基于CiteSpace的國(guó)內(nèi)棉紡智能化研究圖譜分析

曹吉強(qiáng)，王 勇，唐新軍，陳 超

(1.新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院，烏魯木齊 830017; 2.安徽工程大學(xué)紡織服裝學(xué)院，安徽蕪湖 241000; 3.新疆工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830023; 4.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620; 5.濟(jì)寧如意新材料技術(shù)有限公司，山東濟(jì)寧 272000)

隨著人工智能、互聯(lián)網(wǎng)+云系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)等科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，全球紡織制造業(yè)有關(guān)自動(dòng)化、連續(xù)化、智能化的研究迅速展開(kāi)，相關(guān)研究為傳統(tǒng)紡紗裝備改造升級(jí)指明了方向，為企業(yè)產(chǎn)能的提高提供了必要支撐[1]。而提高紡織企業(yè)產(chǎn)能的重要條件之一就是紡織機(jī)械的高端化和智能化，因此，智能紡織裝備與系統(tǒng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[2]。目前，中國(guó)紡織強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)已基本實(shí)現(xiàn)，棉紡產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能占全球規(guī)模的50%左右，化纖產(chǎn)量占世界70%，貿(mào)易占全球 1/ 3，其中棉紡紗機(jī)械在中國(guó)紡織機(jī)械市場(chǎng)的占比份額高達(dá)60%[3]。同時(shí)，棉紡智能化發(fā)展也存在一些不足：首先，棉紡產(chǎn)業(yè)鏈中智能化設(shè)備占比率較低；其次，國(guó)際高端紡織機(jī)器設(shè)備國(guó)產(chǎn)所占比例不高，國(guó)產(chǎn)智能化水平相對(duì)落后；再次，棉紡智能化企業(yè)中多為大型企業(yè)，中小型棉紡企業(yè)智能化很少；最后，還存在國(guó)產(chǎn)棉紡企業(yè)智能化成果轉(zhuǎn)化率低、發(fā)展受限，在軋花、染整織造等產(chǎn)業(yè)的智能化研究均較緩慢[4]。Watson等[5]和Gates等[6]通過(guò)對(duì)棉紡企業(yè)智能化現(xiàn)狀的了解，認(rèn)為紡織行業(yè)需將有限的資金和研究經(jīng)歷投入智能化工作中；董奎勇[7]通過(guò)對(duì)棉紡企業(yè)智能化現(xiàn)狀的分析，認(rèn)為紡織行業(yè)需加強(qiáng)紡織制造業(yè)的戰(zhàn)略定力，加快紡織車(chē)間智能化，加快“專(zhuān)精特新”紡織企業(yè)的發(fā)展，加快紡紗機(jī)械科技創(chuàng)新和提升高端紡紗機(jī)械的智能化，基本實(shí)現(xiàn)紡織產(chǎn)業(yè)“十四五”末期的目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)紡織裝備國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率穩(wěn)定在80%左右，國(guó)產(chǎn)紡織裝備出口金額占比保持在全球的20%以上[8]。

本文借助中國(guó)知網(wǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)棉紡智能化相關(guān)文獻(xiàn)利用CiteSpace科學(xué)可視化分析軟件進(jìn)行定量分析研究，通過(guò)圖譜分析了研究單位、科研機(jī)構(gòu)和作者以及關(guān)鍵詞的研究現(xiàn)狀，從學(xué)術(shù)研究方面著重分析國(guó)內(nèi)棉紡智能化發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)及研究熱點(diǎn)，為中國(guó)紡織機(jī)械智能化完成自主創(chuàng)新研發(fā)與夯實(shí)紡織強(qiáng)國(guó)提供參考，保障中國(guó)未來(lái)棉紡織業(yè)智能化快速發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

通過(guò)對(duì)CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中，在2002—2021年時(shí)間跨度內(nèi)，分別以“棉紡”和“智能”為主題詞檢索可分別得到有效文獻(xiàn)6581篇和175.44萬(wàn)篇，本文以“棉紡”含“智能”為主題詞檢索，查找全數(shù)據(jù)庫(kù)中含有棉紡智能化內(nèi)容的文獻(xiàn)，并篩除檢索引擎中的報(bào)紙和成果等非文獻(xiàn)類(lèi)型，同時(shí)從文獻(xiàn)結(jié)果中刪除關(guān)鍵詞為“智能紡織品”的文獻(xiàn)資料。最后，在文獻(xiàn)中分別選出約140篇文獻(xiàn)作為可視化分析的樣本，其中含21篇專(zhuān)利。

1.2 處理方法

基于可視化圖譜分析法，利用CiteSpace科學(xué)文獻(xiàn)可視化分析軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)分析軟件，以圖譜和視圖的方式將各年度文獻(xiàn)的數(shù)量、研究單位與作者和關(guān)鍵詞等內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可視化分析了棉紡織智能化發(fā)展的演變，并采用可視化分析理論和學(xué)科專(zhuān)業(yè)知識(shí)對(duì)可視化圖譜闡述和論述。

2 棉紡智能化發(fā)展圖譜分析

2.1 研究文獻(xiàn)量對(duì)比分析

研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)量代表了研究的熱度和水平，結(jié)合圖1年份趨勢(shì)圖來(lái)看，近20年棉紡智能化文獻(xiàn)量隨時(shí)間大體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，文獻(xiàn)量均呈線性增加。從圖1中發(fā)展趨勢(shì)線來(lái)看，2002年研究文獻(xiàn)量較少，之后維持在每年4篇左右，從2013年開(kāi)始棉紡智能化的相關(guān)研究成為熱點(diǎn)，研究文獻(xiàn)量有所增長(zhǎng)，到了2016年出現(xiàn)驟增，這歸結(jié)于互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，由于疫情的影響，2020年文獻(xiàn)量有所減少，但隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的融入，預(yù)計(jì)2022年以后文獻(xiàn)量持續(xù)增加，棉紡智能化會(huì)成為今后幾年棉紡織領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。

圖1 2002—2021年棉紡智能化文獻(xiàn)量分布Fig.1 Distribution of cotton textile intelligence literature research between 2002 and 2021

2.2 研究單位與作者圖譜分析

為明晰棉紡智能化領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，采用可視化圖譜分析了主要研究單位和研究作者的分布。

圖2直觀地表示棉紡智能化領(lǐng)域的研究單位，字體越大說(shuō)明其發(fā)文量越多，研究單位字節(jié)之間的連線越密、越寬，代表了合作文獻(xiàn)越多、聯(lián)系越緊密。機(jī)構(gòu)之間的網(wǎng)絡(luò)密度為0.0299，表明各企業(yè)單位和科研院所之間交流較少和合作不夠緊密，從稀疏和比較細(xì)的連線也可得出，研究單位整體較為分散，多數(shù)為獨(dú)立的研究機(jī)構(gòu)，并且與企業(yè)間沒(méi)有形成良好的合作局面。字體大小體現(xiàn)出“中國(guó)紡織工程學(xué)會(huì)”在棉紡智能化領(lǐng)域具有較多的研究文獻(xiàn)量，反映其具有較高的研究水平，對(duì)中國(guó)棉紡織業(yè)智能化發(fā)展方面做出了巨大的貢獻(xiàn)；從科研高校的角度分析，其中最為突出的高校是“東華大學(xué)”和“江南大學(xué)”，尤其是在棉紡機(jī)械智能化和預(yù)測(cè)系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[9]，而在綜合管理和工藝設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)方面“浙江大學(xué)”提供面向棉紡企業(yè)的系統(tǒng)策略[10-11]，需進(jìn)一步加強(qiáng)校企在應(yīng)用領(lǐng)域的合作研究，將實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)小試生產(chǎn)；最后，通過(guò)文獻(xiàn)和專(zhuān)利的分析發(fā)現(xiàn)各紡機(jī)企業(yè)數(shù)量越來(lái)越多，尤其是研究紡織機(jī)械的單位數(shù)量增多，進(jìn)一步推動(dòng)紡機(jī)智能化的發(fā)展。

圖2 2002—2021年棉紡智能領(lǐng)域研究單位圖譜Fig.2 Analysis graph of research units in the field of cotton textile intelligence between 2002 and 2021

圖3為棉紡智能化研究作者合作網(wǎng)絡(luò)圖譜，各作者之間網(wǎng)絡(luò)密度為0.0244，與研究單位表現(xiàn)結(jié)果類(lèi)似，研究作者的聯(lián)系同樣較為分散，合作者聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)稀疏，僅有3個(gè)較大的合作網(wǎng)絡(luò)，其中“袁春妹”和“程隆棣”的合作網(wǎng)絡(luò)較多，說(shuō)明兩位研究者具有較強(qiáng)的企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以有效指導(dǎo)企業(yè)智能化的發(fā)展。

圖3中分散在外圈的研究者都是以個(gè)體研究者的形式呈現(xiàn)，說(shuō)明了棉紡智能化領(lǐng)域的研究作者尚未出現(xiàn)大批量、聚集性的合作，研究合作者偏少可能是由于企業(yè)注重專(zhuān)利權(quán)的保護(hù)未將所做創(chuàng)新型研究公布。同時(shí)，還查閱了文獻(xiàn)來(lái)源，《棉紡織技術(shù)》、《紡織機(jī)械》和《東華大學(xué)(碩博論文)》均出版了較多棉紡織智能化相關(guān)的文章，其中，《棉紡織技術(shù)》期刊發(fā)文量最大，從文獻(xiàn)來(lái)源角度表現(xiàn)出其在棉紡智能化領(lǐng)域的重要引領(lǐng)作用。

圖3 2002—2021年棉紡智能化領(lǐng)域研究作者圖譜Fig.3 Analysis graph of authors in the field of cotton textile intelligence between 2002 and 2021

2.3 研究關(guān)鍵詞熱點(diǎn)及研究趨勢(shì)

為了探究棉紡智能化的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，以關(guān)鍵詞聚類(lèi)圖譜、關(guān)鍵詞時(shí)間線圖譜和突現(xiàn)詞圖譜分析了棉紡智能化研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞作為文獻(xiàn)中的重要組成部分，可以突出文章的核心內(nèi)容，采用關(guān)鍵詞分析圖譜可以有效認(rèn)清各關(guān)鍵詞概念之間的關(guān)系[12]。圖4為2002—2021年棉紡智能化關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析圖譜，由圖4可得到節(jié)點(diǎn)數(shù)和邊數(shù)分別為N=159、E=495，說(shuō)明關(guān)鍵詞共現(xiàn)研究方面聯(lián)系密切，將關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析后，繼而又做聚類(lèi)對(duì)比，得到關(guān)鍵詞主要分布在9個(gè)較大的方向。

如圖4所示用線條做了劃分，關(guān)鍵詞越大說(shuō)明文獻(xiàn)量越多，且在文獻(xiàn)中出現(xiàn)的頻次越多，說(shuō)明文章主題之間聯(lián)系越緊密，其中，中心詞“智能化(0.20)”排在了第五位，“棉紡行業(yè)(0.32)”、“紡織行業(yè)(0.27)”、“紡織機(jī)械(0.26)”、“棉紡設(shè)備(0.22)”分別排在前四位，紡織機(jī)械和棉紡設(shè)備在紡織領(lǐng)域中具有突出作用，與上文研究單位注重紡織機(jī)械的研究結(jié)果相匹配。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的詳細(xì)閱讀分析，其內(nèi)容中不乏含有ERP、CPS、PLM、MES等智能化信息系統(tǒng)的整合與應(yīng)用[13-14]，同時(shí)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的紡紗機(jī)械裝備與各種紡紗關(guān)鍵器材其技術(shù)性能均有顯著提高[15-16]，有的已接近國(guó)外水平，可以取代進(jìn)口[17]，上述系統(tǒng)和裝備與關(guān)鍵器材的應(yīng)用，促進(jìn)了棉紡企業(yè)信息的數(shù)字化和管理的智能化的實(shí)施。圖4中關(guān)鍵詞“轉(zhuǎn)型升級(jí)”主要在智能化方面升級(jí)，不僅要依賴紡織裝備的自動(dòng)化、連續(xù)化和高速化[18-19]，生產(chǎn)工藝智能化還要依靠數(shù)字化與信息化[20]。雖然智能化研究已屬研究熱點(diǎn)，但聚類(lèi)圖譜顯示研究之間交叉少，說(shuō)明文獻(xiàn)量少，整體發(fā)展和工藝連續(xù)和承接性方面還有欠缺，發(fā)展還較為緩慢。

圖4 2002—2021年棉紡智能化關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析圖譜Fig.4 Co-occurrence analysis spectrum of keywords in the field of cotton textile intelligence between 2002 and 2021

在棉紡智能化領(lǐng)域每個(gè)新關(guān)鍵詞的出現(xiàn)，意味著其領(lǐng)域內(nèi)某項(xiàng)舊技術(shù)被取代或者升級(jí)，另外，也可反饋棉紡智能化發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)以及今后發(fā)展需要關(guān)注的重點(diǎn)。圖5為棉紡智能化關(guān)鍵詞時(shí)間線分析圖譜，可以通過(guò)具體關(guān)鍵詞分析出在2002年到2004年各年度的關(guān)注點(diǎn)，以及每個(gè)聚類(lèi)里關(guān)鍵詞的發(fā)展情況，從聚類(lèi)的9個(gè)方面分析棉紡智能化的圖譜，研究年限最久的是紡織機(jī)械，主要體現(xiàn)在細(xì)紗機(jī)和粗紗機(jī)等設(shè)備方面，直至2021年仍然是研究熱點(diǎn)。從關(guān)鍵詞時(shí)間線上可以看出，“數(shù)字化”“智能化”和“節(jié)能”連線密集程度上最為密集，即為目前棉紡智能化研究熱點(diǎn)關(guān)鍵詞。自2004年在棉紡設(shè)備細(xì)紗機(jī)上采取智能化措施開(kāi)始到2009年信息化的普及再到2014年工業(yè)信息的數(shù)字化和自動(dòng)化實(shí)施，逐步實(shí)現(xiàn)棉紡智能化技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展。同時(shí)，從2009年開(kāi)始棉紡織企業(yè)進(jìn)入了轉(zhuǎn)型升級(jí)期，在2016年“綠色、節(jié)能、減排”和“工業(yè)4.0”等關(guān)鍵詞匯進(jìn)入廣大企業(yè)家的視野后，在傳統(tǒng)棉紡設(shè)備上改造升級(jí)實(shí)現(xiàn)企業(yè)的智能化成為大部分棉紡企業(yè)采取的措施，這需要在紡織機(jī)械連續(xù)化、自動(dòng)化和信息化的基礎(chǔ)上一步步實(shí)現(xiàn)[21-22]。隨著棉紡智能化的創(chuàng)新發(fā)展，結(jié)合國(guó)內(nèi)對(duì)關(guān)鍵詞時(shí)間線圖譜聚類(lèi)分析，“數(shù)字化”“智能化”和“節(jié)能”將成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)，其中“智能化”未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)更關(guān)注云平臺(tái)、人工智能等科學(xué)技術(shù)[23]，這也符合紡織行業(yè)技術(shù)特征的發(fā)展在智能化研究方式上的轉(zhuǎn)變。

圖5 2002—2021年棉紡智能化關(guān)鍵詞時(shí)間線分析圖譜Fig.5 Timeline analysis graph of keywords in the field of cotton textile intelligence between 2002 and 2021

為了更好地把握2002—2021年棉紡行業(yè)的熱點(diǎn)方向與前沿，對(duì)棉紡智能化文獻(xiàn)突現(xiàn)詞做圖譜分析，如圖6所示，通過(guò)對(duì)近20年研究突現(xiàn)詞強(qiáng)度和熱點(diǎn)趨勢(shì)分析，可知棉紡領(lǐng)域智能化的影響力逐漸在擴(kuò)大，強(qiáng)度值排在前列。圖6中顯示被引強(qiáng)度最高的前5個(gè)突現(xiàn)詞分別是“紡紗機(jī)械(1.61)”、“粗細(xì)聯(lián)(1.61)”、“紡紗行業(yè)(1.29)”、“智能制造(1.1)”和“網(wǎng)絡(luò)化(1.06)”；從開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間發(fā)現(xiàn)，突現(xiàn)詞出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與論文數(shù)量增長(zhǎng)相一致，集中在2014年；從圖6中可以看出，自2002年以來(lái)，隨著時(shí)間的推移和研究作者方向的轉(zhuǎn)變，2021年棉紡智能化的研究熱點(diǎn)為“棉紡織”“環(huán)錠紡”和“紡織行業(yè)”，而“智能”貫穿在三個(gè)突現(xiàn)詞的各環(huán)節(jié)中。值得注意的是，“網(wǎng)絡(luò)化”“粗細(xì)聯(lián)”和“紡織機(jī)械”在2014年突現(xiàn)，其強(qiáng)度分別為1.61、1.06和0.7，說(shuō)明從2014年開(kāi)始紡織行業(yè)對(duì)棉紡智能化研究重視程度加大，智能化成為大型企業(yè)和科研院所正在研究和攻克的熱點(diǎn)。另外，從閱讀文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，企業(yè)既然注重紡織工業(yè)的發(fā)展及帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，就要加大在紡織機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)方面的投入[24]。通過(guò)分析突現(xiàn)詞還發(fā)現(xiàn)，中國(guó)在計(jì)算機(jī)軟件、大數(shù)據(jù)分析和人工智能等方面，以及在基礎(chǔ)學(xué)科方面與紡織相結(jié)合的研究較少，還需要不斷推進(jìn)具有自動(dòng)感知、智慧決策、自動(dòng)執(zhí)行功能的高端智能軟件的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[25-26]。

圖6 2002—2021年棉紡智能化文獻(xiàn)突現(xiàn)詞圖譜Tab.6 The map of bursts words in cotton textile intelligence between 2002 and 2021

3 結(jié) 論

棉紡智能化是紡織強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志，本文通過(guò)文獻(xiàn)圖譜特征分析得出中國(guó)棉紡智能化整體向好發(fā)展?；贑NKI文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，采用CiteSpace軟件對(duì)國(guó)內(nèi)棉紡智能化研究趨勢(shì)、研究單位和研究作者以及研究關(guān)鍵詞做系統(tǒng)的圖譜分析。研究結(jié)果表明中國(guó)棉紡織企業(yè)智能化發(fā)展有以下特點(diǎn)：首先，棉紡織智能化發(fā)展研究熱度逐年升高，研究熱點(diǎn)也圍繞智能化展開(kāi)；其次，中國(guó)棉紡智能化的研究開(kāi)發(fā)工作存在研究單位和研究作者網(wǎng)絡(luò)密度較小、交流溝通少及研究單位和研究作者之間合作不夠緊密，尚未出現(xiàn)大批、聚集性合作的單位和企業(yè)及團(tuán)隊(duì)，以東華大學(xué)、江南大學(xué)為主研究單位說(shuō)明了中國(guó)棉紡智能化還處于研發(fā)探索階段，高校應(yīng)加強(qiáng)與企業(yè)的合作交流，實(shí)現(xiàn)企業(yè)和研究院所以及大小企業(yè)之間的信息互通互享，建立共享資源平臺(tái)和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，形成較為成熟的智能化體系團(tuán)隊(duì)，逐步攻克智能化核心領(lǐng)域，促進(jìn)棉紡智能化企業(yè)的發(fā)展；最后，在突現(xiàn)詞圖譜中智能化研究已屬研究熱點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)計(jì)算機(jī)軟件、大數(shù)據(jù)分析和人工智能和基礎(chǔ)學(xué)科的研究投入，通過(guò)分析得到數(shù)字化、智能化和節(jié)能是棉紡智能化企業(yè)研究的熱點(diǎn)詞匯也成為今后棉紡織企業(yè)的研究趨勢(shì)。目前，紡織行業(yè)在國(guó)內(nèi)制造業(yè)已處于領(lǐng)先，為了促進(jìn)國(guó)產(chǎn)紡織機(jī)械智能化的推廣以及提升市場(chǎng)占有額，建議政府單位、研究機(jī)構(gòu)、各大院校以及企業(yè)持續(xù)重視對(duì)紡紗設(shè)備與紡紗關(guān)鍵器材的智能化及配套設(shè)施的研發(fā)與使用，并研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的紡織機(jī)械智能化設(shè)備及配套系統(tǒng)，為棉紡織產(chǎn)業(yè)智能化的自立自強(qiáng)提供參考方向。