基于文獻計量法的火災(zāi)災(zāi)害研究現(xiàn)狀及展望*

張嬿妮，黃羅鑫，溫心宇，楊 丹，凌詩月

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710000；2.西安科技大學(xué) 西安市城市公共安全與消防救援重點實驗室，陜西 西安 710000)

0 引言

近年來，我國火災(zāi)災(zāi)害雖總體呈下降趨勢，但由于基數(shù)較大、地域特征明顯，有關(guān)火災(zāi)的科研熱度與應(yīng)用場景日趨增長、豐富。孫卓爾等[1]綜述14篇相關(guān)文獻，總結(jié)出受熱過程中短路熔痕的理化反應(yīng)和組織變化規(guī)律，提出以熱分析技術(shù)模擬火場熱環(huán)境，有助于火災(zāi)調(diào)查人員更準(zhǔn)確地推斷火場短路熔痕類型和熔痕受熱破壞程度；龐松穎等[2]通過對24篇文獻進行論述，總結(jié)火災(zāi)現(xiàn)場汽油殘留成分痕跡檢驗研究進展，提出一些基于汽油火災(zāi)研究領(lǐng)域探索新思路；Johansson等[3]對45篇文獻進行綜述，討論火災(zāi)動力學(xué)理論與實際應(yīng)用的發(fā)展及支撐情況，提出火災(zāi)災(zāi)害研究對實際應(yīng)用起積極推動作用，未來二者將產(chǎn)生更為緊密的聯(lián)系。

國內(nèi)有關(guān)學(xué)者雖然對部分火災(zāi)領(lǐng)域的研究進行了論述，但尚缺乏宏觀、系統(tǒng)的研究。本文運用文獻計量法對火災(zāi)災(zāi)害領(lǐng)域進行研究。文獻計量法常被用于評價和量化某科研領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r[4]，而Citespace(引文空間)作為文獻計量法常用的軟件工具之一，常被用于某學(xué)科方向的科學(xué)文獻可視化研究工作中[5-6]。本文研究數(shù)據(jù)來源于Web of Science檢索平臺，設(shè)置檢索語法為“TS=Fire AND TI=(Accident investigation OR Fire analysis)”,數(shù)據(jù)讀取時間為2021年3月10日，根據(jù)數(shù)據(jù)庫收錄情況，選取2014—2020年作為數(shù)據(jù)區(qū)間，檢索出1 157篇文獻，對火災(zāi)災(zāi)害發(fā)展進行階段性總結(jié)。研究結(jié)果可為火災(zāi)災(zāi)害領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)學(xué)者把握學(xué)科現(xiàn)狀，研討未來發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 發(fā)文時序及態(tài)勢分析

通過對檢索文獻逐一篩選，并利用Citespace對剩余文獻進行數(shù)據(jù)清洗，最終得到有效文章590篇，將其按時序進行整理并繪制帕累托圖，如圖1所示，近年來火災(zāi)研究領(lǐng)域發(fā)文量從2014年63篇/年，增長至2020年132篇/年，增長率約為109.5%。

圖1 2014—2020年火災(zāi)災(zāi)害研究領(lǐng)域發(fā)文量分布Fig.1 Distribution of papers number in fire research field from 2014 to 2020

整體來看，該領(lǐng)域的發(fā)展可分為2個階段，即2014—2018年穩(wěn)定發(fā)展期以及2019—2020年蓬勃增長期。在2019年出現(xiàn)發(fā)文量激增現(xiàn)象，這種情況可能與該時期全球氣候異常、火災(zāi)起數(shù)屢創(chuàng)新高相關(guān)，尤其是大型森林火災(zāi)(亞馬遜森林大火、美國加州大火、澳大利亞大火等)、大型建筑(群)火災(zāi)(巴黎圣母院火災(zāi)、日本沖繩古城火災(zāi)等)頻發(fā)，使得火災(zāi)災(zāi)害成為全球相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者關(guān)注重點。

2 學(xué)術(shù)合作圖譜研究

2.1 國家合作及地理分布

2014—2020年期間，相關(guān)國家/地區(qū)在火災(zāi)領(lǐng)域內(nèi)研究文獻的產(chǎn)出情況如圖2所示。目前全球主要有30個國家在關(guān)注此領(lǐng)域，其中我國(共產(chǎn)出158篇文獻，約占總數(shù)量20.4%)是文獻產(chǎn)出最多的國家，其次為美國(共產(chǎn)出81篇文獻，約占總數(shù)量10.5%)，這與兩國火災(zāi)災(zāi)害現(xiàn)狀密切相關(guān)。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中美兩國為全球火災(zāi)發(fā)生起數(shù)和造成死亡人數(shù)較高的國家，由此可以推斷未來兩國在火災(zāi)災(zāi)害領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究熱度將持續(xù)升溫。此外，全球火災(zāi)領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究熱點地區(qū)主要分布在東亞、西歐以及北美洲等地區(qū)。

圖2 2014—2020年相關(guān)國家/地區(qū)火災(zāi)領(lǐng)域內(nèi)研究文獻產(chǎn)出情況Fig.2 Output of research literature on fire in relevant countries/regions from 2014 to 2020

如圖3所示為2014—2020年相關(guān)國家/地區(qū)火災(zāi)領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)合作關(guān)系和弦圖，繪圖代碼中發(fā)文閾值取8。由圖3可知，我國在火災(zāi)災(zāi)害研究領(lǐng)域與其他國家合作活躍度最高(共合作發(fā)文62篇約占總發(fā)文量39.2%)，其中與澳大利亞(約占總發(fā)文量6.3%，下同)、美國(5.7%)、英國(5.0%)、比利時(4.4%)、加拿大(3.8%)合作最為密切。合作活躍度較高的依次還有美國、澳大利亞、法國、英國、西班牙等，而上述國家除西班牙外均與我國的合作發(fā)文較其他國家比例最高，這表明中國正在成為全球火災(zāi)災(zāi)害研究領(lǐng)域的中堅力量。

圖3 2014—2020年火災(zāi)領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)國家/地區(qū)學(xué)術(shù)合作關(guān)系Fig.3 Academic cooperation among relevant countries/regions in fire field from 2014 to 2020

2.2 機構(gòu)及期刊表現(xiàn)分析

如表1所示為2014—2020年，在火災(zāi)研究領(lǐng)域，載文量排名前5的機構(gòu)及期刊相關(guān)數(shù)據(jù)。在機構(gòu)表現(xiàn)方面，涉及火災(zāi)研究領(lǐng)域的機構(gòu)共223家，載文量排名前5的機構(gòu)分別為：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、美國森林服務(wù)局、科英布拉大學(xué)以及清華大學(xué)。其中，中國機構(gòu)占3/5，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)不僅是發(fā)文量最高的機構(gòu)，其合作發(fā)文排名亦為最高，而獨立出版排名最高的為中國礦業(yè)大學(xué)。由圖4(a)可見，相比于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，其余4個機構(gòu)2014—2020年期間的發(fā)文情況均未有明顯上升趨勢。

由表1可知，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)有Ji Jie、Hu Longhua等人，其研究方向為受限空間火羽流對可燃物影響[7]以及固體可燃物火蔓延痕跡[8]；中國礦業(yè)大學(xué)的Zhu Guoqing、Ji Jingwei等人主要從事火災(zāi)數(shù)字模型建立及應(yīng)用[9-10]、大型鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)特性及調(diào)查[11]等方面研究；而美國森林服務(wù)局的Nelson,Ralph M.,Jr和Cohn,Gregory M.等的研究內(nèi)容主要為森林、灌木火災(zāi)的調(diào)查及分析[12-13]。

在期刊表現(xiàn)方面，載發(fā)文量較高的期刊分別為《Fire Safety Journal》、《Fire Technology》、《Fire and Materials》、《International Journal of Wildland Fire》以及《Engineering Structures》，發(fā)表文獻共計142篇，約占總量23.87%，涵蓋工程、材料科學(xué)以及林學(xué)等學(xué)科類別。影響因子最高的期刊為《Engineering Structures》。結(jié)合圖4(b)可見，以上火災(zāi)研究領(lǐng)域期刊呈現(xiàn)出差異性、波動性。

表1 火災(zāi)領(lǐng)域載文量排名前5的機構(gòu)及期刊相關(guān)數(shù)據(jù)(2014—2020年)Table 1 Relevant data of top 5 institutions and journals by number of publications in fire field (2014—2020年)

圖4 火災(zāi)領(lǐng)域載文量排名前5的機構(gòu)及期刊載文趨勢(2014—2020年)Fig.4 Publication trends of top 5 institutions and journals by number of publications in fire field (2014—2020年)

3 技術(shù)主題分析

3.1 學(xué)術(shù)熱點研究

圖5所示為具有290個節(jié)點及495個鏈接的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)示意，表2所示總結(jié)了火災(zāi)領(lǐng)域關(guān)鍵詞類別詞頻排名前3的信息。其中詞頻表示該關(guān)鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)，中心性表示1個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中處于核心地位的程度，指標(biāo)越大重要度越高。結(jié)合圖5及表2，可得以下結(jié)論：各類別詞頻排名第1是：Forest Fire(森林火災(zāi))、Model(模型)和Behavior(行為)，其中Forest Fire與Drones(無人機，強度指數(shù)0.58，下同)、Wildfire(野火，0.55)、Climate(氣候，0.50)聯(lián)系強度最高；Model與Creep(蔓延，0.61)、Air(通風(fēng)，0.56)聯(lián)系強度最高；Behavior與Resistance(耐火性，0.63)、Propagation(傳播，0.5)聯(lián)系強度最高。

圖5 火災(zāi)領(lǐng)域關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)示意Fig.5 Schematic diagram for keywords co-occurrence network in fire research field

為進一步探究火災(zāi)研究領(lǐng)域的熱點情況，基于LLR算法對關(guān)鍵詞進行聚類并繪制耦合網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。圖譜計算結(jié)果顯示Q=0.756，S=0.894，表明網(wǎng)絡(luò)模塊度(Q)顯著性較好，網(wǎng)絡(luò)同質(zhì)性(S)恰當(dāng)，聚類匹配程度較高。

表2 火災(zāi)領(lǐng)域詞頻排名前3的關(guān)鍵詞類別信息(2014—2020年)Table 2 Category information of top 3 keywords by word frequency in fire field (2014—2020年)

圖6 關(guān)鍵詞聚類耦合網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Clustering coupling network of keywords in fire research field

如圖6所示為聚類程度較高的10個聚類，其中#0-fire resistance(耐火性)、#4-steel column(鋼柱)與#9-progressive collapse(漸進倒塌過程)是學(xué)術(shù)研究較為集中的領(lǐng)域，且隨著時間推移逐步得到發(fā)展；類似隨時間變遷的聚類還有#3-co-firing(共燃)和#8-welding spatter(焊接飛濺)。

綜合上文分析，通過數(shù)據(jù)清洗、信息篩選，最終可以歸納出火災(zāi)災(zāi)害研究領(lǐng)域的主要熱點分布情況，具體如下：

1)基于無人飛行器的森林火災(zāi)(野火)偵測調(diào)查。主要研究內(nèi)容有：機載紅外成像對林火余燼調(diào)查[14]；基于無人機智能化算法、多設(shè)備搭載的火災(zāi)檢測法[15-16]；機載激光雷達對火災(zāi)后樹木分布情況的量化[17]等。

研究手段/方法主要包括：無人機紅外輻射計、森林火災(zāi)檢測指數(shù)、新式機載傳感系統(tǒng)等。此外，美國森林服務(wù)局等機構(gòu)，在基于無人飛行器的森林火災(zāi)(野火)偵測調(diào)查領(lǐng)域有所建樹，南京森林警察學(xué)院對其也有一定關(guān)注。

2)基于火災(zāi)現(xiàn)場整體模型搭建的計算機模擬火災(zāi)事故技術(shù)與研究。主要研究內(nèi)容有：利用數(shù)字重建進行火災(zāi)分析和調(diào)查[18]；基于火災(zāi)模擬計算流體動力學(xué)對縱火現(xiàn)場進行調(diào)查[19]；火場炭黑痕跡數(shù)字建模對火災(zāi)事故研究的技術(shù)支持[20]等。

研究手段/方法主要包括：火災(zāi)現(xiàn)場模擬重建技術(shù)、CFD技術(shù)、FDS模擬、粒子沉積理論等。中國礦業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等機構(gòu)在該領(lǐng)域的研究成果較為豐富、活躍度較高。

3)火災(zāi)下建筑物構(gòu)件的耐火、倒塌行為研究。主要研究內(nèi)容有：火災(zāi)中鋼結(jié)構(gòu)立柱坍塌行為試驗研究與分析[21]；暴露在極端火災(zāi)中的混凝土耐火性能及坍塌事件分析[22]；鋼制門戶框漸進式坍塌火災(zāi)測試及數(shù)據(jù)研究[23-24]等。

研究手段/方法主要包括：建筑物構(gòu)件坍塌行為的受熱響應(yīng)分析、構(gòu)件耐火性實驗、構(gòu)件數(shù)值模擬、構(gòu)件倒塌模型的研究開發(fā)等。同濟大學(xué)、清華大學(xué)等機構(gòu)在該領(lǐng)域具有較為豐碩的成果，且已建立相關(guān)研究體系。

4)池火燃燒特性試驗及現(xiàn)象調(diào)查。主要研究內(nèi)容有：基于人工智能和熱力學(xué)的縱火案件調(diào)查研究[25]；隧道火災(zāi)中的池火現(xiàn)象調(diào)查[26]；基于汽油等物質(zhì)的池火燃燒特性實驗與研究[27]等。

研究手段/方法主要包括：可燃池燃燒特性測量、熱力學(xué)建模、FDS模擬等。清華大學(xué)、東北大學(xué)等機構(gòu)在該領(lǐng)域的研究較為深入。

5)火災(zāi)碎片實驗與分析方法。主要研究內(nèi)容有：利用GC/MS對火災(zāi)碎片殘留可燃物進行實驗和化學(xué)分析以加快調(diào)查進度[28]；使用LIES進行火災(zāi)碎片分析，得出可燃物為輕質(zhì)油且其燃燒碳層較厚的結(jié)論[29]等。

研究手段/方法主要包括：氣相色譜及質(zhì)譜法、可燃液體成分模擬、火災(zāi)殘骸化學(xué)分析、激光誘導(dǎo)光譜分析、錐形量熱儀等。該領(lǐng)域中阿爾卡拉大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等機構(gòu)有較多研究，同時提出了相關(guān)創(chuàng)新性課題，活躍度較高。

此外，對上述結(jié)論進一步分析，可得出以下2個結(jié)論：

結(jié)論1：就各研究方向所聚焦的火災(zāi)類型而言，A類火災(zāi)，即固體物質(zhì)火災(zāi)占比較大，多見于木制物燃燒、鋼制物和混凝土受熱行為。其次為B類火災(zāi)，即液體或可熔化固體物質(zhì)火災(zāi)，多見于易燃烴類液體、常用家裝高聚物基復(fù)合材料。以及E類火災(zāi)，即帶電物體和精密儀器等物質(zhì)的火災(zāi)，多見于電路短路、電池自燃等。

結(jié)論2：就我國與其他國家在火災(zāi)災(zāi)害研究領(lǐng)域的差異而言，我國學(xué)者明顯更加偏向于建筑類火災(zāi)、基于計算機模擬火災(zāi)等研究，而以美國為代表的發(fā)達國家則更注重森林火災(zāi)、火災(zāi)事故調(diào)查以及火場無人機等研究。

3.2 發(fā)展趨勢及學(xué)術(shù)前沿

在關(guān)鍵詞共現(xiàn)過程中，若以時間為軸可以對所呈現(xiàn)關(guān)鍵詞進行時區(qū)可視化圖譜繪制，進一步揭示關(guān)鍵詞之間的共現(xiàn)關(guān)系，如圖7所示。顯然在火災(zāi)研究領(lǐng)域中，早期學(xué)者更加注重“大課題”研究，例如火災(zāi)行為及參數(shù)判斷(關(guān)鍵詞為：behavior/行為;temperature/溫度；下同)、模型搭建及模擬(model/模型;design/設(shè)計;simulation/模擬)、大構(gòu)件受熱研究(column/柱;beam/梁;structure/結(jié)構(gòu);performance/性能表現(xiàn))以及森林火災(zāi)的研究(forest/森林;climate/氣候)等。

圖7 火災(zāi)研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞時區(qū)分布圖譜Fig.7 Time zone distribution map of keywords in fire research field

雖然在上述研究方向上，近幾年依舊有學(xué)者在逐步推進，但從大的研究趨勢來看該領(lǐng)域研究正在逐漸注重數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)的挖掘，其研究對象和研究手段更加具體化、精細(xì)化，例如對材料微觀結(jié)構(gòu)的探究(micro structure/微觀結(jié)構(gòu))、基于有限元分析的科研探索(finite element analysis/有限元分析)、基于計算流體力學(xué)建模的火災(zāi)模擬(CDF modelling/CDF模擬)以及對煙氣、擴散火等的模擬研究(smoke/煙氣;diffusion flame/擴散火焰)等。

此外，在關(guān)鍵詞的數(shù)據(jù)處理中對其突現(xiàn)分布情況進行分析，如圖8所示為2014—2020年火災(zāi)研究領(lǐng)域排名前12的關(guān)鍵詞突現(xiàn)分布情況，其中各時間節(jié)點代表著該領(lǐng)域研究方向的興衰趨勢和某一時期內(nèi)的研究前沿情況。

圖8 火災(zāi)研究領(lǐng)域排名前12的關(guān)鍵詞突現(xiàn)分布情況(2014—2020年)Fig.8 Emergence distribution of top 12 keywords in fire research field (2014—2020年)

目前研究前沿，即目前仍處于爆發(fā)區(qū)間的研究方向有：火災(zāi)風(fēng)險研究(risk/風(fēng)險)、熱釋放速率研究(heat release rate/熱釋放速率)、對點火器(源)的調(diào)查研究(ignition/點火)以及基于數(shù)值模擬的火災(zāi)調(diào)查(numerical simulation/數(shù)值模擬)等，其代表作者主要有：Tang Yibo、Huang Youbo、Xu Yanying、Cicione,Antonio等人，所研究內(nèi)容主要包括：煤自燃風(fēng)險來源及控制預(yù)防措施的研究[30]、基于CFD不同熱釋放速率對隧道天花板溫度和縱向衰減數(shù)值的影響研究[31]、點火位置與火焰?zhèn)鞑ε菽诵牟牧先紵袨榈恼{(diào)查研究[32]、對棚戶區(qū)的火災(zāi)模擬實驗及數(shù)值模型開發(fā)等[33]。

3.3 文獻共被引分析

被引的高文獻量可以大概反映出1個學(xué)科領(lǐng)域高質(zhì)量論文數(shù)量，同時這些高被引文獻也處于該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究基石或開創(chuàng)性地位。

如表3所示為2014—2020年火災(zāi)研究領(lǐng)域5篇高質(zhì)量被引文獻，總體來看這些文獻的研究方向基本包括：對森林火災(zāi)(野火)誘(起)因調(diào)查研究、對火場可用于鑒定物證的分析探討(火場遺留火災(zāi)碎片、池火痕跡、鋼結(jié)構(gòu)物體等)以及基于數(shù)字建模和火場模擬的火災(zāi)研究等，這與上文所得結(jié)論相吻合，表3中排名為本文所研究領(lǐng)域的該文獻共被引頻次排名，被引頻次指該文獻在所有領(lǐng)域的整體被引頻次。

通過數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，在共被引文獻中Jolly,W.Matt等人所發(fā)表的《Climate-induced variations in global wildfire danger from 1979 to 2013》不僅為本文研究時期火災(zāi)領(lǐng)域內(nèi)被引排名第1的引文，也是在所有領(lǐng)域整體被引次數(shù)最高的文章，達到了520次。此外，收錄文獻的5個期刊與前文所述該領(lǐng)域期刊載文量排名前5的期刊中僅有1個相同，這表明火災(zāi)災(zāi)害學(xué)科領(lǐng)域交叉性較強，對學(xué)者專業(yè)能力方面具有較高的要求，也表明該領(lǐng)域科研工作將持續(xù)處于較高的活躍度。

表3 火災(zāi)領(lǐng)域被引頻次前5的文獻(2014—2020年)Table 3 Top 5 literature by cited frequency in fire field (2014—2020年)

4 結(jié)論

1)2014—2020年，火災(zāi)領(lǐng)域發(fā)文量呈持續(xù)上升趨勢，發(fā)文增長率約達109.5%，并在2019年從穩(wěn)定發(fā)展期進入蓬勃增長期。

2)我國正在成為全球火災(zāi)研究領(lǐng)域的中堅力量；我國在火災(zāi)研究領(lǐng)域與其他國家合作活躍度較高；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在該領(lǐng)域內(nèi)載文量、合作發(fā)文排名較高；《Fire Safety Journal》和《Engineering Structures》分別為載文量和影響因子最高的期刊。

3)目前該領(lǐng)域研究前沿與研究熱點存在差異，未來該領(lǐng)域的研究將更加注重對火災(zāi)微觀機理研究，而非針對某種特定火災(zāi)類型進行深入發(fā)掘。

4)火災(zāi)領(lǐng)域是1個交叉性較強的學(xué)科領(lǐng)域，該領(lǐng)域未來科研活動將持續(xù)處于較高的活躍度。