虛擬仿真在安全科學領域應用的知識圖譜可視化研究

鄒全樂 趙佳佳 陳結 劉瑩 田世祥 郭正超

關鍵詞：安全科學；虛擬仿真；CiteSpace；可視化；文獻計量學

安全是社會生產和發展的基本保障條件，安全科學滲透在眾多工程技術領域，涵蓋應急救援、災害控制、事故分析等多方面[1]。安全科學領域的信息化、自動化學術研究逐漸受到國內外學者的廣泛關注。大批學者紛紛將信息科學運用到安全科學領域的研究中，借助云計算、物聯網、大數據等信息技術推動安全科學領域的發展和進步。其中，虛擬仿真以其獨特的沉浸性、交互性和多感性為安全科學領域的研究提供了多種創新思維與模式。安全科學與虛擬仿真的結合以其前沿性、交叉性和挑戰性，已經逐步發展成為一個特色鮮明，充滿生機和活力的工程科學領域[2-3]。近年來，虛擬仿真在安全科學領域應用的相關文獻大量涌現，這些文獻中包含的信息能夠有效地展現安全科學領域中虛擬仿真的應用現狀和發展趨勢。

文獻計量學是采用數學和統計學方法分析各類學科發展中存在的數學規律，能客觀有效地反映學科領域中的發展動態[4]。目前，已有學者利用CiteSpace 探究虛擬仿真在實驗教學、職業教育、現代化礦山等領域的發展趨勢[5]，但目前還鮮有學者利用可視化技術對虛擬仿真在安全科學所涉及的各領域進行系統而全面的分析。這方面的研究對于了解該領域的發展歷程，掌握其研究熱點意義重大。本文旨在采用CiteSpace對近24年以來虛擬仿真在安全科學領域的發文量、研究學者、研究機構、關鍵詞等進行綜合分析，闡述該領域的研究現狀，重點探討該領域的主要研究內容和研究方向等方面的發展演化，進而提出該領域的未來研究重點，以期為安全科學的信息化研究提供參考。

1 數據與方法

1.1 數據來源

本次研究數據來自CNKI，初步篩查1998—2021 年間收錄的包含虛擬仿真、安全科學為主題的期刊文獻2 464篇，碩博論文812篇。通過人工剔除書評、簡報等，最終得到2 842篇文獻作為本文的研究對象，極大程度上保障了數據來源的代表性。

1.2 分析方法

將篩選出的文獻以Refworks 格式導出，采用CiteSpace 6.1.R2繪制知識圖譜。首先將Refworks文檔導入CiteSpace軟件進行相應的轉化，然后設置可視化時間段，調節時間段切片長度，設置g-index、Top N、Top N%等不同的演算方式和閾值，最后從研究學者與研究機構合作網絡拓撲、關鍵詞共現圖譜、關鍵詞聚類與演化圖譜、關鍵詞突顯情況等多方面對該領域進行綜合分析。

2 發文量時空序列分布規律

2.1 文獻發表趨勢分析

虛擬仿真在安全科學領域的發文量時序特征能反映出該領域的發展歷程。虛擬仿真在安全科學領域發文量時序分布特征如圖1 所示。由圖1 可知，1998—2005年年度發文量呈現逐步增加趨勢，但增勢較緩且數量較低，該階段可視為研究起步階段；2006—2015年整體發文量較起步階段有所提升，增長趨勢較緩，年度發文量日益增加，該階段可視為基本發展階段；2016年以后，整體發文量較基本發展階段又得到了量的飛躍，該階段發文數量大且波動明顯，可視為快速發展階段。

圖2為虛擬仿真在安全科學領域研究學者的知識圖譜，圖中網絡節點的顏色與時間軸顏色相對應。根據Price定律[6]，該領域內的核心作者最低發文量為：

將虛擬仿真在安全科學領域發文量大于2的學者定義為該領域的核心作者，圖2僅展示出部分具有代表性的核心作者。據不完全統計，核心作者共計347 名，累計發文量為1 287篇，占總發文量的45.3%，非常接近Price 提出的50% 的閾值，說明核心作者群已突顯。

從發文量來看，朱群雄、陳濤等學者具有較高的發文量；從學者合著群網絡復雜程度來看，網絡復雜程度：A1>A2>A3>A4>A5>其他合著群網絡。隨著時間的推移，合著群網絡復雜程度有逐漸增加趨勢；從圖譜的整體情況來看，網絡圖譜節點數為360，線路251條，網絡密度為0.003 9，整體網絡復雜度較低，說明該領域作者合著強度較低。因此，研究學者之間需加強合作以促進該領域的發展。

2.3 機構可視化分析

圖3為虛擬仿真在安全科學領域研究機構的知識圖譜。由圖3可知，虛擬仿真在安全科學領域的研究機構類型是多元化的，包含高等院校、研究所、企業等。從研究機構合作共現網絡來看，網絡圖譜節點數為304，路線為42條，網絡密度為0.000 9。研究機構可視化合作網絡整體上零星分散，僅存在少數節點聯系密切，整體網絡結構簡單，基本上沒有體現出復雜的閉環網絡，這表明我國在該領域研究機構之間的合作與交流還有很大的提升空間。權威機構之間的相互合作是促進科學領域發展的關鍵因素[7]，其中以中國礦業大學等為核心的研究機構合作圖譜較為緊密；中國地震局工程力學研究所、中國科學技術大學等機構和其他科研機構也存在一些合作，但網絡結構相對簡單；另外還存在一些合作網絡不太顯著但具有較大的節點的機構，如華中科技大學等，它們也是推動該領域發展的不可或缺的力量。

3 熱點主題與未來研究趨勢分析

3.1 研究熱點分析

圖4為虛擬仿真在安全科學領域的相關研究文獻的關鍵詞共現圖譜。結合圖譜網絡與可視化界面數據可知，共現頻次較大的關鍵詞有虛擬現實（728 次）、虛擬仿真（293次）、應用（95次）、實驗教學（92） 、安全培訓（83次）等。中介中心性較大的關鍵詞有虛擬現實（0.66） 、虛擬仿真（0.23） 、應用（0.23） 、煤礦安全（0.14） 、安全管理（0.13） 等。基于關鍵詞共現圖譜網絡、共現頻次、中介中心性等可視化信息，提出虛擬仿真在安全科學領域的研究熱點主要體現在虛擬仿真應用、礦山安全、安全管理、應急管理等方面。為便于觀察該領域研究熱點的分布情況，對關鍵詞網絡進行聚類分析。圖5為關鍵詞聚類圖譜。可視化界面參數顯示聚類模塊值（Q） 與聚類平均輪廓值（S） 分別為0.56與0.866 8。一般認為：Q＞0.3，說明聚類結果顯著；S>0.5，聚類結果是合理的；若S>0.7，意味著聚類結果令人高度信服[5]。綜上所述，圖譜聚類效果顯著且聚類結果是高度可信的。聚類標簽顯示了該領域的研究熱點主要為虛擬現實（#0） 、虛擬仿真（#1） 、安全培訓（#2） 、應急演練（#3） 、應用（#4） 、可視化（#5） 、安全管理（#6） 、仿真（#7） 、物聯網（#8） 、建筑施工（9） 。聚類結果表明，虛擬仿真在安全科學領域的研究熱點主要聚焦于安全培訓、應急演練、虛擬仿真應用等方面。

3.2 研究熱點演進分析

利用CiteSpace對關鍵詞進行基于時間序列的聚類分析，得到了虛擬仿真在安全科學領域的10類研究熱點隨時間序列的分布特征，如圖6所示，從中提取主要聚類類團及其主題如表1所示。

基于圖6和表1的關鍵信息，通過歸納分析得出虛擬仿真貫穿于安全科學領域的各方面。在宏觀上表現為以下三個方面：第一，虛擬仿真在安全科學領域的理論基礎研究，如虛擬仿真數學模型研究；第二，虛擬仿真系統的構建，如人員培訓系統的構建；第三，虛擬仿真的實際工程應用，如漫堤預警。

3.3 前沿熱點分析

選取CiteSpace的burstness模塊對關鍵詞突顯情況進行分析，如表2所示。表2中虛線框標注的時間軸代表了對應年份關鍵詞有突顯且在紅色段關鍵詞較為活躍。關鍵詞的突顯強度越大，其影響力越大，突顯起始年份越早，該方向越早受到人們的關注。由關鍵詞突顯時間分布情況可知，煤礦安全突顯的時間最長，其次是突發事件，而煤礦、安全評價、應急演練等關鍵詞具有相同的持續時長。安全教育、實驗教學、新工科、數字孿生等是近期突顯的關鍵詞；根據關鍵詞突顯強度來看，實驗教學突顯強度最大，其次為突發事件、安全教育、煤礦安全等。

基于關鍵詞共現、關鍵詞聚類以及關鍵詞突顯的分析結果，歸納總結虛擬仿真在安全科學領域的未來研究重點主要體現在兩個方面。第一，安全培訓方面。一般傳統的安全培訓模式在理論教學內容上抽象化，在實踐教學上單一化、高成本，導致傳統的安全培訓模式已經無法滿足新工科背景下實踐型和創新型人才的培養要求，而虛擬培訓帶來了一種全新的視野。第二，數字孿生方面。數字孿生是虛擬仿真的升級。虛擬仿真的重點強調高仿真度，而數字孿生則是要達到虛實結合，甚至是以虛控實。在安全科學領域，數字孿生在安全監測監控、動態仿真、故障診斷等方面具有很大的應用潛力。

4 結論

虛擬仿真在安全科學領域的應用研究經歷了起步階段、基本發展階段、快速發展階段等三個階段。隨著時間的推移，該領域發文量顯著提升，該領域具有較大的研究價值和潛力。合著群網絡復雜程度隨時間的推進逐漸增加，但整體網絡復雜度較低。科研機構呈現多元化，但網絡結構整體較為分散且簡單。研究學者、研究機構之間的相互合作與密切交流仍有較大提升空間。虛擬仿真在安全科學領域應用的熱點聚焦在安全培訓、應急演練、VR技術運用等方面，未來研究趨勢主要體現在安全培訓、數字孿生兩個方面。