基于知識圖譜的應急救援定位技術研究可視化分析

孔令謙 郭芷含 張丁然 張云明副教授

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

0 引言

應急救援一般指針對突發、具有破壞力的緊急事件采取預防、預備、響應和恢復的活動與計劃。應急救援定位技術作為應急救援系統的重要組成部分，在保障救援人員人身安全的同時，能夠提高應急救援效率。當前，國內外學者對室內外定位技術進行了廣泛而深入的研究，但實際應用到消防救援中的實例很少，國內有關應急救援定位領域的綜述類文獻相對較少，導致人們對該領域的直觀認識不足。科學知識圖譜作為一種可視化工具，可以展現出學科領域的前沿熱點及整體知識結構。文章以CiteSpace作為研究工具，對CNKI數據庫中相關研究文獻進行可視化分析，挖掘知識結構及前沿熱點，研究該領域的研究現狀，以期對我國應急救援定位技術領域的發展有一個更為清晰的認識。

1 研究方法與數據來源

以CNKI中的“中國學術期刊網絡出版總庫”“中國博士學位論文全文數據庫”“中國優秀碩士學位論文全文數據庫”和“國際會議論文全文數據庫”4個數據庫作為來源，根據應急救援定位技術研究相關文獻特點，選擇“應急救援”“消防”及“定位”為檢索關鍵詞，檢索表達式為(SU=‘應急救援’OR SU=‘消防’)AND SU=‘定位’，檢索時間范圍為：2001-2020年。檢索共得到1 265篇文獻，對數據進行合并、清洗等預處理后，確定有效文獻700篇。將數據導入陳超美教授開發的CiteSpace可視化軟件，對樣本文獻進行可視化分析，總結該領域的研究現狀及發展趨勢。

2 應急救援定位研究的基本情況

2.1 文獻產出分析

年度文獻產出是反映應急救援定位研究發展的重要指標，是展示其發展程度的重要窗口。從圖1可以看出，該領域近20年論文產出總體呈上升趨勢。其中2001-2005年每年文獻產出量都低于10篇，為該研究領域的萌芽期；2006-2009年文獻產出量有所增加，為初步增長期；2010-2012年發文量為年均40篇，呈較快增長趨勢，為該領域的過渡期；2013-2020年產出量雖有波動，但發文量總體在較高水平，為該領域的蓬勃發展期。2015年文獻產出量劇增，達到峰值73篇。自2018年應急管理部組建到新冠疫情席卷的2020年，該領域3年的發文量已超過2001年-2010年的文獻總量，顯示該領域研究從穩步增長到快速突破的發展過程。

圖1 2001-2020年國內應急救援定位技術研究的年代分布Fig.1 The chronological distribution of the domestic emergency rescue positioning technology research from 2001 to 2020

隨著應急管理部組建及新冠疫情的成功應對等標志性事件的發生，應急救援研究得到學者們的高度重視。應急救援中的定位技術一直是持續研究的熱點領域，并已有較強的研究基礎，該領域也可能面臨著新的突破。

2.2 作者合作網絡分析

通過對發文作者的分析，可識別出研究領域的核心人物，研究領軍學者所產出的文獻，進而了解該研究領域的研究前沿。在CiteSpace中，將2001-2020年的數據以1年為1個切片切分，生成作者共現網絡圖，如圖2。圖2中共有427個節點，200條連線，合作密度為0.002 2，其中團簇代表團隊，節點表示作者，連線表示作者間的合作關系，姓名的大小與發文量成正比。不難看出，我國應急救援定位技術研究領域發文量較多的有李強、楊剛、朱士玲等學者。從整體來看，作者之間連線較少且合作群體相對分散，這說明作者及不同群體之間缺乏合作，在未來還需要進一步加強合作共享。

2.3 機構合作分析

學科的未來發展走向與該學科的主要發文機構有著緊密聯系，分析論文高產出量的機構，可以了解學科目前的主要科研力量及發展動向。為探究研究機構的分布情況，將網絡節點設置成“Institution”，繪制機構分布圖，如圖3。其中節點代表研究機構，節點大小與發文量成正比，節點間的連線反映機構之間的合作關系。從圖3中可以看出，2001-2020年節點數量為312，兩兩間的合作為94次。圖譜中節點大多以孤立形式存在，研究機構分布較為分散，合作并不密切，這說明我國該領域沒有形成成熟的學科研究共同體，不利于該領域的深度研究。

發文量排名前10的研究機構中，中國人民警察大學(原武警學院)是該領域論文產出最多的機構，其次是中國礦業大學(北京)、上海消防研究所、西安郵電大學、吉林建筑大學、中國地震局、中國地震應急搜救中心、上海交通大學、西南科技大學和中國建筑科學研究院。從單位性質來看，消防系統和企業發文量較少，高校是該領域研究的中堅力量。同時機構的論文整體產出量不多，不同類型的研究機構合作有待加強，高校及其附屬研究機構更注重于理論研究，這說明對該領域的重視程度特別是實戰研究有待進一步加強。

2.4 關鍵詞研究可視化分析

關鍵詞是對文章觀點及核心內容的高度概括，通過統計分析樣本文獻的關鍵詞，可以得出一個研究領域的熱點。在CiteSpace中，對2001-2020年以每2年為1個切片，繪制關鍵詞共現圖譜，如圖4。

圖4中關鍵詞節點大小與出現頻率成正比，連線代表關鍵詞的共現關系，即這些關鍵詞在同一篇文章中出現。“應急救援”“地理信息系統(Geographic Information System，GIS)”“消防”“全球定位系統(Global Positioning System，GPS)”“紫蜂(ZigBee)”等節點較大，說明其出現次數較多，說明定位方式及技術應用的研究是近20年國內應急救援定位技術領域的熱點。整理頻次大于9的關鍵詞，見下表。其中將GIS同義概念進行合并處理。

表 頻次大于9的關鍵詞Tab. Keywords with frequency greater than 9

將關鍵詞共現分析以Timezone的形式展現，如圖5。通過時間序列劃分，將關鍵詞在不同時間段內呈現。在該領域的發展過程中“消防”“慣性導航”“GPS”“GIS”“ZigBee”等關鍵詞出現較早，基本集中在21世紀初。近幾年關注度較高的關鍵詞有“智慧消防”“消防機器人”“卡爾曼濾波”“室內定位”等，說明智慧消防、消防裝備定位、室內定位技術及算法成為該領域的新寵而備受關注，我國學者更加關注定位的應用場景、技術融合及定位算法創新的研究，而不再局限于單一技術及場景的研究。

圖5 關鍵詞動態前沿圖譜Fig.5 Dynamic frontier map of keywords

其中，“消防”“滅火救援”“礦井”“室內定位”“消防機器人”等可歸為定位應用研究；“GPS”“GIS”“藍牙”“RFID”“ZigBee”“UWB”“物聯網”等可歸為定位方式研究；“RSSI”“卡爾曼濾波”“信號到達時間(Time of Arrival，TOA)”等可歸為定位算法研究。它們指向知識基礎，體現應急救援定位技術領域的研究現狀，基于以上3個方面對我國應急救援定位領域研究進展進行梳理，未來發展趨勢主要集中在定位應用、技術融合、算法改進創新的研究中。

(1)定位應用。室內外定位對應急救援具有重要作用，目前應急救援場景中，定位技術主要針對應用場景及對象的研究。在室內火災等應急救援環境中，室內定位可以獲取救援人員及被困人員的位置，在保證人員安全的同時提高營救效率。

煤礦中的定位管理是災害救援的重要依據，在礦井等特殊環境中，對人員的精確定位是煤礦現代化建設的重要領域。如賀潔茹等提出基于UWB非對稱雙邊雙程測距(ADS-TWR)技術的礦井人員定位方案，達到CM級精度，實現井下人員的實時精準定位。

近年來國內外應對災害事件的實踐證明，先進的應急救援裝備決定著應急救援的成敗，科技發展促進先進技術在應急救援裝備上的應用，尤其是GPS、GIS等技術與救援裝備的結合，大大提高應急救援效率。先進救援裝備的準確定位是保證裝備的可靠性及提高救援效率的關鍵，如陳川等設計基于火焰識別與定位的智能消防炮系統，適用于滅火要求高的場合，無需大型計算機就可實現火災的智能識別及定位。

在應急救援場景中，無論是對于人員、裝備的定位，還是礦井等特殊環境中的位置跟蹤，不僅能提高救援效率，還能保證人員安全。不難看出，定位技術應用場景是該領域研究的一個重要方向。

(2)定位方式。由于應急救援場景定位環境的特殊性，目前主流定位技術無法滿足實際需求。GPS在戶外應用廣泛，基本解決戶外精確定位的問題，并在應急救援中得到應用。然而，常用室外定位技術在室內環境中精準度急劇降低，無法滿足應急救援的需求。目前針對室內定位已涌現出諸多定位技術，主要有GPS、紅外線、RFID、藍牙、WIFI、ZigBee等定位技術，它們各有利弊，尚無一種普適化的技術能夠滿足當前所有室內應急救援定位需求。通過閱讀關鍵詞圖譜關鍵節點文獻，可知目前我國學者對應急救援定位技術的研究逐漸由單一技術轉向對多源數據融合定位技術的研究。如張開生等基于ZigBee和RFID設計消防員定位系統，提高了定位精度，適用于室內火災等環境中對遇險消防員的定位。

國內外對單一定位技術應用的研究已較成熟，我國學者已在定位技術融合研究中有所建樹，融合多種技術，提高普適性是今后的研究熱點。

(3)定位算法。對于室內定位來說，定位效果不僅受到定位硬件的影響，定位算法對其也有較大影響。而目前常用定位算法大致分為2種，分別是基于測距的幾何定位方式以及基于RSSI的定位方式，前者主要包括TOA、信號到達時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)、信號到達角度(Angle of Arrival，AOA)，后者主要包括基于傳播損耗模型算法和基于位置指紋的定位算法。不同算法在成本、精度等方面各有特點，適用的場景也存在差異。

合理的運用定位算法，可以提高定位的可靠性。在運用算法降低定位誤差時，要盡量減弱環境的干擾，才能最大限度提高定位精度。不難看出，算法的改進創新，提高精準度是該領域未來研究的重要方向。

3 結論

本文通過文獻計量法和知識圖譜可視化分析，再結合具體文獻，對近20年應急救援定位領域的發展狀況等進行可視化分析，得出以下結論：

(1)從時間分布上看，該領域研究先后經歷萌芽期、初步增長期、過渡期、蓬勃發展期。2018-2020年的文獻產出量已超過2001-2010年10年的文獻總產出量，顯示從穩步增長到快速突破的發展過程，但文獻量與該領域的重要性不成正比，對該領域的重視程度有待提高。

(2)從作者合作網絡分析得出，作者及不同群體之間合作不夠緊密，該領域還沒有形成核心作者群。從機構合作網絡可看出，中國人民警察大學(原武警學院)、中國礦業大學(北京)、應急管理部上海消防研究所、西安郵電大學、吉林建筑大學、中國地震局、中國地震應急搜救中心、上海交通大學、西南科技大學和中國建筑科學研究院具有較高產出，高校是進行該領域研究的主要陣地，政府和企業研究力度明顯不足，各機構之間的合作有待加強。

(3)通過關鍵詞分析可知，該領域的研究熱點主要分布在定位技術應用、定位方式、定位算法方面。由于室內救援環境的特殊性，目前國內外在該環境中的研究尚未成熟。隨著5G等無線通訊技術的不斷成熟，未來應急救援定位技術研究會呈現出定位應用多元化、技術融合化、算法創新化的發展趨勢，該領域將朝著高精度、普適性的目標不斷發展，研究的深度和廣度將進一步提高。