基于CiteSpace的全球智能家居行業研究知識圖譜分析

魯效平 江民圣 孫明 王超 王玉梅 張成橋

1.青島海爾工業智能研究院 山東青島 266000；2.海爾數字科技（青島）有限公司 山東青島 266100

0 引言

伴隨著新一輪信息技術的發展，尤其是在物聯網（IoT）技術的推動作用下，智能家居在居民消費中的普及和意愿越來越高。根據IDC的預測，2023年全球智能家居市場出貨量將接近16億臺，年復合增長率達到16.9%。2021年《政府工作報告》專門提出“穩定增加汽車、家電等大宗消費”，同時“十四五”規劃綱要提到“加快數字化發展，建設數字中國”，國家大政方針的指導將為智能家居產業的發展提供新的契機。智能家居產業涉及網絡協同制造、物聯網（IoT）、5G、語音識別、云計算、邊緣計算等[1-5]先進制造和信息技術，同時融合了用戶行為學、心理學、人機工學等[6-8]人文社科類領域研究，多學科多領域交叉綜合，是家電制造產業最新技術應用的前沿陣地。目前行業學者尚未針對智能家居行業的研究動態進行系統梳理，有必要對該領域國內外研究發展動向進行數據挖掘和分析，結合知識圖譜和文本分析技術，利用CiteSpace軟件針對2011年至2020年十年內國內外學者在智能家居領域的研究成果數據進行總結，有利于企業和學者掌握全球智能家居領域主要研究熱點、行業發展態勢，把握技術發展動向，為全行業提供指導性研究成果。

1 研究數據準備及分析工具簡介

文獻數據來源于Web of science核心集合，該數據庫已有半個多世紀，收錄了全球12400多種權威的學術期刊，整理了13000個機構名稱層級結構，匯聚了15億條引用文獻的完整引用網絡，數據內容涵蓋工程技術、社會科學、自然科學等領域[9]，能夠提供最新、最全、最深入的關于文獻的起源和歷史，追蹤最新的研究進展。本文數據檢索內容如表1所示，完成基本檢索操作之后，單擊“導出為其他格式”，在彈出的界面中記錄內容選擇“全紀錄與引用的參考文獻”，文件格式選擇“純文本”，記錄來源設置可輸入檢索結果的編號條目，每次最多輸出500條，最終獲得14411條檢索記錄。

表1 檢索內容設置說明表

本文使用的分析工具為CiteSpace V.5.7.R5(64-bit)W，它是基于共引分析理論（co-ciation）和尋經網絡算法（pathFinder）等技術[10-11]應用Java開發的信息可視化軟件，通過對特定領域的文獻進行計量，探尋出科學領域演化的關鍵路徑及其知識拐點，并通過一系列可視化圖片的繪制實現對科學演化潛在動力機制的分析和學科發展前沿的探測[12]，是目前知識圖譜繪制和研究領域應用非常廣泛的軟件之一，如圖1所示為軟件啟動界面。

圖1 軟件操作首頁

2 智能家居領域研究基本情況

2.1 智能家居發文量統計

將下載的原始數據拷貝至…input文件夾下，同時建立輸出文件夾…output，然后依次單擊軟件界面菜單中的Data→Import/Export，在彈出的窗口中利用Remove Duplicates命令實現數據的去重操作。

對去重之后的數據進行分析，可獲得關于智能家居領域近十年論文發文量的曲線圖，如圖2所示。

圖2 2011—2020年智能家居領域發文數量變化曲線

從發文數量可以看到，智能家居相關的研究論文在最近十年基本呈現指數級增長，尤其是在2016年及2019年論文數量急劇攀升，相較于十年前，2020年度論文數量增長了將近734%，深受相關領域研究者的關注。

2.2 智能家居領域研究主要來源分析

2.2.1 智能家居研究主要貢獻國家（地區）及機構

通過對文獻進行計量統計，可以獲取智能家居領域主要研究和投入的國家和地區，該數據能夠從側面反映在智能家居領域目前各國的技術實力排名和研發投入程度，分析結果如圖3所示，圖3中彩色圈越大說明所屬國家貢獻論文數量越多。從結果可以看出，中、美、韓三國位居全球智能家居研究領域Top3位置，其中以中、美兩國為引領，在全球智能家居領域研究中占據主導地位，韓國、英格蘭處于第二梯隊。

圖3 論文主要來源國家統計

同時，對智能家居領域主要研究機構進行計量（如表2所示）和數據可視化分析（如圖4所示），可以評估主要研究機構的科研實力，為全球智能家居領域人才和技術交流合作及資源評估提供數據支持。從分析數據可以看出，沙特國王大學、華盛頓州立大學以及中國科學院在智能家居領域論文數排名靠前。通過中介中心性對比，在排名前十的機構中，中國科學院（0.26）和佐治亞理工學院（0.22）在該領域的研究影響力最高。

表2 智能家居領域研究機構論文數據統計表

圖4 智能家居領域主要研究機構

2.2.2 智能家居研究所屬學科范疇分析

研究所屬的學科范疇可以反映跨學科、跨領域研究在智能家居領域的活躍程度，通過對文獻的分析可以看到，與智能家居研究相關的學科領域涉及工程學、計算機科學、通信科學、化學、能源等諸多領域，如圖5、圖6所示。

圖5 智能家居領域所屬學科領域論文統計

圖6 智能家居所屬學科領域的可視化圖譜

值得注意的是，雖然智能家居自帶“智能”二字，但是隸屬于人工智能范疇學科的論文數量和成果并不算多，整體占比約3.3%左右，該學科范疇引用量最高的論文[13]來自IEEE Transactions on Systems,Man, and Cybernetics, Part C (Applications and Reviews)于2012年刊登的一篇論文。由以上內容可以簡單判斷，雖然人工智能技術最近五年比較熱門，但是在智能家居領域的應用并不多。

2.3 智能家居領域主要研究內容分析

2.3.1 智能家居熱點研究方向

熱門詞匯反映智能家居領域研究的熱點方向，有助于掌握該領域技術動態和發展趨勢。通過對所有文獻的關鍵詞進行計量分析和聚類研究，我們可以獲得如圖7所示的近十年智能家居領域研究的高頻關鍵詞分析結果，領域內學者主要關注Top10關鍵詞分別為：smart home（智能家居，853）、system（系統，791）、smart grid（智慧電網，579）、smart hm（智能家居，456）、internet of thing（物聯網，438）、internet（互聯網，427）、model（模型，351）、demand response（需求響應，337）、optimization（優化，333）、management（管理，331）。從圖7關鍵詞可以看出，智能家居熱點研究集中在智能家居系統、物聯網以及智能電網有關領域，尤其是智能電網和智能家居的融合是眾多學者研究的重點。

圖7 關鍵詞出現頻次分析結果圖

同時，我們對關鍵詞做了突現分析，主要用于評估某一研究方向的興起和衰弱過程（如圖8所示），可以將近十年全球學者對智能家居領域的研究熱點大致分為兩個階段：

圖8 關鍵詞突現分析結果

第一階段（2011—2017年）：智能家居探索階段。該階段關鍵詞比較豐富，涵蓋smart grid（智慧電網）、ZigBee（紫峰）、pervasive computing（普適計算）以及assisted living（輔助生活）等各方面的研究。該階段正好處于移動互聯網相關技術快速發展的時段，云計算、數字化網絡化技術以及物聯網等技術層出不窮，促使相關學者探索數字化智能化技術在家電領域的應用，但是關于智能家居的未來發展形態還沒有形成較為普遍的共識。

第二階段（2018—2020年）：智能家居技術的聚焦階段。近幾年主要研究點在于home microgrid（家庭微電網）、smart transactive energy（智能交互式能源）等方面。經過第一階段的研究熱度，整個研究趨于理性，逐漸摸清現階段需要解決的關鍵問題，因此研究點相對聚焦。如何保證能源的持續可靠、高效管理和利用是該階段眾多研究學者一致關注的熱點領域。

接下來使用聚類功能對關鍵詞進行聚類分析，可以獲得24個聚類主題詞，如圖9所示。從聚類圖可以看出，位居第一（#0）的聚類標簽為smart homes，結合表3詳細信息容易發現部分聚類結果可以合并，即排在第18位的聚類標簽smart home與smart homes一致，第#8、#9、#12三個關于IoT的聚類同樣可以合并，因此這兩類標簽類別分別合計含有69項、96項關鍵詞節點，分析可知關于smart home（智能家居）和IoT（物聯網）的聚類占據總關鍵詞數的24%以上，即這兩個技術方向是全球學者最為關注和集中研究的領域。

圖9 關鍵詞聚類結果示意圖

表3 關鍵詞聚類詳細信息

2.3.2 智能家居領域研究高被引論文分析

分析論文共被引次數，通過CiteSpace可以獲得引用頻次的圖譜結果（如圖10所示），可以看到高被引的排行前三的論文分別來自Zhou B（湖南大學，2016）、Al-Fuqaha A（西密歇根大學，2015）和Gubbi J（墨爾本大學，2013）。分析這三篇論文可知（論文詳細信息參考表4），Zhou B等學者[14]深入研究了智慧家庭能源管理中的諸多問題，并提出整體的系統架構設計，從而有效降低家庭能源消耗；Al-Fuqaha A等學者[15]重點關注物聯網技術，對該領域使能技術、協議和應用以及彼時的難點技術進行了系統的分析，同時闡述了物聯網技術與其他新興信息技術如大數據、云計算、霧計算等相關技術之間的聯系；Gubbi J等人[16]則重點研究了云架構下的IoT實現方式和技術挑戰。

表4 前五位高被引論文匯總表

圖10 論文共被引結果

從高被引文獻[17-23]再次可以看出，智能家居領域的能源管理、物聯網技術與智能家居的融合等問題受到全球學者的關注，可以預見未來智能家居或許會以家庭智慧能源管理解決方案為基礎，提供全屋持續的智能化服務，實現可靠和綠色節能的居住體驗。

3 結論

文章通過對近十年智能家居領域的論文數據進行系統梳理和計量分析，結果顯示智能家居在全球受到廣泛的關注，其中以中、美兩國為代表引領全球智能家居技術發展，主要研究成果來自華盛頓州立大學以及中國科學院等機構，涵蓋智慧電網、物聯網等方向。

同時，文獻分析結果顯示，近十年人工智能技術在智能家居領域的實際應用有待進一步提升，技術成熟度仍然較低，需要各國學者的通力合作與推動。相反，智慧能源系統和家庭能源智慧管理領域是十年來各國專家學者研究的重點領域，并得到持續的關注。

隨著各主要國家碳排放政策的推動，可以預計未來針對智能家居領域的智慧電網、智慧能源管理等技術的研究將會越來越受到重視，產業鏈各環節的投入將會逐漸增多，這將是下一階段智能家居技術領域的重要發展方向。