基于共詞知識圖譜的材料工程學科研究熱點及研究趨勢分析

張學召

（1河南科技大學圖書館，河南 洛陽 471023;2周口科技職業學院圖書館，河南 周口 466000）

1 研究內容

將材料學和焊接學兩門學科作為研究對象，以CSCD國內權威數據庫的作為數據源，采用計量學中的共詞分析方法，對1989～2013年材料學、焊接學等學科文獻的關鍵詞進行統計，并利用聚類分析、因子分析、多維尺度分析以及社會網絡分析等方法和相關軟件，構建這兩門學科的關鍵詞詞頻分布表、類團關系圖等，通過對所構建的兩個學科的共詞知識圖譜進行詳細比較對比，分析兩門學科的當前研究熱點、研究趨勢及前景。

2 研究方法及過程

2.1 數據來源

本文采用的數據來源于《中文社會科學引文索引》檢索系統。本文選取CSSCI1989～2013年收錄的期刊----鋼鐵研究學報和復合材料學報、電焊機和焊接技術做樣本，套錄該期刊文獻的所有題錄信息。具體方法：打開CSSCI 檢索界面，收錄年限選定為1989～2013，在［來源文獻］檢索界面的［期刊名稱］中分別輸入“鋼鐵研究學報、復合材料學報和電焊機、焊接技術”期刊刊名，［匹配］限定為“精確”，同時［每屏顯示］設定為50 條，套錄這些期刊在這一時期內文獻的題錄信息，然后將得到的數據分別整理后，分別得出在這一時期內材料學和焊接學題錄數據庫。然后通過利用C#自編的計算機程序，按照頻次由高到低排列，得到一個材料學和焊接學的關鍵詞排名，頻次總數分別是16 057個和21 622個。

2.2 數據處理說明

從兩個學科關鍵詞排序中分別截取一定頻次的關鍵詞，其中材料學關鍵詞截取詞頻大于22 次、焊接學關鍵詞截取詞頻大于50 次，由此，得出了兩個學科的99 個和102個高頻關鍵詞。再將這些類似性質的關鍵詞進行歸整，從而分別確定了兩個學科的80個和63個高頻關鍵詞表，將這兩個關鍵詞表（見表1-1、表1-2）作為共詞分析我國材料工程學科的基礎。

表1-2 63個高頻關鍵詞表

2.3 構造關鍵詞共詞矩陣

2.3.1 構造原始共詞矩陣

由于以上兩個學科選定的關鍵詞是材料工程學科論文中出現頻率最高的詞，它們代表了當前我國材料工程學科的研究熱點。為了能進一步更好地反映這些關鍵詞之間的關系，本論文對這些高頻關鍵詞作如下處理：在已建立的題錄數據庫中，利用自編的計算機程序分別對兩個學科確定的80 個和63 個高頻關鍵詞兩兩進行共詞檢索，經過統計分析，得到了一個80×80 的共詞矩陣（部分數據見表1-3）和一個63×63 的共詞矩陣（部分數據見表1-4）。

表1-3 80×80共詞原始矩陣（部分）

表1-4 63×63共詞原始矩陣（部分）

以上兩個表格中的共詞矩陣是一個相關、對稱矩陣，對角線上的數據為該詞出現的頻次，主對角線單元格的數據為兩個關鍵詞共同出現的頻次。

2.3.2 構造相關矩陣

本文在對兩個學科的原始矩陣進行包容處理時采取Salton 指數法，處理數據部分結果見表1-5和表1-6，Salton 指數法的計算公式為［3］：S=Nij/（Ni×Nj）1/2（3-1）。其中，Ni，Nj分別表示關鍵詞i和j的頻次，Nij表示關鍵詞i和j共現的頻次。

表1-5 80個高頻關鍵詞的相關矩陣（部分）

表1-6 63個高頻關鍵詞的相關矩陣（部分）

以上兩個表格相關矩陣中的數字為相似數據，數字的大小表明了相應兩個關鍵詞之間的距離遠近，數值越大則表明關鍵詞之間的距離越近，相似度越好；反之，數值越小則表明關鍵詞之間的距離越遠，相似度越差。

2.3.3 構造相異矩陣

由于相關矩陣中的‘0’值過多，統計時容易造成誤差過大，為了方便進一步處理，兩個學科相異矩陣的部分數據詳見表1-7和表1-8。

表1-7 80個高頻關鍵詞的相異矩陣（部分）

表1-8 63個高頻關鍵詞的相異矩陣（部分）

以上兩個表格相異矩陣中的數據，正好與相關矩陣相反，數值越大則表明關鍵詞之間的距越遠，相似度越差；反之，數值越小則表明關鍵詞之間的距離越近，相似度越好。

2.4 聚類方法與聚類圖

具體方法：在SPSS17.0 軟件界面中輸入要分析的相異矩陣，然后選擇［分析］——［分類］——［系統聚類］進行聚類分析。聚類方法選擇組間距離法；度量標準--區間選擇共詞聚類分析中最常用的歐氏距離（Euclideandistance）。

3.5 構建類團關系圖

類團關系圖主要用連線的粗細來明確類團間的關系強弱，類團間的關系強弱以連線的粗細來表示，兩個類團之間的連接線就越粗，說明他們之間的關系的關系越強，反之則亦然［4］。具體方法是首先計算出各個類團的內部聯系強度與其外部聯系強度，然后利用先進的社會網絡分析軟件pajek 繪制出兩個學科的類團關系圖。通過對兩學科類團的形成、演化、新增及消失的過程研究，動態地揭示我國材料工程學科的研究的現狀、熱點及發展。

3 研究結果與分析

3.1 總體狀況描述

材料學科（以鋼鐵研究學報和復合材料學報為代表）從1983年到2013年共有9 302 篇論文，每種期刊年均155.03 篇，平均每篇論文的關鍵詞數為1.73 個。經過規整、縮減后，這一階段頻次不小于22次的高頻詞共80個，其中，復合材料、力學性能、顯微組織、有限元分析、層合板、數值模擬等出現200次以上，說明網絡環境下以復合材料為核心的材料性能分析是這一階段的研究熱點，具體分析內容主要體現在材料的力學性能分析、有限元分析、數值模擬分析等方面。

焊接學科（以電焊機和焊接技術為代表）從1984年到2013年共有11 778 篇論文，每種期刊年均196.3 篇，平均每篇論文的關鍵詞為1.84個。這一學科（焊接學科）論文總數與材料學科相比基本持平，但是篇均關鍵詞數卻略有上升。經過規整、縮減后，這一階段頻次不小于50次的高頻詞共63 個，與材料學科相比，焊接工藝以2 368次居于首位，焊機、焊縫、焊接電源、焊接控制、焊接質量、焊接電流、電焊、埋弧焊、焊條等是出現200 次上的高頻詞，可見，在該學科目前的主要研究熱點是焊接設備、焊接工藝、焊接工業參數等方面。這些方面的研究直接決定或影響到焊接質量和焊接效果，這也與生產實際緊密結合，充分體現了這一學科的實踐性。

3.2 研究主題的異同

從材料學科形成的聚類圖可以看出，我國材料學科的主要熱點研究領域、研究主題、研究熱點可以總結為以下幾個方面：

3.1.1 材料工藝、參數研究

這方面的研究是我國材料學科研究領域研究成果最豐碩的部分之一。該類團群主要包括“材料熱處理類團”“材料工藝性能研究類團”兩個類團。在該階段，從關鍵詞聚類分析結果來看，隨著有計算機技術、數據/值模擬仿真技術及材料熱處理技術的發展。材料學科研究動態主要表現在以下兩個方面：第一，材料分析、材料加工更加精準化。第二，材料熱處理參數、方法始終是材料學科發展的重點。

3.1.2 工程材料研究

工程材料研究始終是材料學科研究的主要方向。工程材料類團群主要包括金屬材料類團、非金屬材料類團、復合材料類團。金屬材料類團一直是材料學科發展的主流，各種有色金屬它們是現代各種機器零部件的生力軍，它們為材料學科的發展奠定了基礎。復合材料類團的研究是材料學科發展的延續和補充。在現當代化生產中，隨著對材料性能需求的日益提高，單純的金屬材料性能已經不能滿足各類機器零部件的使用要求，為此復合材料的研究被材料學家們納入了研究領域，并且自從復合材料進入研究領域開始，到現在，乃至未來，復合材料的研究都將經久不衰，這一點從關鍵詞詞頻分布都可以看出：復合材料出現的頻次排列第一、層合板、金屬基復合材料、高溫合金、陶瓷基復合材料、復合材料結構等關鍵詞的都屬于這一類團，并且頻次分布也很靠前。

3.1.3 材料性能缺陷研究

材料性能缺陷研究也是我國材料學科乃至全世界材料學科研究的主題。這一研究類團群主要包括材料加工方法類團和材料缺陷類團。材料缺陷類團包含的關鍵詞主要有：疲勞、裂紋、磨損、斷裂、夾雜物等，這些關鍵詞頻次的分布在本研究統計中占有相當的比重，由此可以看出怎樣預防材料的各種缺陷，提高材料的加工及使用性能，至關重要。緊接著引出了材料學家們所關注的材料的加工類團（轉爐、電弧爐、熱軋、冷軋、軋制等）。雖然這一類團群的關注度不如工程材料研究，也不如材料工藝參數的研究。但是無論從各種工程材料來說，還是從各種材料的工藝參數研究來說其目的都是怎樣去避免材料的各種缺陷，從而提高和改善材料的加工性能、使用性能，達到人們生產加工的目的。

從焊接學科的聚類圖可以看出，我國焊接學科的主要熱點研究領域、研究主題、研究熱點可以總結為以下幾個研究方向：

3.1.3.1 焊接工藝參數研究。同材料學科一樣，焊接學科的焊接接工藝參數研究是本學科的研究主題和重點。在這一類團群中焊接工藝這一關鍵詞在頻次表中出現的次數達到了2 368 次，可見在焊接學科中，工藝參數研究所站的比重和地位。焊接工藝規范、焊接工藝參數、焊接手法等方面是這一類團研究的主題，而這一研究主題隨著焊接設備和焊接方法的不同焊接工藝亦有不同。

3.1.3.2 焊接類型方法研究。這一類團是一個大面類團，焊接類型和方法直接決定或影響焊接工藝、決定了焊接設備、焊接工具的選擇。這一類團的關鍵詞主要有：手工電弧焊、堆焊、焊接方法、激光焊接、攪拌摩擦焊、點焊、埋弧焊、釬焊、氬弧焊、氣體保護焊等。隨著焊接技術的發展及焊接質量要求的提高，該類團正朝著自動焊接、機器人焊接等自動化方向發展。

3.1.3.3 焊接工程、工具、材料研究。焊接工程、工具、材料這一類團群涉及焊接材料、焊接環境、焊接設備工具，從而間接地決定焊接方法的選擇、焊接工藝流程。這一研究類團，從各種焊接對象材料（管道、鋁合金、不銹鋼、奧氏體不銹鋼等）說起，涉及了焊接結構、焊接工程、工程建設及焊接應用。分析了焊條、藥芯焊絲的使用環境、使用方法等。這一主題類團的研究，是該學科研究的基礎，研究主題關鍵詞雖然詞頻分布沒有排在前列，但關鍵詞詞頻分布的范圍廣。未來該主題的研究將朝著細化焊接工具方向，具體可能以焊接工具研究所形式出現。

3.1.3.4 焊接質量控制研究。這一類團的研究主題是焊接學科研究的目的所在。不管焊接工藝如何合理、焊接方法如何選擇、焊機及焊接工具的選擇的多么具有針對性，其最終目的是獲得優質的焊接質量。在這一研究主題中，分析了各種焊接缺陷（裂紋、缺陷、變形等）各作者、學者提出了如何規避焊接缺陷的各種方法、技巧。目前這一研究主題隨著焊接材料的多樣化，生產要求的提高而日益嚴峻，機器人技術、自動焊技術的發展對焊接質量的提高起著決定性的作用，但其普及應用任重而道遠。

4 類團關系分析

確定了材料學科、焊接學科類團后，就可以研究各學科類團間的相互關系，找出哪些類團是核心類團，它與其他類團之間聯系密切；哪些類團是非核心類團，它與其他類團之間聯系疏松；哪些類團與其他任何類團都沒有任何關系，屬于相對獨立類團。為此，筆者根據各類團之間的內、外相互關系，利用pajek 軟件繪制出了既能反映自身類團的內部聯系強度又能反映這個類團與其他類團的外部聯系強度的類團關系圖（如圖1-1、圖1-2所示）。在圖中，類團的內部聯系強弱用節點的大小來表示，節點越大，表明該類團的內部聯系強度越小，反之，則相反；節點連線的顏色深淺和連線的粗細程度和表示兩節點間的外部聯系強度，兩節點間連線顏色越深、連線越粗，則表示兩類團之間的外部聯系強度越大，反之，則相反。

圖1-1 材料學類團關系圖

圖1-2 焊接學類團關系圖

5 結語

本部分研究采用共詞分析方法，利用聚類分析、先進的社會網絡分析方法和軟件Pajek，分別繪制出材料學科和焊接學科兩學科的聚類圖、類團關系圖，對兩個學科：材料學科和焊接學科研究主題進行了較為詳細的對比分析。通過分析對比得出兩個學科的發展變化特點：

5.1 材料學科和焊接學科都屬于工學學科，其發展研究主題存在共性

從兩個學科的研究主題來看，我國材料學科研究領域、研究熱點體現在復合材料、材料工藝參數研究、材料性能缺陷研究上，而焊接學科體現在焊接工程、工具材料、焊接工藝參數研究、焊接質量（缺陷）控制上。兩個學科之間研究主題框架基本一致，其目的都是為了滿足生產實踐，都是為了規避缺陷（材料缺陷、焊接缺陷），提升加工質量。

5.2 熱點研究領域顯現新特征

兩大學科的熱點研究領域各有新特征：材料學科的陶瓷基復合材料、鋁基復合材料、有限元分析、數值模擬等；焊接學科的自動焊技術、機器人技術等。

5.3 兩個學科研究范圍和內容具有一定的連續性、階段性、變化性

兩個學科不論是材料學科還是焊接學科都是從工程材料研究到工藝參數研究，最后再到性能缺陷研究，整個研究過程呈現出連續性、穩定性、階段性、變化性的特點。每個階段在各自基礎上由細化整體上呈現發展性。

［1］ 秦長江.基于共詞知識圖譜的人文學科研究熱點可視化的實證研究［J］.圖書館理論與實踐，2010（12）.

［2］ 陳祖香.面向科學計量分析的知識圖譜構建與應用研究［D］.南京理工大學，2010.

［3］ 王紅.我國圖書情報學科研究熱點分析［D］.河南科技大學，2009.