虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的知識(shí)圖譜可視化研究

鄒全樂 趙佳佳 陳結(jié) 劉瑩 田世祥 郭正超

關(guān)鍵詞：安全科學(xué)；虛擬仿真；CiteSpace；可視化；文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)

安全是社會(huì)生產(chǎn)和發(fā)展的基本保障條件，安全科學(xué)滲透在眾多工程技術(shù)領(lǐng)域，涵蓋應(yīng)急救援、災(zāi)害控制、事故分析等多方面[1]。安全科學(xué)領(lǐng)域的信息化、自動(dòng)化學(xué)術(shù)研究逐漸受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。大批學(xué)者紛紛將信息科學(xué)運(yùn)用到安全科學(xué)領(lǐng)域的研究中，借助云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)推動(dòng)安全科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。其中，虛擬仿真以其獨(dú)特的沉浸性、交互性和多感性為安全科學(xué)領(lǐng)域的研究提供了多種創(chuàng)新思維與模式。安全科學(xué)與虛擬仿真的結(jié)合以其前沿性、交叉性和挑戰(zhàn)性，已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個(gè)特色鮮明，充滿生機(jī)和活力的工程科學(xué)領(lǐng)域[2-3]。近年來(lái)，虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)大量涌現(xiàn)，這些文獻(xiàn)中包含的信息能夠有效地展現(xiàn)安全科學(xué)領(lǐng)域中虛擬仿真的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)是采用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析各類學(xué)科發(fā)展中存在的數(shù)學(xué)規(guī)律，能客觀有效地反映學(xué)科領(lǐng)域中的發(fā)展動(dòng)態(tài)[4]。目前，已有學(xué)者利用CiteSpace 探究虛擬仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、職業(yè)教育、現(xiàn)代化礦山等領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)[5]，但目前還鮮有學(xué)者利用可視化技術(shù)對(duì)虛擬仿真在安全科學(xué)所涉及的各領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)而全面的分析。這方面的研究對(duì)于了解該領(lǐng)域的發(fā)展歷程，掌握其研究熱點(diǎn)意義重大。本文旨在采用CiteSpace對(duì)近24年以來(lái)虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)文量、研究學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵詞等進(jìn)行綜合分析，闡述該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)探討該領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容和研究方向等方面的發(fā)展演化，進(jìn)而提出該領(lǐng)域的未來(lái)研究重點(diǎn)，以期為安全科學(xué)的信息化研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究數(shù)據(jù)來(lái)自CNKI，初步篩查1998—2021 年間收錄的包含虛擬仿真、安全科學(xué)為主題的期刊文獻(xiàn)2 464篇，碩博論文812篇。通過人工剔除書評(píng)、簡(jiǎn)報(bào)等，最終得到2 842篇文獻(xiàn)作為本文的研究對(duì)象，極大程度上保障了數(shù)據(jù)來(lái)源的代表性。

1.2 分析方法

將篩選出的文獻(xiàn)以Refworks 格式導(dǎo)出，采用CiteSpace 6.1.R2繪制知識(shí)圖譜。首先將Refworks文檔導(dǎo)入CiteSpace軟件進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，然后設(shè)置可視化時(shí)間段，調(diào)節(jié)時(shí)間段切片長(zhǎng)度，設(shè)置g-index、Top N、Top N%等不同的演算方式和閾值，最后從研究學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹㈥P(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜、關(guān)鍵詞聚類與演化圖譜、關(guān)鍵詞突顯情況等多方面對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行綜合分析。

2 發(fā)文量時(shí)空序列分布規(guī)律

2.1 文獻(xiàn)發(fā)表趨勢(shì)分析

虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)文量時(shí)序特征能反映出該領(lǐng)域的發(fā)展歷程。虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域發(fā)文量時(shí)序分布特征如圖1 所示。由圖1 可知，1998—2005年年度發(fā)文量呈現(xiàn)逐步增加趨勢(shì)，但增勢(shì)較緩且數(shù)量較低，該階段可視為研究起步階段；2006—2015年整體發(fā)文量較起步階段有所提升，增長(zhǎng)趨勢(shì)較緩，年度發(fā)文量日益增加，該階段可視為基本發(fā)展階段；2016年以后，整體發(fā)文量較基本發(fā)展階段又得到了量的飛躍，該階段發(fā)文數(shù)量大且波動(dòng)明顯，可視為快速發(fā)展階段。

圖2為虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域研究學(xué)者的知識(shí)圖譜，圖中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的顏色與時(shí)間軸顏色相對(duì)應(yīng)。根據(jù)Price定律[6]，該領(lǐng)域內(nèi)的核心作者最低發(fā)文量為：

將虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域發(fā)文量大于2的學(xué)者定義為該領(lǐng)域的核心作者，圖2僅展示出部分具有代表性的核心作者。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，核心作者共計(jì)347 名，累計(jì)發(fā)文量為1 287篇，占總發(fā)文量的45.3%，非常接近Price 提出的50% 的閾值，說(shuō)明核心作者群已突顯。

從發(fā)文量來(lái)看，朱群雄、陳濤等學(xué)者具有較高的發(fā)文量；從學(xué)者合著群網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度：A1>A2>A3>A4>A5>其他合著群網(wǎng)絡(luò)。隨著時(shí)間的推移，合著群網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度有逐漸增加趨勢(shì)；從圖譜的整體情況來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)圖譜節(jié)點(diǎn)數(shù)為360，線路251條，網(wǎng)絡(luò)密度為0.003 9，整體網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度較低，說(shuō)明該領(lǐng)域作者合著強(qiáng)度較低。因此，研究學(xué)者之間需加強(qiáng)合作以促進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展。

2.3 機(jī)構(gòu)可視化分析

圖3為虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)的知識(shí)圖譜。由圖3可知，虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)類型是多元化的，包含高等院校、研究所、企業(yè)等。從研究機(jī)構(gòu)合作共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)圖譜節(jié)點(diǎn)數(shù)為304，路線為42條，網(wǎng)絡(luò)密度為0.000 9。研究機(jī)構(gòu)可視化合作網(wǎng)絡(luò)整體上零星分散，僅存在少數(shù)節(jié)點(diǎn)聯(lián)系密切，整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基本上沒有體現(xiàn)出復(fù)雜的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，這表明我國(guó)在該領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)之間的合作與交流還有很大的提升空間。權(quán)威機(jī)構(gòu)之間的相互合作是促進(jìn)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵因素[7]，其中以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等為核心的研究機(jī)構(gòu)合作圖譜較為緊密；中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等機(jī)構(gòu)和其他科研機(jī)構(gòu)也存在一些合作，但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單；另外還存在一些合作網(wǎng)絡(luò)不太顯著但具有較大的節(jié)點(diǎn)的機(jī)構(gòu)，如華中科技大學(xué)等，它們也是推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的不可或缺的力量。

3 熱點(diǎn)主題與未來(lái)研究趨勢(shì)分析

3.1 研究熱點(diǎn)分析

圖4為虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜。結(jié)合圖譜網(wǎng)絡(luò)與可視化界面數(shù)據(jù)可知，共現(xiàn)頻次較大的關(guān)鍵詞有虛擬現(xiàn)實(shí)（728 次）、虛擬仿真（293次）、應(yīng)用（95次）、實(shí)驗(yàn)教學(xué)（92） 、安全培訓(xùn)（83次）等。中介中心性較大的關(guān)鍵詞有虛擬現(xiàn)實(shí)（0.66） 、虛擬仿真（0.23） 、應(yīng)用（0.23） 、煤礦安全（0.14） 、安全管理（0.13） 等。基于關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜網(wǎng)絡(luò)、共現(xiàn)頻次、中介中心性等可視化信息，提出虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要體現(xiàn)在虛擬仿真應(yīng)用、礦山安全、安全管理、應(yīng)急管理等方面。為便于觀察該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的分布情況，對(duì)關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聚類分析。圖5為關(guān)鍵詞聚類圖譜。可視化界面參數(shù)顯示聚類模塊值（Q） 與聚類平均輪廓值（S） 分別為0.56與0.866 8。一般認(rèn)為：Q＞0.3，說(shuō)明聚類結(jié)果顯著；S>0.5，聚類結(jié)果是合理的；若S>0.7，意味著聚類結(jié)果令人高度信服[5]。綜上所述，圖譜聚類效果顯著且聚類結(jié)果是高度可信的。聚類標(biāo)簽顯示了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要為虛擬現(xiàn)實(shí)（#0） 、虛擬仿真（#1） 、安全培訓(xùn)（#2） 、應(yīng)急演練（#3） 、應(yīng)用（#4） 、可視化（#5） 、安全管理（#6） 、仿真（#7） 、物聯(lián)網(wǎng)（#8） 、建筑施工（9） 。聚類結(jié)果表明，虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要聚焦于安全培訓(xùn)、應(yīng)急演練、虛擬仿真應(yīng)用等方面。

3.2 研究熱點(diǎn)演進(jìn)分析

利用CiteSpace對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行基于時(shí)間序列的聚類分析，得到了虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域的10類研究熱點(diǎn)隨時(shí)間序列的分布特征，如圖6所示，從中提取主要聚類類團(tuán)及其主題如表1所示。

基于圖6和表1的關(guān)鍵信息，通過歸納分析得出虛擬仿真貫穿于安全科學(xué)領(lǐng)域的各方面。在宏觀上表現(xiàn)為以下三個(gè)方面：第一，虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)研究，如虛擬仿真數(shù)學(xué)模型研究；第二，虛擬仿真系統(tǒng)的構(gòu)建，如人員培訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建；第三，虛擬仿真的實(shí)際工程應(yīng)用，如漫堤預(yù)警。

3.3 前沿?zé)狳c(diǎn)分析

選取CiteSpace的burstness模塊對(duì)關(guān)鍵詞突顯情況進(jìn)行分析，如表2所示。表2中虛線框標(biāo)注的時(shí)間軸代表了對(duì)應(yīng)年份關(guān)鍵詞有突顯且在紅色段關(guān)鍵詞較為活躍。關(guān)鍵詞的突顯強(qiáng)度越大，其影響力越大，突顯起始年份越早，該方向越早受到人們的關(guān)注。由關(guān)鍵詞突顯時(shí)間分布情況可知，煤礦安全突顯的時(shí)間最長(zhǎng)，其次是突發(fā)事件，而煤礦、安全評(píng)價(jià)、應(yīng)急演練等關(guān)鍵詞具有相同的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)。安全教育、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、新工科、數(shù)字孿生等是近期突顯的關(guān)鍵詞；根據(jù)關(guān)鍵詞突顯強(qiáng)度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)教學(xué)突顯強(qiáng)度最大，其次為突發(fā)事件、安全教育、煤礦安全等。

基于關(guān)鍵詞共現(xiàn)、關(guān)鍵詞聚類以及關(guān)鍵詞突顯的分析結(jié)果，歸納總結(jié)虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域的未來(lái)研究重點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。第一，安全培訓(xùn)方面。一般傳統(tǒng)的安全培訓(xùn)模式在理論教學(xué)內(nèi)容上抽象化，在實(shí)踐教學(xué)上單一化、高成本，導(dǎo)致傳統(tǒng)的安全培訓(xùn)模式已經(jīng)無(wú)法滿足新工科背景下實(shí)踐型和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求，而虛擬培訓(xùn)帶來(lái)了一種全新的視野。第二，數(shù)字孿生方面。數(shù)字孿生是虛擬仿真的升級(jí)。虛擬仿真的重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)高仿真度，而數(shù)字孿生則是要達(dá)到虛實(shí)結(jié)合，甚至是以虛控實(shí)。在安全科學(xué)領(lǐng)域，數(shù)字孿生在安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、動(dòng)態(tài)仿真、故障診斷等方面具有很大的應(yīng)用潛力。

4 結(jié)論

虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究經(jīng)歷了起步階段、基本發(fā)展階段、快速發(fā)展階段等三個(gè)階段。隨著時(shí)間的推移，該領(lǐng)域發(fā)文量顯著提升，該領(lǐng)域具有較大的研究?jī)r(jià)值和潛力。合著群網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度隨時(shí)間的推進(jìn)逐漸增加，但整體網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度較低。科研機(jī)構(gòu)呈現(xiàn)多元化，但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)整體較為分散且簡(jiǎn)單。研究學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)之間的相互合作與密切交流仍有較大提升空間。虛擬仿真在安全科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的熱點(diǎn)聚焦在安全培訓(xùn)、應(yīng)急演練、VR技術(shù)運(yùn)用等方面，未來(lái)研究趨勢(shì)主要體現(xiàn)在安全培訓(xùn)、數(shù)字孿生兩個(gè)方面。