高速鐵路軌道工程的研究熱點與演化路徑分析

蔡超勛 鄭俊巍 楊笛晗 謝洪濤

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京100081；2.昆明理工大學建筑工程學院，昆明650500；3.昆明理工大學管理與經濟學院，昆明650093

近年來我國高速鐵路快速發展，通過引進、消化、吸收和再創新，掌握了高速鐵路CRTSⅠ、CRTSⅡ型板式及雙塊式無砟軌道設計、工程材料、建造技術等成套技術，自主研發了CRTSⅢ型板式無砟軌道結構及配套扣件，形成了具有自主知識產權的無砟軌道成套技術體系，并應用于印尼雅萬高速鐵路。

與此同時，高速鐵路軌道工程技術的研究也呈現快速增長態勢，成為高速鐵路領域中的學術研究熱點。對高速鐵路軌道工程中學術群體和合作關系、研究熱點與其演化規律進行深入剖析，有助于厘清高速鐵路軌道工程的研究脈絡。因此，本文以2010—2020年高速鐵路軌道工程領域中英文期刊論文為樣本，采用文獻計量與知識圖譜方法進行統計分析，針對上述問題展開研究，探究高速鐵路軌道工程近10年的研究熱點與演化路徑。研究結果可為高速鐵路軌道工程領域的學術研究提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法與分析工具

本文運用文獻計量的方法對檢索的有效文獻題錄數據展開分析，繪制與解讀知識圖譜結果。文獻計量就是運用數學、統計學的相關知識對某一研究領域進行量化統計分析，從而揭示研究領域分布與發展的宏觀規律，并預測其研究前沿［1］。知識圖譜是一種基于網絡的可視化技術，通過引文分析、共被引分析、共詞分析等技術顯示某一研究領域的發展趨勢、動態與圖景［2］。目前可用于文獻計量和繪制知識圖譜的工具有很多，本文使用CiteSpace軟件作為主要的分析工具，展開研究機構的合作分析，以表征研究機構的合作關系，同時通過關鍵詞共現和聚類分析探究研究熱點，最后結合關鍵詞突現分析研究領域的前沿變遷過程。

1.2 數據來源

本文統計的英文數據以Web of Science核心合集為數據庫，對文章標題（TI）中包含“high-speed rail*”或“high speed rail*”和“track”的文獻進行搜索，確定檢索式為TI=（high speed rail*or high-speed rail*and track*），共檢索到2010—2020年文獻147篇，最終剔除重復的、與高速鐵路軌道不相關及會議論文文獻等，得到與高速鐵路軌道相關的英文文獻139篇。

本文統計的中文數據來源主要來自中國知網（CNKI）數據庫，同樣以篇名中包含“高速鐵路”或“高鐵”且包含“軌道”進行組合搜索，限定文獻來源為EI來源、核心期刊、CSCD數據庫，初步得到2010—2020年文獻388篇。經篩選與剔除重復的、實際內容與高速鐵路軌道不符的文獻，且去除會議摘要、綜述、述評等不相關的文獻，最終得到與高速鐵路軌道相關的中文文獻373篇。

2 高速鐵路軌道工程領域論文數量及分布

2.1 學術論文發表趨勢

2010—2020年國內外期刊高速鐵路軌道研究領域發表論文趨勢見圖1。可知，2010—2020年中文期刊關于高速鐵路軌道的研究持續穩定在30～40篇∕年；國際期刊關于高速鐵路軌道的相關研究在2017年以前的發表數量低于10篇∕年，在2017年以后有了較快增長，主要體現為中國學者在國際期刊發文數量快速增長，至2020年仍在持續增加，說明中國學者已經成為高速鐵路軌道工程領域學術研究的核心力量。

圖1 2010—2020年國內外期刊高速鐵路軌道研究領域發表論文趨勢

2.2 研究機構合作與分布

機構之間的合作與交流，有利于推動研究的深入。本文針對高速鐵路軌道相關的中英文文獻分別展開研究機構的合作關系分析，得到高速鐵路軌道領域中的科研合作網絡，見圖2。在高速鐵路軌道研究領域，就中文文獻而言，西南交通大學、中南大學和北京交通大學三所高校均具有較高的發文量。除高校之外，一些實驗室與科研機構在高速鐵路軌道研究領域具有顯著的影響力。在英文文獻中，高速鐵路建造技術國家工程實驗室（National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction）發文量排名第四；在中文文獻中，中國鐵道科學研究院集團有限公司與中國國家鐵路集團有限公司分別排名第二與第五。

圖2 高速鐵路軌道研究機構的合作網絡

中心度反映了節點在網絡中的重要程度及關鍵位置［3］。其中，西南交通大學、中南大學具有較高的中心度，說明西南交通大學、中南大學在高速鐵路軌道研究的合作與交流較為突出，且大多與其他高校展開合作。中國鐵道科學研究院集團有限公司在中文文獻中的中心度同樣較高（0.21），主要與鐵路相關的各單位展開合作，如中國鐵路經濟規劃研究院、中鐵二院工程集團有限責任公司等。可見，近10年來，在高速鐵路軌道研究領域，研究機構主要集中于中國，學術合作也集中于中國各大高校或科研機構之間。

2.3 國際合作與分布

以高速鐵路軌道英文文獻為基礎，運用R程序繪制合作地理視圖，見圖3。顏色深淺代表發表數量的多少，紅色曲線代表各國之間的合作關系。其中中國發表高速鐵路軌道的文獻數量最多，為103篇。美國9篇，伊朗4篇，英國3篇。中國與美國、加拿大、英國等國家的學者之間存在合作關系。在英文文獻中被引次數較多的國家有中國（被引786次），葡萄牙（124次）、美國（73次）、西班牙（37次）。由此可見，中國學者在高速鐵路軌道研究領域具有較高程度的影響力，在這一領域處于領先地位。

圖3 高速鐵路軌道研究領域的合作地理視圖

3 高速鐵路軌道工程技術研究熱點

研究熱點是指某一時期內學者們共同關注的主題、議題或焦點［3］。關鍵詞是對研究主題的高度性概括，其頻次反映了這一領域的研究熱點［4］。通過對高速鐵路軌道中英文文獻的關鍵詞共現分析及聚類分析，可以呈現高速鐵路軌道工程領域的研究熱點及相應知識結構。

3.1 關鍵詞共現分析

高速鐵路軌道研究關鍵詞共現網絡見圖4。

圖4 高速鐵路軌道研究關鍵詞共現網絡圖

由圖4可見：

1）在中文文獻高速鐵路軌道研究中，無砟軌道、不平順性、板式無砟軌道、路基、動力響應等關鍵詞出現的頻次均在10次以上，其中無砟軌道與不平順性的中介中心性較高，體現了其在國內高速鐵路軌道研究領域中的關鍵地位。這表明在國內高速鐵路軌道研究領域中，針對高速鐵路無砟軌道的研究最多，如針對CRTSⅡ型和CRTSⅢ型無砟軌道的研究、雙塊式或板式無砟軌道的研究等。針對高速鐵路軌道不平順性的研究居其次，如基于軌道不平順的動力響應問題、軌道控制網測量問題、軌道平順性評價等。

2）在英文文獻高速鐵路軌道研究中，train（列車）、ground vibration（地面振動）、slab track（板式軌道）、load（荷載）等關鍵詞出現的頻次較高，且performance（性能）、ground vibration（地面振動）、behavior（行為）、system（系統）等關鍵詞的中介中心性較高，體現了國際上高速鐵路軌道研究領域側重高速鐵路軌道的動力性能、振動影響、動力響應行為等方面的研究，尤其是關于地震影響模型、動力響應、性能變化、車輛荷載影響等方面的研究。

3.2 關鍵詞聚類分析

運用CiteSpace軟件對高速鐵路軌道研究進行關鍵詞聚類分析。結合相關文獻，發現中文文獻關于高速鐵路軌道研究主要圍繞無砟軌道、不平順性、鐵路橋、路基、有砟軌道等12個聚類。主題按熱點分為：①高速鐵路無砟軌道，包括無砟軌道、板式無砟軌道、CRTSⅢ型板式無砟軌道、CRTSⅡ型板式無砟軌道等聚類，主要探討板式無砟軌道的動力學特性，CRTSⅠ型［5］、CRTSⅡ型［6-7］、CRTSⅢ型板式無砟軌道［8］的受力性能均有涉及；②軌道不平順性，包括不平順性、軌道隨機不平順等聚類，主要探討高速鐵路軌道平順性的檢測［9］、評估或綜合評價［10-11］，以及軌道不平順對高速列車運行的影響［12］；③檢測監測技術，包括解析模型、軌道電路、有限元分析、磨耗檢測等聚類，主要針對高速鐵路軌道的養護維修技術［13］、檢測監測方法［14］，以及運用有限元方法分析溫度場、高溫問題［15］，對高速鐵路鋼軌變形的原因解析［16］；④鐵路橋軌系統，包括鐵路橋、路基等聚類，主要探討高速鐵路路基動力響應［17］，以及不同類型鐵路橋梁對軌道的影響［18］。

在英文文獻高速鐵路軌道研究中，同樣有針對ballastless track（無砟軌道）、track irregularities（軌道不平順性）、track-bridge system（橋軌系統）等與國內高速鐵路軌道一致的聚類，另外還有curved track（曲線軌道）、high speed train（高速列車）、structural health monitoring（結構健康監測）等聚類。主題按熱點分為：①高速鐵路無砟軌道及不平順性，包括high-speed（高速）、track irregularities（軌道不平順性）、high speed train（高速列車）、ballastless track（無砟軌道）等聚類，如高速列車在無砟軌道上行駛引起的振動對軌道不平順性的影響［19］；②高速鐵路橋軌系統，包括rotation friction damper（旋轉摩擦阻尼器）、optimal modulus（最佳模數）、track-bridge system（橋軌系統）、simple support bridge（簡支橋梁）等聚類，如對高速列車、橋梁與軌道之間的相互作用影響展開探討［20］；③軌道檢測監測，包括track geometry data（軌道幾何數據）、computer vision（計算機視覺）、structural health monitoring（結構健康監測）等聚類，尤其是探討運用先進的技術手段對高速鐵路軌道進行檢測監測［21］；④軌道結構優化，包括curved track（曲線軌道）、model test（模型檢驗）、railway optimization（鐵路優化）、absolute stress（絕對應力）等聚類，如高速鐵路板式軌道路基性能的改善［22］。

4 研究熱點演化趨勢分析

研究前沿是研究領域中突然出現或正在發酵的新研究趨勢或方向，不同時期的研究前沿能夠體現研究領域的演進路徑。運用CiteSpace軟件進行“突現詞”檢測，探究高速鐵路軌道研究前沿及研究路徑。

4.1 中英文文獻中研究熱點的演化趨勢

關鍵詞突現圖譜見圖5。

圖5 高速鐵路軌道中英文文獻關鍵詞突現對比（Top 20）

由圖5可見：

1）中文文獻高速鐵路軌道研究領域得到換填厚度、軌道基準網、板式無砟軌道、動力響應等突現詞，依據突現時間排列，國內高速鐵路軌道研究的突現時間可分為：①在2010—2012年，軌道基準網的突現程度為4.49，換填厚度與板式無砟軌道的突現程度也均大于2，可見這些關鍵詞是這時期關注程度較高的研究主題；②2012—2016年，突現程度較高的關鍵詞有精度評定、動力響應、地震反應等，尤其是與高速鐵路軌道不平順性相關的精度評定的研究受到關注；③2016—2020年，鐵路橋、試驗研究、軌道精調等關鍵詞的突現程度均在2以上，可見高速鐵路軌道不平順性的研究仍然在持續，同時高速鐵路橋軌系統以及試驗研究引起了重視，側重關注高速鐵路不同系統之間的相互影響。

2）英文文獻高速鐵路軌道研究領域中關于train（列車）、dynamic analysis（動態分析）、ground vibration（地面振動）等關鍵詞的關注度較高，結合突現時間可分為：①2010—2014年，train（列車）的突現程度為3.62，dynamic analysis（動態分析）、vibration（振動）等關鍵詞在高速鐵路軌道英文文獻中的突現程度也較高，這一時期學者們較為注重高速列車、振動與軌道之間的相關性研究；②2015—2017年，突現程度較高的關鍵詞有ground vibration（地面振動）、soil medium（巖土介質）、wave propagation（波傳播）、critical speed（臨界速度）等，與國內高速鐵路軌道研究同樣關注軌道不平順性的問題，以及振動對軌道的影響：③2018—2020年，track geometry（軌道幾何）、fatigue（疲勞）等關鍵詞引起關注，更多地探究高速鐵路軌道檢測監測技術。

4.2 不同機構的研究熱點對比

運用“突現詞檢測”技術對高速鐵路軌道研究機構進行檢測，結合突現時間先后，在英文高速鐵路軌道研究相關文獻中，早期Heriot Watt University關注新型材料在鐵路軌道中的應用［23］。2014—2018年高速鐵路軌道平順性受到Tongji University關注［19］；對于高速鐵路軌道與路基系統受到的振動影響問題先后引起Zhejiang University和Tongji University的共同關注［24］；隨后有關高速鐵路軌道動力響應的問題引起重視，如橋墩差異沉降、地面分層沉降等引發的影響［25］。2017—2020年，Iran University of Science and Technology主要關注環境對于高速鐵路軌道運行的影響，如飛石、側向風［26］等。Shijiazhuang Tiedao University側重運用不同的先進方法對高速鐵路軌道性能進行檢測與評估［27］。Southwest Jiaotong University關注高速鐵路橋軌系統，如地震對橋軌系統的影響［28］、軌道的檢測監測方法［29］及軌道的動力性能［30］等。

從高速鐵路軌道研究的中文文獻可以看出，早期高校對于高速鐵路軌道的問題較為關注，如中南大學關注高速鐵路無砟軌道路塹基床的動應力問題［31］；河海大學則關注高速鐵路無砟軌道基準點的測量問題及處理方法［32］；東南大學更為關注高速鐵路無砟軌道的結構動力性能、溫度荷載問題［33］；浙江大學側重列車移動荷載對于高速鐵路軌道性能的影響［34］。隨著高速鐵路軌道研究的發展，一些單位從現場實際問題出發展開探討，如中鐵第一勘察設計院集團有限公司探討嚴寒地區高速鐵路路基無砟軌道的設計；中鐵二院工程集團有限責任公司同樣針對嚴寒地區探討高速鐵路軌道結構選型問題；中國鐵路設計集團有限公司（原鐵道第三勘察設計院集團有限公司）則關注高速鐵路軌道的優化設計問題，并有針對性地對高速鐵路軌道的技術問題提出解決方案。中國國家鐵路集團有限公司關注路基凍脹對高速鐵路軌道受力、平順性等的影響，以及高速鐵路鋼軌波磨問題［35］。

5 結論

本文采用文獻計量與知識圖譜方法對高速鐵路軌道工程領域2010—2020年間的中英文學術論文進行統計分析，得到如下結論：

1）目前我國學者已經成為高速鐵路軌道工程領域學術研究的核心力量，中國學者在高速鐵路軌道工程研究領域處于領先地位。

2）近10年高速鐵路軌道工程領域的研究熱點主要包括：高速鐵路無砟軌道及不平順性、高速鐵路橋軌系統、軌道檢測監測技術、軌道結構優化等。研究熱點演化趨勢分析表明：橋軌系統、軌道疲勞與損傷是最近3年的研究熱點，而試驗研究與數值分析是該領域當前主要的研究方法。