎo)地位，韓國(guó)、英格蘭處于第二梯隊(duì)。

圖3 論文主要來源國(guó)家統(tǒng)計(jì)

同時(shí)，對(duì)智能家居領(lǐng)域主要研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)量（如表2所示）和數(shù)據(jù)可視化分析（如圖4所示），可以評(píng)估主要研究機(jī)構(gòu)的科研實(shí)力，為全球智能家居領(lǐng)域人才和技術(shù)交流合作及資源評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。從分析數(shù)據(jù)可以看出，沙特國(guó)王大學(xué)、華盛頓州立大學(xué)以及中國(guó)科學(xué)院在智能家居領(lǐng)域論文數(shù)排名靠前。通過中介中心性對(duì)比，在排名前十的機(jī)構(gòu)中，中國(guó)科學(xué)院（0.26）和佐治亞理工學(xué)院（0.22）在該領(lǐng)域的研究影響力最高。

表2 智能家居領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)論文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖4 智能家居領(lǐng)域主要研究機(jī)構(gòu)

2.2.2 智能家居研究所屬學(xué)科范疇分析

研究所屬的學(xué)科范疇可以反映跨學(xué)科、跨領(lǐng)域研究在智能家居領(lǐng)域的活躍程度，通過對(duì)文獻(xiàn)的分析可以看到，與智能家居研究相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)域涉及工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、通信科學(xué)、化學(xué)、能源等諸多領(lǐng)域，如圖5、圖6所示。

圖5 智能家居領(lǐng)域所屬學(xué)科領(lǐng)域論文統(tǒng)計(jì)

圖6 智能家居所屬學(xué)科領(lǐng)域的可視化圖譜

值得注意的是，雖然智能家居自帶“智能”二字，但是隸屬于人工智能范疇學(xué)科的論文數(shù)量和成果并不算多，整體占比約3.3%左右，該學(xué)科范疇引用量最高的論文[13]來自IEEE Transactions on Systems,Man, and Cybernetics, Part C (Applications and Reviews)于2012年刊登的一篇論文。由以上內(nèi)容可以簡(jiǎn)單判斷，雖然人工智能技術(shù)最近五年比較熱門，但是在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用并不多。

2.3 智能家居領(lǐng)域主要研究?jī)?nèi)容分析

2.3.1 智能家居熱點(diǎn)研究方向

熱門詞匯反映智能家居領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向，有助于掌握該領(lǐng)域技術(shù)動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)。通過對(duì)所有文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行計(jì)量分析和聚類研究，我們可以獲得如圖7所示的近十年智能家居領(lǐng)域研究的高頻關(guān)鍵詞分析結(jié)果，領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者主要關(guān)注Top10關(guān)鍵詞分別為：smart home（智能家居，853）、system（系統(tǒng)，791）、smart grid（智慧電網(wǎng)，579）、smart hm（智能家居，456）、internet of thing（物聯(lián)網(wǎng)，438）、internet（互聯(lián)網(wǎng)，427）、model（模型，351）、demand response（需求響應(yīng)，337）、optimization（優(yōu)化，333）、management（管理，331）。從圖7關(guān)鍵詞可以看出，智能家居熱點(diǎn)研究集中在智能家居系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)以及智能電網(wǎng)有關(guān)領(lǐng)域，尤其是智能電網(wǎng)和智能家居的融合是眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)。

圖7 關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次分析結(jié)果圖

同時(shí)，我們對(duì)關(guān)鍵詞做了突現(xiàn)分析，主要用于評(píng)估某一研究方向的興起和衰弱過程（如圖8所示），可以將近十年全球?qū)W者對(duì)智能家居領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)大致分為兩個(gè)階段：

圖8 關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析結(jié)果

第一階段（2011—2017年）：智能家居探索階段。該階段關(guān)鍵詞比較豐富，涵蓋smart grid（智慧電網(wǎng)）、ZigBee（紫峰）、pervasive computing（普適計(jì)算）以及assisted living（輔助生活）等各方面的研究。該階段正好處于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)段，云計(jì)算、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)層出不窮，促使相關(guān)學(xué)者探索數(shù)字化智能化技術(shù)在家電領(lǐng)域的應(yīng)用，但是關(guān)于智能家居的未來發(fā)展形態(tài)還沒有形成較為普遍的共識(shí)。

第二階段（2018—2020年）：智能家居技術(shù)的聚焦階段。近幾年主要研究點(diǎn)在于home microgrid（家庭微電網(wǎng)）、smart transactive energy（智能交互式能源）等方面。經(jīng)過第一階段的研究熱度，整個(gè)研究趨于理性，逐漸摸清現(xiàn)階段需要解決的關(guān)鍵問題，因此研究點(diǎn)相對(duì)聚焦。如何保證能源的持續(xù)可靠、高效管理和利用是該階段眾多研究學(xué)者一致關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

接下來使用聚類功能對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析，可以獲得24個(gè)聚類主題詞，如圖9所示。從聚類圖可以看出，位居第一（#0）的聚類標(biāo)簽為smart homes，結(jié)合表3詳細(xì)信息容易發(fā)現(xiàn)部分聚類結(jié)果可以合并，即排在第18位的聚類標(biāo)簽smart home與smart homes一致，第#8、#9、#12三個(gè)關(guān)于IoT的聚類同樣可以合并，因此這兩類標(biāo)簽類別分別合計(jì)含有69項(xiàng)、96項(xiàng)關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)，分析可知關(guān)于smart home（智能家居）和IoT（物聯(lián)網(wǎng)）的聚類占據(jù)總關(guān)鍵詞數(shù)的24%以上，即這兩個(gè)技術(shù)方向是全球?qū)W者最為關(guān)注和集中研究的領(lǐng)域。

圖9 關(guān)鍵詞聚類結(jié)果示意圖

表3 關(guān)鍵詞聚類詳細(xì)信息

2.3.2 智能家居領(lǐng)域研究高被引論文分析

分析論文共被引次數(shù)，通過CiteSpace可以獲得引用頻次的圖譜結(jié)果（如圖10所示），可以看到高被引的排行前三的論文分別來自Zhou B（湖南大學(xué)，2016）、Al-Fuqaha A（西密歇根大學(xué)，2015）和Gubbi J（墨爾本大學(xué)，2013）。分析這三篇論文可知（論文詳細(xì)信息參考表4），Zhou B等學(xué)者[14]深入研究了智慧家庭能源管理中的諸多問題，并提出整體的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，從而有效降低家庭能源消耗；Al-Fuqaha A等學(xué)者[15]重點(diǎn)關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)該領(lǐng)域使能技術(shù)、協(xié)議和應(yīng)用以及彼時(shí)的難點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，同時(shí)闡述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與其他新興信息技術(shù)如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、霧計(jì)算等相關(guān)技術(shù)之間的聯(lián)系；Gubbi J等人[16]則重點(diǎn)研究了云架構(gòu)下的IoT實(shí)現(xiàn)方式和技術(shù)挑戰(zhàn)。

表4 前五位高被引論文匯總表

圖10 論文共被引結(jié)果

從高被引文獻(xiàn)[17-23]再次可以看出，智能家居領(lǐng)域的能源管理、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能家居的融合等問題受到全球?qū)W者的關(guān)注，可以預(yù)見未來智能家居或許會(huì)以家庭智慧能源管理解決方案為基礎(chǔ)，提供全屋持續(xù)的智能化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)可靠和綠色節(jié)能的居住體驗(yàn)。

3 結(jié)論

文章通過對(duì)近十年智能家居領(lǐng)域的論文數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和計(jì)量分析，結(jié)果顯示智能家居在全球受到廣泛的關(guān)注，其中以中、美兩國(guó)為代表引領(lǐng)全球智能家居技術(shù)發(fā)展，主要研究成果來自華盛頓州立大學(xué)以及中國(guó)科學(xué)院等機(jī)構(gòu)，涵蓋智慧電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等方向。

同時(shí)，文獻(xiàn)分析結(jié)果顯示，近十年人工智能技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用有待進(jìn)一步提升，技術(shù)成熟度仍然較低，需要各國(guó)學(xué)者的通力合作與推動(dòng)。相反，智慧能源系統(tǒng)和家庭能源智慧管理領(lǐng)域是十年來各國(guó)專家學(xué)者研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，并得到持續(xù)的關(guān)注。

隨著各主要國(guó)家碳排放政策的推動(dòng)，可以預(yù)計(jì)未來針對(duì)智能家居領(lǐng)域的智慧電網(wǎng)、智慧能源管理等技術(shù)的研究將會(huì)越來越受到重視，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的投入將會(huì)逐漸增多，這將是下一階段智能家居技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。