基于數據挖掘的大氣污染防治技術發(fā)展態(tài)勢分析

宣曉冬 周燦 姜山 鄭成航

（1 浙江省自然科學基金委員會辦公室 浙江杭州 310006 2 浙江大學國家環(huán)境保護燃煤大氣污染控制工程技術中心 浙江杭州 310027 3 中國科學院武漢文獻情報中心 湖北武漢 430071）

0 引言

隨著生態(tài)文明建設持續(xù)推進，我國大氣污染治理技術得到迅速發(fā)展，主要大氣污染物排放量呈下降趨勢，大氣重污染天數顯著減少，環(huán)境空氣質量總體改善［1-2］，但與人民期盼仍有差距，亟需提升大氣污染防治技術精細化水平，實現(xiàn)大氣防治從“通用技術”向“難特”“協(xié)同”技術轉型。例如散煤污染物治理技術，非電行業(yè)煙氣污染物治理技術，SO3、細顆粒物、重金屬等多種污染物協(xié)同脫除技術［3-5］；從“粗放”向“效能”轉型，例如節(jié)能技術改造、優(yōu)化運行、降耗技術［6］；從重點工業(yè)行業(yè)向全行業(yè)拓展延伸等［7-8］，大氣污染防治工作仍任重道遠。為此，亟需開展大氣污染防治技術發(fā)展態(tài)勢分析，為進一步明確我國大氣污染防治技術發(fā)展方向提供參考。

隨著各國對大氣污染問題的持續(xù)關注，重點工業(yè)源大氣污染防治技術研究不斷加強，發(fā)表科技論文數和申請專利數均顯著增加［9-11］。利用數據挖掘技術，全面分析該領域相關論文和專利情況，掌握研究及應用全局，是進一步發(fā)展的重要基礎。本文采用文獻計量分析方法，以Web of Science 核心合集數據庫中收錄的論文為文獻分析基礎數據，以Incopat 等專利數據庫為專利分析基礎數據，利用Incites 和VOSviewer 等分析工具進行數據挖掘和可視化分析，并結合產業(yè)與政策相關信息，厘清我國大氣污染防治技術領域發(fā)展現(xiàn)狀、聚焦研究熱點、審視研究局限、探明發(fā)展前景動向，為該領域的技術研發(fā)、產業(yè)發(fā)展、政策配套提供支持。

1 數據來源及分析方法

基于數據挖掘的研究熱點與前沿分析一般分為決策需求分析、檢索式構建、數據采集處理、數據可視化挖掘和成果分析5 個階段（圖1）。以Web of Science 核心合集SCI-EXPANDED 數據庫為來源進行文獻計量分析，檢索文獻日期2000 年1 月1 日至2019 年12 月31 日。通過對原始數據的檢索合并和清洗，共得到相關SCI 論文35 622 篇，結合Incites 和VOSviewer 評估分析工具，從學科分布、論文產出趨勢、國家和研究機構發(fā)文情況、研究熱點關鍵詞等方面進行分析。

圖1 基于數據挖掘的發(fā)展態(tài)勢分析流程

利用Incopat 等專利數據庫，對大氣污染物防治技術相關專利進行檢索和分析，利用關鍵詞設計檢索策略，檢索專利日期2000 年1 月1 日至2018 年12 月31 日。對檢索結果進行清洗、合并、去重，該領域共涉及專利計8 212 件，同族專利計5 028 件，結合專利分析工具，從專利產出趨勢、國家和研究機構申請情況等方面進行分析。

2 結果分析與討論

2.1 基于論文分析的大氣污染防治技術研究態(tài)勢

（1）主要研究學科分布。從大氣污染防治技術論文分屬的學科看，24.5%可歸屬環(huán)境科學與工程，16.6%屬化學工程，15.5%屬動力工程及工程熱物理，15.3%屬物理、化學，12.6%屬大氣科學，5.4%屬計算機科學與技術，論文還涉及材料科學與工程、經濟學、醫(yī)學、衛(wèi)生等多個學科。上述結果表明大氣防治技術涉及多學科交叉。

圖2 大氣污染防治技術學科分布

（2）研究論文產出趨勢。科技論文是基礎研究產出的主要表現(xiàn)形式。從時間跨度對檢索出的35 622 篇文獻進行分析。可以看出，大氣污染防治技術論文數量一直處于增長狀態(tài)，從2000 年的550 篇/a 增至2019 年的2 865 篇/a，表明大氣污染防治基礎研究得到持續(xù)關注。2000 年至2019 年，美國發(fā)表論文總數位居第一（6 194 篇），其次是中國（4 461 篇）、英國（3 535 篇）、德國（1 889 篇）、法國（1 564 篇）、日本（1 268 篇）、加拿大（1 190 篇）和意大利（1 021 篇）。近幾年，中國在該領域論文發(fā)表數量增長較快，2013 年之前發(fā)文數量不足300 篇，2013 年開始研究人員逐漸加大對大氣污染防治技術的研究力度，2016 年后發(fā)文數量和增速超過美國。

（3）主要國家發(fā)文影響力分析。針對發(fā)文數量排名前8 的國家，選取論文學科規(guī)范化引文影響力、高被引論文數量、國際合作論文占比、產-研合作論文占比等指標，分析發(fā)表論文的影響力。在論文學科規(guī)范化引文影響力方面，美國位居第一（1.33），英國（1.31）和加拿大（1.28）排名靠前，中國略高于世界平均水平（1.02）位居第七；在高被引論文數量方面，美國排名第一（74 篇）、英國排名第二（48 篇）、中國排名第三（43 篇）；在國際合作論文占比方面，英國、德國、法國、意大利和加拿大的國際合作論文占比較高（均超過50%），中國為29.32%；在產-研合作論文占比方面，法國占比最高（7.28%），其次是美國（4.87%）、日本（4.62%）、英國（4.58%）、德國（4.28%），中國排第七（2.93%）（表1）。以上分析數據表明，在該領域美國和英國整體發(fā)文的影響力較大；德國、法國、意大利在論文學科規(guī)范化引文影響力、國際合作占比和產-研合作占比等指標均優(yōu)于中國。因此，我國研究者在研究方向、研究內容等方面需綜合考慮強化論文學科規(guī)范化引文影響力、國際合作占比和產研合作占比等指標，提升發(fā)文的影響力。

表1 發(fā)文數量前8 國家合作與影響力

（4）主要研究機構發(fā)文影響力分析。針對發(fā)文數量排名前20 名研究機構，選取論文學科規(guī)范化引文影響力、高被引論文占比、國際合作論文占比、產-研合作論文占比等指標，分析其發(fā)文的影響力（表2）。論文發(fā)表數量前20 的機構中美國占9家，法國占5 家，中國和德國各2 家，印度和俄羅斯各1 家。法國國家科學研究中心發(fā)表論文860 篇，數量位居第一；中國科學院發(fā)表論文735 篇，位居第二；美國能源部發(fā)表論文687篇，位居第三；加利福尼亞大學發(fā)表論文622 篇，位居第四；美國國家航空航天局發(fā)表論文454 篇，位居第五。在論文學科規(guī)范化引文影響力方面，美國國家大氣研究中心（2.20）、美國國家海洋大氣管理局（2.06）和德國馬普學會（2.05）排名前三；在高被引論文占比方面，美國馬里蘭大學（5.08）、美國國家大氣研究中心（4.50）和美國科羅拉多大學（4.33）位居前三位；在國際合作論文占比方面，排名靠前的機構有法國凡爾賽大學（82.44%）、德國馬普學會（81.97%）、法國巴黎薩克雷大學（73.38%）和法國原子能和替代能源委員會（69.42%）。在產-研合作論文占比方面，美國國家航空航天局（13.22%）、美國科羅拉多大學（10.10%）、美國馬里蘭大學（9.14%）和美國國家海洋大氣管理局（8.48%）表現(xiàn)較為突出。以上分析數據表明，美國、法國、德國等國研究機構在論文學科規(guī)范化引文影響力、高被引論文占比、國際合作論文占比、產-研合作論文占比等指標方面均有一定優(yōu)勢。

表2 論文發(fā)表數量前20 機構合作與影響力

（5）大氣污染防治技術研究熱點分析。為揭示大氣污染防治研究的主要焦點和趨勢，對檢索結果中論文涉及的主題關鍵詞，利用Vosviewer 的聚類與可視化功能，通過關鍵詞的共現(xiàn)關系，繪制大氣污染物防治技術的研究熱點隨時間變化的分布（圖3）。可以看出，大氣污染防治技術研究主要針對多種污染物（PM10、PM2.5、氣溶膠、有機污染物、二氧化碳等），涉及污染物濃度精準預測、減排裝置狀態(tài)信息感知與故障診斷、治理系統(tǒng)優(yōu)化調控、區(qū)域污染源智慧檢測與管控等基礎理論及關鍵技術，呈現(xiàn)出物聯(lián)網、大數據、云計算等先進數字技術與大氣污染物減排技術深度融合的新趨勢。因此，大氣污染防治技術研究進一步發(fā)展的潛能主要在于利用各種信息通訊技術，感知、分析、整合各類信息，對污染物排放控制做出智能響應，從而更有效地解決環(huán)境質量問題。

圖3 大氣污染防治研究關鍵詞隨時間共現(xiàn)分布

2.2 基于大氣污染物智能化管控技術的專利產出分析

（1）專利產出趨勢。專利反映了應用基礎研究和技術研發(fā)情況及意向競爭市場。利用Incopat 等專利數據庫，對大氣污染物智能化管控技術相關專利檢索分析。從時間跨度對檢索出的5 028 件專利進行分析。可以看出，大氣污染智慧防治技術專利申請數量總體處于增長狀態(tài)（圖4），2000—2010 年專利申請量低于200件/a，2011年后超過200 件/a，2018年達到597 件。2008 年起，中國專利申請量迅猛增長，遠超其他國家，總數達到2 961 件。進一步對專利的優(yōu)先權區(qū)域進行分析，德國70.81%的專利優(yōu)先權在國外，本土僅為29.19%；中國高達90.54%的專利優(yōu)先權在本國，國外占比僅9.46%（表3），因此建議我國加強在大氣污染物智能化管控技術領域的國際專利布局。

表3 典型國家專利優(yōu)先權分布

圖4 大氣污染物智能化管控專利申請數量變化趨勢

（2）研究機構專利申請情況分析。2000—2018 年間，全球排名前20 的專利權人中（圖5），中國占據了8 席，包括5 家高校和3 家企業(yè)。而國外機構均為企業(yè)，其中日本5 家、美國4家，德國、韓國和法國各1 家。從專利內容看，日本五十鈴集團、豐田汽車和本田汽車，美國福特全球科技，韓國現(xiàn)代汽車以及法國標致雪鐵龍等側重于汽車尾氣凈化裝置故障診斷及優(yōu)化調控；日本電裝公司和三菱重工實業(yè)有限公司，美國康明斯、羅伯特·博世有限公司和通用電氣側重于氣態(tài)污染物減排裝置的優(yōu)化調控。中國專利權人中，濰柴動力股份有限公司側重于汽車尾氣凈化裝置故障診斷及優(yōu)化調控，其余專利權人側重于燃燒過程優(yōu)化及燃燒煙氣污染物治理系統(tǒng)的優(yōu)化調控。

圖5 大氣污染物智能化管控排名前20 的專利權人

綜合以上分析，大氣污染防治技術領域基礎研究表現(xiàn)活躍，中國發(fā)文數量排名靠前，但論文學科規(guī)范化引文影響力、國際合作占比和產-研合作占比等指標排名相對較為不足，整體發(fā)文的國際影響力有待進一步提高。基于研究熱點分析，大氣污染防治技術進一步發(fā)展?jié)撃艹尸F(xiàn)出大氣污染物智能化管控趨勢。針對大氣污染物智能化管控專利申請，中國專利申請量持續(xù)增加，但全球布局較為薄弱，專利擁有量大的企業(yè)相對較少。

2.3 大氣污染防治技術發(fā)展前景分析

發(fā)展大氣污染物智能化管控技術得到國家和地方政策的大力支持［12-15］，進一步推動了智慧環(huán)保產業(yè)的發(fā)展。據調研［16］，我國智慧環(huán)保市場規(guī)模2010 年為127 億元，2018 年增長為521 億元，年同比增長基本在10%以上（圖6），但對比萬億級的整個環(huán)保市場，目前智慧環(huán)保的市場規(guī)模仍較小，未來增長空間巨大；同時隨著國家污染防治攻堅戰(zhàn)的推進和智慧環(huán)保技術的發(fā)展，作為以末端治理為主的傳統(tǒng)環(huán)保產業(yè)市場趨于飽和，以智慧環(huán)保為代表的新型環(huán)保產業(yè)市場前景廣闊。

圖6 中國智慧環(huán)保市場規(guī)模走勢

3 結論

本文針對大氣污染防治領域已發(fā)表論文和已申請專利進行數據挖掘和可視化分析。結論如下：

（1）基于論文分析，大氣污染防治研究涉及多學科交叉；全球范圍內發(fā)文數量呈現(xiàn)增長態(tài)勢。中國發(fā)文數量居全球首列，美國和英國整體發(fā)文影響力較高；德國、法國、意大利在論文學科規(guī)范化引文影響力、國際合作占比和產-研合作占比等指標均相對較優(yōu)。

（2）通過關鍵詞出現(xiàn)頻率分析知大氣污染防治技術研究主要針對多種污染物（PM10、PM2.5、氣溶膠、有機污染物、二氧化碳等），涉及污染物濃度精準預測、減排裝置狀態(tài)信息感知與故障診斷、治理系統(tǒng)優(yōu)化調控、區(qū)域污染源智慧檢測與管控等基礎理論及關鍵技術，呈現(xiàn)出物聯(lián)網、大數據、云計算等先進數字技術與大氣污染物減排技術深度融合的新趨勢。

（3）基于大氣污染物智能化管控技術申請專利分析，全球范圍內專利申請量逐年增加，中國專利申請總量位居第一，但專利多布局在國內；從專利內容看，國外側重于汽車尾氣凈化裝置故障診斷及優(yōu)化調控；中國專利權人側重于燃燒過程優(yōu)化及燃燒煙氣污染物治理系統(tǒng)的優(yōu)化調控。

為持續(xù)改善我國環(huán)境空氣質量，打造人工智能應用新場景，提升我國在智慧環(huán)保領域、尤其是大氣污染智能化減排領域的國際核心競爭力，結合我國的研究優(yōu)勢及產業(yè)發(fā)展需求，建議通過多學科交叉與深度融合，強化論文學科規(guī)范化引文影響力、國際合作占比和產-研合作占比等，提升發(fā)文的國際影響力；進一步出臺相關政策推動企業(yè)和研究機構全球專利布局。針對多污染物濃度精準預測、減排裝置狀態(tài)信息感知與故障診斷、治理系統(tǒng)優(yōu)化調控、區(qū)域污染源智慧檢測與管控等，開展前沿基礎研究和應用基礎研究，多層次全方位提升污染治理水平，為關鍵技術突破和應用提供源頭創(chuàng)新思路與科學支撐。