基于CiteSpace的建設項目數字孿生研究熱點與前沿分析

摘要：通過檢索Web of Science、中國知網（CNKI）數據庫中2018—2024年2月建設項目數字孿生的相關文獻，利用CiteSpace軟件和文獻計量學方法對建設項目數字孿生研究主體、研究熱點、研究前沿進行可視化分析并繪制知識圖譜。研究結果表明：國內外建設項目數字孿生共同的研究熱點包括智能建造、物聯網等；國內研究熱點主要集中在智慧城市和建設管理等方面；研究前沿主要為數字孿生下的建設項目管理，主要包括運營維護管理、生命周期管理、風險管理和資產管理。

關鍵詞：建設項目數字孿生；CiteSpace；研究熱點；研究前沿

0 引言

數字孿生是一種以數字化技術構建現實世界中物理實體的仿真模型，借助大量實時數據模擬物理實體在現實環境的全生命周期過程，通過一系列信息手段擴展物理實體綜合性能的創新技術^[1]。目前，數字孿生技術領域已有一些研究成果。國際上，學者們對數字孿生技術進行了大量的研究探索，如Rios等^[2]從工業化角度回顧數字孿生技術的起源和發展歷程，認為在未來的工業化發展歷程中數字孿生技術潛力巨大，應用前景十分廣闊；Tao等^[3-4]在以往的大型研究基礎上，重點研究如何生成和使用融合的網絡物理數據以更好地服務于產品生命周期，從而推動產品設計、制造和服務變得更加高效、智能和可持續。在國內，莊存波等^[5]介紹了產品數字紐帶與數字孿生體的內涵，從產品全生命周期的角度分析產品數字孿生體的數據組成、實現方式、作用及目標，提出產品數字孿生體的體系結構；李柏松等^[6]從管道設計、調度優化、管道設備運行維護、管道全生命周期管理4個方面分析數字孿生在油氣管道中的應用前景；周有城等^[7]從智能產品的模塊特性出發，基于數字孿生技術改善現有系統功能模型的構建方法，創建信息和物理雙向反饋的交互體系，大幅提升了創新設計系統的效率。國內有關數字孿生與城市建筑、基礎建設管理相結合的研究也有許多不同的思路^[8-11]，為建筑業的發展提供了可能性。

長遠來看，數字孿生技術的研究與發展與建筑業的創新進步密不可分，也為人類未來探尋未知科學領域提供了途徑與方法。因此，對建設項目數字孿生領域的研究成果進行科學分析，從而識別數字孿生領域的研究熱點、研究前沿，對推動我國建筑行業的創新發展具有重大意義。然而，從目前文獻計量角度來看，缺乏對建設項目數字孿生研究動態的分析與歸納，不利于整體把握建設項目數字孿生的研究現狀和發展趨勢。基于此，本文以2018—2024年2月建設項目數字孿生的相關文獻為研究樣本，采用文獻計量的研究方法，分析建設項目數字孿生相關文獻的時間分布及增加量，以及研究熱點、研究前沿與發展趨勢，并與我國有關政策相結合，以幫助相關研究者掌握該領域的研究方向。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文利用軟件對Web of Science核心合集及CNKI數據庫中與建設項目數字孿生相關的文獻進行多角度分析。分別在Web of Science中以“digital twin”“project construction”為關鍵詞、在CNKI中以“數字孿生”“建設項目”為關鍵詞進行高級檢索，并以期刊為檢索條件。因其最早研究出現于2018年，所以時間選取為2018—2024年2月，共檢索出336篇有效文獻。除去國際會議論文、報道及與研究主題不符的相關研究，篩掉重復、無用的文章后重新整理，共獲得331條文獻數據。所得文獻記錄均包含作者、標題、參考文獻等信息。

1.2 研究方法

科學引文可視化分析方法主要通過CiteSpace軟件來實現。CiteSpace是美國德雷克塞爾大學信息科學與技術學院教授于2004年9月開發的一款基于Java語言環境的引文分析信息可視化軟件。利用CiteSpace的可視化分析技術對建設項目數字孿生領域的文獻進行計量描述，基于共詞分析、聚類分析及共被引分析等方法繪制可視化知識圖譜，以探尋建設項目數字孿生領域的研究熱點和前沿動向。

2 研究主體分析

2.1 發文量

分別對從Web of Science和CNKI篩選出的共331篇文獻的發文年份進行分析，2018—2024年2月建設項目數字孿生研究文獻數量分布圖如圖1所示。由圖1可知，從2018年到2023年，建設項目數字孿生研究文獻的數量總體呈上升趨勢。2018年，這一新興領域開始受到學術界的關注，接下來的幾年，建設項目數字孿生的研究熱度不斷上升。2018年和2019年，由于剛剛進入起步階段，共發表不到20篇相關文章。2021年，發文量快速增長，達到54篇。2022年，建設項目數字孿生研究文獻數量迅速增加，共計109篇，表明建設項目數字孿生研究逐步成為研究熱點。2023年，發文量為113篇，逐漸趨于平穩。

2.2 國家合作程度

國家合作知識圖譜如圖2所示。可以看出，以美國、德國、中國、英國為代表的國家已對建設項目數字孿生展開研究，中國、美國、英國、西班牙等國家已展開合作研究，建設項目數字孿生研究逐漸形成國際合作趨勢。近年來，數字孿生研究成果不斷，各國政府在戰略政策上的支持也是這些國家在數字孿生研究領域領先全球的根本。其中，美國作為最早提出數字孿生概念并大力發展此技術的國家，在該領域影響力卓越。

2.3 機構合作程度

國際科研機構合作知識圖譜如圖3所示。可以看出，各科研究機構以地區為劃分，局部范圍有初步合作，如英國的劍橋大學、倫敦大學、帝國理工學院，美國的賓夕法尼亞州立大學、俄亥俄州立大學等，但仍處于相對獨立的研究階段，發文量并未形成一定規模。機構之間的合作主要是以“高校-高校”的形式存在，特別是在英國和美國的科研機構合作中這種形式表現較為常見。

國內科研機構合作知識圖譜如圖4所示。可以看出，出現頻次較高的國內科研機構有中國工程院、南開大學商學院、中國石油大學、中國信息通信研究院等，其中，同濟大學、東南大學和華中科技大學等建筑實力較強的高校之間的合作關系較為密切，表明我國研究數字孿生的機構以一些理工類的大學為主，且高校與企業之間也有一定的合作關系。合作單位多為同一地區的同類型機構，各大科研機構之間跨領域、跨地區的合作交叉程度有待進一步提高。

3 研究熱點分析

在CiteSpace中設置節點類型為keywords，國內與國際建設項目數字孿生研究文獻時間切片范圍均為2018—2024年2月，網絡剪裁方式為Pruning Sliced Networks。將Web of Science核心合集數據庫及CNKI數據庫中的文獻數據導入，合并刪減同義詞和近義詞，最終得到國內和國際建設項目數字孿生文獻研究的關鍵詞頻次及中心度列表。國際研究文獻熱點詞匯列表前10見表1，國內研究文獻熱點詞匯列表前10見表2，國際研究關鍵詞共現圖譜如圖5所示，國內研究關鍵詞共現圖譜如圖6所示。

國際建設項目數字孿生研究文獻關鍵詞共現圖譜顯示的節點數量為N=164個，關鍵詞之間的連線數E=431，網絡密度為0.032 2；國內建設項目數字孿生研究文獻關鍵詞共現圖譜顯示的節點數量N=200個，關鍵詞之間的連線數E=418，網絡密度為0.021。提取關鍵詞中的名詞性術語對關鍵詞聚類進行命名，得到主題聚類。其中，國際建設項目數字孿生研究包括7個主題聚類，國內包括11個主題聚類。

從圖5可以看出，國際建設項目數字孿生研究從2018年開始，主要聚焦于模型構建，且集中在3D打印、經濟效率等領域。此后，數字孿生的研究方向逐漸轉向智能制造領域。自2019年起，關鍵詞明顯增多，新增的關鍵詞主要有information virtual reality、internet of things等，表明國際建設項目數字孿生研究逐漸與大數據、AR、物聯網技術相結合，并與工業4.0戰略體系開始融合。2010年，較為顯著的新增關鍵詞有artificial intelligence、BIM、design，表明人工智能、BIM技術的進步為建設項目數字孿生的發展提供了空間，數字孿生在理論模型、設計仿真方法等方面的研究開始引起學者們的關注。數字孿生開始在建設項目設計上得到應用，同時建設項目數字孿生理論框架開始形成，逐步向更成熟的理論邁進。2021年，新增的關鍵詞為intergation、facility management、systematic literature review（slr） ，這表明建設項目數字孿生開始進入成熟階段，開始出現綜述性文章。2022年，出現了machine learning、optimization等關鍵詞，這表明建設項目數字孿生開始優化性研究并與機器學習相結合。2023年，關鍵詞為intelligent construction，表明研究熱點為智能建造。

由圖6可以看出，國內建設項目數字孿生研究于2019年開始。2020年，文獻發表數量開始增長，研究熱點逐漸擴展，出現物聯網、智慧城市等關鍵詞，大量學者已經開始關注城市建設領域，建設項目數字孿生開始與智慧城市建設聯系起來，城市建設逐漸走向新階段；2021年，出現智慧工地、數字化、信息化等關鍵詞，表明建設項目數字孿生開始與大數據、互聯網相結合，協助加速我國建設發展；2022年，研究文獻發表數量急劇增長，出現水利工程、施工管理、智慧建造等關鍵詞，表明建設項目數字孿生開始應用于實際建設過程；2023年，出現數據底板、運行管理、風險管控等關鍵詞，表明建設項目數字孿生開始應用于建筑安全檢測、風險管理等方面。

4 研究前沿分析

為分析建設項目數字孿生的研究前沿，將Wes of Science數據導入Citespace，得到建設項目數字孿生文獻共被引聚類圖譜（圖7）。聚類標簽是Citespace利用LLR算法從施引文獻的標題中提取而來的，該標簽可以代表整個聚類，因此可以將其看作建設項目數字孿生領域的研究前沿。參數設置如下：節點類型選擇Cited Reference，其余參數不變。得到如圖7所示的建設項目數字孿生文獻共被引聚類圖譜。節點數量N=186，連線數量E=502，Q值= 0.799 4，S值=0.913 2，其中S值表示聚類平均輪廓值，一般認為Sgt;0.5聚類是合理的，Sgt;0.7聚類是令人信服的。圖中S值均接近1，因此聚類是合理的。

文獻共被引圖譜六大聚類表見表3。從表3可以看出，其對應的主題聚類名詞分別為Asset management（資產管理）、Operation and maintenance management（運維管理）、Industrial Internet（工業互聯網）、Reconfigurable machine tools（可重構機床）、IOT（物聯網）、Data analytics（數據分析）。分析這些聚類不難看出，互聯網仍然是數字孿生的重要部分，如云計算、數據分析、物聯網等詞重復出現在多個聚類及標簽中。

結合以上建設項目數字孿生研究前沿分析可知，該領域研究趨勢主要為數字孿生下的建設項目管理，主要包括運維管理、生命周期管理、風險管理、資產管理。目前，數字孿生在建設項目管理中的應用尚未深入，只停留在概念和探討可能性階段。

5 結語

建設項目數字孿生是近年來全球興起的研究熱點，目前仍處在初步研究階段，缺乏系統的理論與政策，從規劃、建設、管理、運營的全生命周期來系統引導的法律性、制度性框架還比較欠缺。尤其是如何科學引導數字孿生貫穿規劃決策、監測運營、實施評估等全過程配套政策的支持還比較欠缺，也由此帶來數字孿生體系框架缺失、模型構建方法匱乏等一系列問題。國際研究文獻熱點詞匯中，system（系統）理論與framework（框架）構建是未來研究趨勢。同時，也要正視當前數字孿生技術的局限性，根據城市的社會經濟發展水平和實際場景需求統籌規劃建設，找到智慧解決方案與技術保障方案之間的成本平衡點。

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收稿日期：2024-03-01

作者簡介：

王秋平（1986—），男，高級工程師，研究方向：工程管理。