基于CiteSpace的循環設計領域知識圖譜及其可視化研究

摘 要：為掌握循環設計領域的發展動態，通過CiteSpace可視化軟件，計算中國知網數據庫（CNKI）中1990—2020 年以“循環設計”“循環產品”為主題的核心期刊論文和碩博士論文，分析論文作者與研究機構的網絡關系、學者聚焦的研究方向以及循環設計領域發展演進的脈絡框架和趨勢。研究表明：循環設計領域作者的網絡關系密集，研究團隊規模較小;研究機構主要集中在能源類、機械類的研究院中。通過分析循環設計領域的研究趨勢，得出循環設計是圍繞“產業—經濟—制度—生態—綠色設計”的一個環形周期發展路徑，周期循環促進了資源和生態的可持續發展由單個產品研究轉向了產業系統研究。

關鍵詞：CiteSpace;循環設計;脈絡框架;發展趨勢

引用本文格式 鄧茅妤，尚華.基于CiteSpace的循環設計領域知識圖譜及其可視化研究[J].創意設計源，2022（2）： 15-21.

Research on Knowledge Graph and Visualization of Circular Design Domain Based on CiteSpace

DENG Maoyu， SHANG Hua

Abstract： To grasp the development trend of circular design， we can use the CiteSpace visualization software to calculate the core journal papers and master's and doctoral theses with the theme of "circular design" and "circular product" in the CNKI database from 1990 to 2020， analyze the network relationship between the author and the research institution， the research directions of scholars， and the development framework and trend in the field of circular design. The research shows that the network relationship of the authors in the field of circular design is intensive， and the scale of the research team is small. Research institutions are mainly from academies of energy and machinery. By analyzing the research trend in the field of circular design， it is concluded that circular design is a circular model for growth that centers on "industry-economy-?system-ecology-green design". The circular model has facilitated the transformation of the focus of research on resource and ecological sustainability from single product to the whole industry.

Key words： CiteSpace; circular design; contextual framework; development trend

[基金項目]本文系 2020 年度廣東省哲學社會科學研究一般項目“電商時代快遞垃圾源頭控制與綠色循環包裝創新設計研究”（項目編號：GD20CY540）階段性研究成果。

隨著經濟的飛速發展，制造業不合理地導入資源與輸出排放，致使環境污染的問題日益嚴重。環境污染使得人類賴以生存的環境遭到破壞，使人類自身的生命安全受到威脅，因此節約資源、保護環境成了當今社會的重要任務。資源循環可以實現資源利用的可循環性、低耗能性及延長產品使用的耐久性。筆者通過運用CiteSpace可視化軟件，對我國循環設計領域的研究成果進行梳理分析，總結歸納出循環設計研究的演變過程及其在當下的研究熱點，以期能夠為生態環境的可持續發展給予一定啟示。

一、研究方法與研究數據

（一）研究方法

CiteSpace是分析某一領域文獻數據庫文本常用的軟件，通過數學與統計學的方法分析研究該領域的數據，并將該領域的知識結構、學科分布與發展規律以知識圖譜的形式進行可視化呈現，用于識別該領域研究的發展歷程和前沿方向。

（二）研究數據

本研究通過運用中國知網數據庫（CNKI）平臺的高級檢索功能，在中國知網數據庫頁面的“期刊”選項中通過“主題”搜索“循環設計”和“循環產品”關鍵詞，檢索條件為“精度”，檢索時間為“1990—2020 年”，選取核心期刊、CSSCI和CSCD數據庫共 1 059 項，并加上該領域相關碩博士論文，通過手動刪除內容不相關的文獻，最終獲得了 1 127 篇有效文獻作為研究樣本。通過CiteSpace可視化軟件，對樣本文獻進行基礎統計分析、共現分析、聚類分析與演進分析、前沿與熱點分析，進而實現對循環設計知識圖譜的可視化分析。

二、循環設計領域的研究特征分析

（一）研究階段

本研究對 1 127 篇有效的樣本文獻在各個年份的發文量進行了統計（見圖 1），從中國知網數據庫中循環設計領域發文量的趨勢來看，整體上呈逐年增加的趨勢，且可分為三個發展階段：（1）萌芽階段（1998 年以前），循環設計相關領域開始有了初步的發展。1992—1997 年處于緩慢平穩的發展階段，在技術領域開始有相關的學者開展循環系統研究，提出循環系統設計對于產品的運行發展有引領作用[1-2]。（2）起步階段（1998—2008 年），在這 10 年間共出現三次直線增長的小波峰。1998—1999 年和2002—2003 年分別增加了 15 篇文獻，但在 2004—2005 年增加了 20 篇文獻，達到跨度的最大值。起步階段的學者對循環設計技術領域的專注度開始轉向多元化的研究，在設計領域，以陸廣譜等[3]為代表的學者提出了產品的循環設計要在創新的基礎上挖掘多元化的制造框架。（3）快速發展階段（2009 年以后），循環設計領域的發文量呈現平穩增長的趨勢，2014 年達到最高值，一年的發文量達 65 篇。在快速發展階段，學者們在循環設計的研究方向上實現了突破性的進展，且研究方法由線性式向多元化發展，研究領域由物理系統向優化設計、循環經濟、結構設計等領域開拓。

（二）學科分布

學科分布可以在一定程度上反映作者的研究觀點、研究方法和研究成果的所屬領域[4]。筆者選取發文量在前 14 位的學科分布進行統計分析（見表 1），核心期刊的發文量主要集中在工程技術類學科領域，其中電氣工程、環境、通用技術、原子能、化學工程、機械工程、建筑科學、石油天然氣等學科的核心期刊文獻共 420 篇，其他學科的核心期刊文獻相對較少，共 192 篇。雖然循環設計領域的研究在多學科之間發展，但循環設計文獻的學科分布則表現出發展不均衡的情況，其中電氣工程學科的發文量共 93 篇，而教育和經濟學科的發文量都只有 29 篇，說明循環設計領域相關文獻的學科分布較為分散，且工程學科聚集了較多的研究學者和科研成果。此外，工程學科的學者主要研究熱水鍋爐、燃氣輪機、壓水堆核電站等內容;通用技術學科的學者研究綠色設計、產品設計、可持續設計等內容;經濟學科的學者主要研究循環經濟、石化企業等內容。總體而言，循環設計領域的知識成果是通過各類學科的研究方法和技術來進行有效探索的。

（三）作者合作

通過對循環設計領域的發文作者進行分析，可以了解和掌握該領域具有重要影響力的學者以及其在循環設計領域的研究成果[5]。圖 2 為運用 CiteSpace 可視化軟件分析得出的循環設計領域發文作者的分布圖譜，作者姓名的字號越大，其發文量也就越多。如表 2 所示，呂俊復、劉青的發文量均為 7 篇，且兩位學者最早的發文時間均為 1999 年;兩位學者之間的合作也十分緊密，呂俊復和劉青[6]首次合作的核心文獻是分析了75 t/h 異型水冷分離循環流化床鍋爐的結構，介紹了該循環流化床鍋爐的設計和運行情況。

網線節點所呈現出的是作者合作網絡關系圖，其中以呂俊復、劉青、張縵、公茂瓊等為中心的合作網絡最為密集，分布范圍最廣，表明其與較多作者存在合作的關系，其次是以王擎、孫鍵、姜秀民、李學恒、張靖波為中心的合作網絡。金亞飚、吉桂明、嵇煥章三位學者的發文量雖然很高，但合作關系較弱。由此可知，作者的發文量與合作網絡密集度之間的影響關系較小。

（四）機構合作

機構合作的分布與作者合作存在直接的關聯性[7]，梳理機構合作關系網絡，結合上一小節中對作者合作關系的分析，得出當前研究領域的合作關系圖譜。如圖 3 所示，名單中的字體越清晰，表明這一機構的發文量越多。圖 3 中發現有一處較大的合作網絡，由中國科學院大學、中國科學院海洋研究所、中國科學院微電子研究所等研究機構組成。此外，中國科學院的研究成果相較其他研究機構而言是較多的，圖 3 共出現五處較大字號的“中國科學院”，說明中國科學院在循環設計領域的研究是有一定高度的。

對機構的研究成果進行分析，發現各機構之間成果數量差異較小，中國科學院大學和北京航空航天大學能源與動力工程學院的發文量最高（見表 3），主要集中在能源類、機械類、渦輪類等學科的研究機構中。

三、循環設計研究演進分析

（一）關鍵詞聚類分析

關鍵詞是論文的核心論點，關鍵詞聚類是將相似的關鍵詞進行歸納整合，得出研究領域突出的主題方向，能夠較為直觀地了解該領域學者的主要研究內容。本研究通過CiteSpace可視化軟件中的 LLR 算法分析 1 127 篇文獻，將文獻中的關鍵詞進行聚類，獲得關鍵詞聚類圖譜（見圖 4），其中模塊系數Q=0.393 1>0.3，平均輪廓系數S=0.964 1>0.7，表明循環設計的聚類圖譜具有一定的代表性，并且聚類主題較為精準。由圖 4 中的聚類分析結果可知，循環設計領域研究主要分為 13 個主題，圖中節點越大，代表相應關鍵詞的發文量就越多（見表 4），其中“設計”主題的發文量有 84 篇。1992 年章名耀等[8]首次將設計的理念與流化床燃燒聯合循環中試電站融合，并針對電站運行系統提出了技術支撐。

在循環設計研究領域，學者們認為設計是提高機器運行效率、突破產品結構等問題的有效解決途徑，對減少燃料消耗、機器占地面積過大、新運行系統的開發等問題也至關重要。而循環設計領域中循環經濟對支撐社會發展有著舉足輕重的作用，相關學者開展了大量的研究，形成了本次關鍵詞聚類分析中較大的聚類“#0 設計”和聚類“# 6 循環經濟”。而循環設計領域近幾年的研究熱點關鍵詞是 2005 年形成的聚類“#6 循環經濟”和聚類“#13 制度設計”，以及 2007 年形成的聚類“#12 結構設計”。

從表 4 可以看出，循環設計研究領域與當前熱門的云計算、智能技術等研究方向的關聯性較弱。循環設計領域關鍵詞聚類形成的時間普遍較早，說明循環設計領域近幾年沒有集中研究的新方向，且缺少新穎的研究方向。

（二）循環設計時間發展分析

運用 CiteSpace 可視化軟件關鍵詞分析一欄中的Timeline View功能，對循環設計樣本進行數據可視化分析，得出的關鍵詞時區圖譜可以呈現循環設計在某一時期的研究發展趨勢[9]（見圖 5）。

方形節點表示熱點關鍵詞，方形越大代表該關鍵詞的發文量越多。圖 5 中橫向為時間跨度，縱向為循環設計領域的研究方向，其中“#0 設計”和“#4 循環流化床”兩個方向的發展時間跨度最長。1994—1995 年，循環設計涉及的研究方向有“#0 設計”“#2 冷卻塔”“#3 循環流化床鍋爐”“#4 循環流化床”“#7 余熱鍋爐”和“#8 改進設計”。在循環流化床研究方面，學者顧亞平等[10]提出循環流化床系統是最大循環倍率的系統模型，該模型是鍋爐燃燒處理構成的實體產品模型，通過函數計算出各變量，得出最大的工作效率。系統模型設計是循環流化床提高燃燒效率研究的里程碑。循環流化床冷卻水系統這個關鍵詞均出現在“#2 冷卻塔”“#3 循環流化床鍋爐”“#8 改進設計”和“# 12 結構設計”幾個研究方向上。由圖 5 可知，關于循環流化床冷卻水系統的相關研究開始于 1995 年。

1995—1998 年，在循環流化床和循環鍋爐的相關研究中，學者忻泉涌[11]、李曉鐘等[12]提出循環鍋爐的優化設計。此外，學者們還對循環鍋爐燃燒熱量進行了研究，崔玉萍等[13]發現不同煤種影響循環鍋爐熱量的受熱以及循環鍋爐的運行效率。由此可知，1992—1998 年循環設計研究的演進路徑是圍繞著“循環流化床—循環倍率—循環冷卻系統—循環流化床熱量”進行的。

1998—2004 年，學者們的研究視點聚焦在循環系統上。系統是產品運行的核心，系統是有規劃地將產品運行流程所需的條件按一定的邏輯關系設定而成的，空調的循環冷卻系統依托各產品部件形成一個閉環的模型系統[14]。自動控制系統較多地運用在產品系統設計中，陸述田等[15]發現自動循環系統應用在機床上能提高運行效率，并對自動循環系統進行了設計，為2002—2003 年控制系統的研究奠定了基礎。錢志源等[16]采用單片機對機床運行系統進行了控制設計。李長友等[17]認為谷物干燥機在生產運行時可以通過程序對其步驟進行定量值設定，以使谷物干燥機在工作過程中實現智能控制。由此可知，學者們的研究主要通過局部來控制整體系統，從而提高生產效率，促進機床工作效率的研究走向新進程。

2004—2007 年，涌現出經濟和教育等研究新方向。圖 5 中循環經濟主題的研究方向在 2005 年的方形節點中較為明顯，曹少中等[18]提出了綠色循環經濟的概念，闡述了綠色產品制造業和產品回收制造對社會可持續發展的重要性。經濟系統和資源系統相互聯系、相互影響，在維護經濟發展的同時，也要保護環境，重視資源的二次利用，打造“原材料行業—產品制造—產品使用—產品報廢—產品回收利用”的循環發展模式。隨著環保意識的增強，工業產品的包裝也注入了綠色可持續發展的概念[19-20]。在探索制造業和生態資源相互聯系的過程中，學者們發現產業鏈是連接兩者發展的橋梁，通過規范企業來進行合理化的產品生產，從“資源—產品—廢物”的傳統模式向“資源—產品—再生資源”的新型模式轉化。生產模式的轉型本質是提高資源利用效率，減少污染物的排放[21]。產業集群的發展依托于國家政策體系的設計，“十一五”規劃中政府重視循環經濟對產業集群帶來分布式結構的影響，將單個產業環環相扣，進而調控產業的發展秩序[22]。由此可知，循環設計研究在 2004—2007 年由工科領域向哲學社會科學領域擴展，提出新的產品生產模式，映射到產業的發展中，從而輻射宏觀的產業集群。

2007—2013 年出現了幾個較大的方形節點，分別為結構設計、數值模擬和循環經濟這三個關鍵詞，通過CiteSpace可視化軟件中的Node Details 功能統計這一階段的發文量，得出關鍵詞為結構設計的相關研究文獻有 20 篇，關鍵詞為循環經濟的相關研究文獻有 34 篇，關鍵詞為數值模擬的相關研究文獻有 5 篇，其他關鍵詞的研究文獻相對較少。由以上可知，數值模擬、結構設計和循環經濟是 2007—2013 年循環設計領域研究的前沿趨勢。

由于學者研究循環設計領域中的經濟學科包含著綠色產品設計和循環包裝的研究方向，因此，筆者認為有必要梳理一下產品設計、包裝設計和經濟等要素的發展框架。根據上文所述，將學者們研究的產品生產模式、資源、產業、政策等要素整合為“綠色設計—產業鏈—產業集群—經濟—制度設計—生態發展 ”的閉環模式（見圖 6）。生態問題迫在眉睫，學者們紛紛展開對資源可循環的研究，提出將資源循環利用。資源二次使用之后，投入到生產鏈中產生經濟效益，形成“產品制造—產品使用—產品回收利用—回爐重造—新產品”的生產新模式。生態資源又與經濟效益相互影響，林積泉等[23]、張照錄等[24]、蔡紹洪等[25]結合循環經濟的理念構建企業循環經濟產業鏈，循環產業集群由產業鏈、生態鏈、價值鏈構成，同類企業構成的產業群體聚集在生態鏈和價值鏈的鏈網上，形成產業集群。產業集群為循環經濟提供實踐環境，從時間和空間兩個維度落實相對應的政策。區域經濟是循環經濟的一種可持續發展模式，通過縮小空間區域來構建與空間相匹配的發展體系[26]。循環設計在制度框架里穩定地、持續地、健康地發展著，通過制度的框架平衡政府與企業的利益矛盾，制度設計營造出有序、和諧的生態環境，可持續的生態發展模式又能生產出滿足社會需求的綠色產品設計。通過整合多方資源，梳理產品的發展模式，得出微觀產品的生產、中觀產業集群的發展、宏觀生態發展模式的迭代都是以可持續循環的形式發展的。

2013年后，循環設計領域的研究方向開始逐漸減少。2015年后，“#2 冷卻塔”“#6 循環經濟”“#7 余熱鍋爐”“#8 改進設計”“#11? 水循環”“#12 結構設計”和“#13制度設計”這些方向基本停止了研究。2017 年后，主題“#0 設計”“#3 循環流化床鍋爐”和“#9 優化設計”也陸續停止了研究。2019—2020 年僅存“#1 plc”“#4 循環流化床”和“# 5 有機朗肯循環”三個方向依然持續進行研究。

學者們對循環設計領域的研究，盡管在探索研究期間出現了諸如教育、經濟等新的研究視點，但是這些新穎的研究視點拓展研究的時長較短，沒有形成一個較完整的研究體系。對比循環設計理工科方向，在機床、大型能源的系統、結構、原理等方面的設計和研究較為全面，且具有一定的深度。

（三）循環設計研究前沿

CiteSpace可視化軟件中的突現率表示研究前沿，即在一段時間內突然激增的關鍵詞[27]。運用CiteSpace可視化軟件中的Citation Burst 功能進行分析，調節Minimum Duration的系數為1，ai/ai-1的系數為1，可得到樣本文獻在不同時期的關鍵詞突現率（見圖 7）。圖 7 顯示的是這些突現關鍵詞的突現強度和生命周期，其中有 15 組突現關鍵詞及其對應的突現率。將這 15 組突現關鍵詞進行聚類劃分，以關鍵詞同屬內容結構（循環流化床、余熱鍋爐、聯合循環、循環流化床鍋爐）、發展趨勢（水循環、中水回用、數值模擬、有機朗循環、結構設計、向心透平）和近期時間段（航空發動機、間冷回熱循環、循環式）為分類依據，大致可以劃分為三個階段：機床鍋爐（1993—2009）、循環內部設計（2005—2016）和主題系統設計（2016—2020）。

1993—2009 年循環設計的研究集中在機床鍋爐領域，根據前文分析，循環流化床是循環設計最早的研究方向。整合循環流化床、余熱鍋爐和循環流化床鍋爐為機床鍋爐，由圖 7 可知，機床鍋爐的強度為三者的總和8.93，說明機床鍋爐的突現時間較長。部分學者專注于機床鍋爐方向，研究水冷分離器型號的鍋爐，該型號的鍋爐在外觀、工作效率等方面都優于傳統鍋爐。劉柏謙[28]提出循環流化床同樣適用于油頁巖燃燒，分離器是循環流化床的重要部件，可以高效率地將不同物料分離，是循環流化床運行的加速器。鍋爐是我國制造能源的一項重要設備，國內學者在節約燃料成本、提高運行效率、優化鍋爐結構等方面作出了重要貢獻。

2005—2016 年循環設計的研究由產品外在整體向內部設計轉變。該階段循環經濟的突現強度最大為 14.3，循環經濟成為該階段的前沿研究是因為當時全球的資源和環境都遭受到嚴重的破壞。在國家和政府的大力倡導以及保護環境的時代語境下，學者們紛紛展開關于綠色設計帶動經濟循環模式的研究。

2016—2020 年循環設計研究的新方向較少，集中在主題系統設計領域。航空發動機、間冷回熱循環、循環式屬于這一時期的新穎研究視點，且這三個突現詞相互聯系。婁德倉等[29]針對中國燃氣渦輪研究院設計的間接冷卻再生循環飛機發動機提出了優化的系統設計。陳吉鋮等[30]提出針對間冷回熱循環航空發動機的間冷器結構設計，發現部件工藝影響部件的性能。由此可知，突現詞間冷回熱循環廣泛應用于航空發動機系統中。

四、結論與展望

（一）研究結論

本文基于中國知網數據庫（CNKI）1990—2020 年循環設計研究領域的核心期刊和相關碩博士論文，通過CiteSpace可視化軟件分析了循環設計的年發文量、學科分布、作者合作、機構合作、關鍵詞聚類等內容，得出以下結論。

（1）循環設計相關文獻的數量隨著時間的增長而增加，從側面反映出循環設計領域尚有較大的研究空間。1998—2008 年是循環設計的起步階段，研究成果由量的積累轉向質的發展。

（2）循環設計研究領域占比較大的是理工科，其次為資源環境和經濟等學科，占比較小的是新興技術、大數據等學科，說明循環設計在新興技術等學科中還有可挖掘的研究空間。

（3）發文量多的作者均與其他作者建立了良好的合作關系，其中以呂俊復、劉青、張縵、公茂瓊等為中心的合作網絡密集度最強。發文量最多的作者是呂俊復和劉青，表明他們是循環設計領域的領軍學者。

（4）機構的發文量分布均勻，說明循環設計相關研究沒有出現引領作用的機構，機構分布較為分散，缺少研究循環設計的核心凝聚機構，循環設計領域的相關研究機構在科研成果上還有突破的空間。

（5）現有研究沿著“循環流化床—循環鍋爐—聯合循環—設計—循環系統—循環經濟—有機朗肯循環”的路徑發展，研究趨勢由外部向內部、由環境到經濟逐漸演進。

（6）通過對循環設計突現關鍵詞的分析，發現循環設計在不同時間段的前沿趨勢是不相同的，在趨勢分布中與設計相關的趨勢較少，說明在設計領域還存在可挖掘的研究空間。循環設計的研究逐漸通過產品包裝、材料、結構等向產業生態轉變，單一的利益關系轉變為多元利益關系協同發展。

（二）研究展望

傳統的工業制造向可持續發展的生產模式轉型，放大了資源浪費的生產矛盾，循環設計是面對這些問題最有效的解決方法之一。因此，未來的循環設計研究應立足于可持續發展的背景之下，從研究領域、研究內容和研究視角三個方面推進。

（1）從研究領域來看，由單一學科向跨多元學科轉變。循環設計研究專注于電氣工程學科和通用技術學科，從技術、結構和系統上解決循環設計的問題。工程技術類學科文獻居多，發展脈絡清晰，但循環設計學科文獻的發展脈絡較為散亂，而且在設計學領域的研究成果較少，建議可以平衡循環設計學科分布，搭建哲學社會科學領域的研究框架，推動循環設計學科與哲學社會科學之間的學術碰撞。

（2）從研究內容來看，由單一產品向生態模式轉變。一方面，資源匱乏要求設計師仍然需要關注產品的二次利用問題，未來產品的材質、結構等會趨向可持續的循環利用，產品的循環設計必然成為設計的趨勢之一;另一方面，可持續性理念的提出為循環設計帶來了更長遠的經濟利益，推動著設計學的發展。從產品本身的循環設計延伸到商業的宏觀發展，其產生的經濟效益促進了生態模式的管理。產品是生態模式中的一環，形成良性的循環發展模式，可以使企業和設計師更加注重產品的循環設計，將資源利用最大化，從而實現最大限度的社會可持續發展。

（3）從研究視角來看，由有形產品向無形產品的轉變。過去循環設計研究以產品或者產品包裝的二次利用為主。此外，產品的循環設計不限于產品本身，產品循環的創新要素包含產品的使用方式、產品的服務系統和產品的生命周期等。隨著社會的變革，無形的產品備受社會關注，產品服務的必要性被放大，這就要求循環設計將視角拓寬至服務設計，充分考慮有形產品的利用率和無形產品的情感化，不再局限于產品本身和產品周邊的設計。

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鄧茅妤

仲愷農業工程學院

尚華

廣州理工學院