基于CiteSpace的建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究熱點(diǎn)與前沿分析

摘要：通過(guò)檢索Web of Science、中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫(kù)中2018—2024年2月建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生的相關(guān)文獻(xiàn)，利用CiteSpace軟件和文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法對(duì)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究主體、研究熱點(diǎn)、研究前沿進(jìn)行可視化分析并繪制知識(shí)圖譜。研究結(jié)果表明：國(guó)內(nèi)外建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生共同的研究熱點(diǎn)包括智能建造、物聯(lián)網(wǎng)等；國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)主要集中在智慧城市和建設(shè)管理等方面；研究前沿主要為數(shù)字孿生下的建設(shè)項(xiàng)目管理，主要包括運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理、生命周期管理、風(fēng)險(xiǎn)管理和資產(chǎn)管理。

關(guān)鍵詞：建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生；CiteSpace；研究熱點(diǎn)；研究前沿

0 引言

數(shù)字孿生是一種以數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建現(xiàn)實(shí)世界中物理實(shí)體的仿真模型，借助大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境的全生命周期過(guò)程，通過(guò)一系列信息手段擴(kuò)展物理實(shí)體綜合性能的創(chuàng)新技術(shù)^[1]。目前，數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域已有一些研究成果。國(guó)際上，學(xué)者們對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行了大量的研究探索，如Rios等^[2]從工業(yè)化角度回顧數(shù)字孿生技術(shù)的起源和發(fā)展歷程，認(rèn)為在未來(lái)的工業(yè)化發(fā)展歷程中數(shù)字孿生技術(shù)潛力巨大，應(yīng)用前景十分廣闊；Tao等^[3-4]在以往的大型研究基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究如何生成和使用融合的網(wǎng)絡(luò)物理數(shù)據(jù)以更好地服務(wù)于產(chǎn)品生命周期，從而推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)變得更加高效、智能和可持續(xù)。在國(guó)內(nèi)，莊存波等^[5]介紹了產(chǎn)品數(shù)字紐帶與數(shù)字孿生體的內(nèi)涵，從產(chǎn)品全生命周期的角度分析產(chǎn)品數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)組成、實(shí)現(xiàn)方式、作用及目標(biāo)，提出產(chǎn)品數(shù)字孿生體的體系結(jié)構(gòu)；李柏松等^[6]從管道設(shè)計(jì)、調(diào)度優(yōu)化、管道設(shè)備運(yùn)行維護(hù)、管道全生命周期管理4個(gè)方面分析數(shù)字孿生在油氣管道中的應(yīng)用前景；周有城等^[7]從智能產(chǎn)品的模塊特性出發(fā)，基于數(shù)字孿生技術(shù)改善現(xiàn)有系統(tǒng)功能模型的構(gòu)建方法，創(chuàng)建信息和物理雙向反饋的交互體系，大幅提升了創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的效率。國(guó)內(nèi)有關(guān)數(shù)字孿生與城市建筑、基礎(chǔ)建設(shè)管理相結(jié)合的研究也有許多不同的思路^[8-11]，為建筑業(yè)的發(fā)展提供了可能性。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，數(shù)字孿生技術(shù)的研究與發(fā)展與建筑業(yè)的創(chuàng)新進(jìn)步密不可分，也為人類未來(lái)探尋未知科學(xué)領(lǐng)域提供了途徑與方法。因此，對(duì)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行科學(xué)分析，從而識(shí)別數(shù)字孿生領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)、研究前沿，對(duì)推動(dòng)我國(guó)建筑行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展具有重大意義。然而，從目前文獻(xiàn)計(jì)量角度來(lái)看，缺乏對(duì)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究動(dòng)態(tài)的分析與歸納，不利于整體把握建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。基于此，本文以2018—2024年2月建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生的相關(guān)文獻(xiàn)為研究樣本，采用文獻(xiàn)計(jì)量的研究方法，分析建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生相關(guān)文獻(xiàn)的時(shí)間分布及增加量，以及研究熱點(diǎn)、研究前沿與發(fā)展趨勢(shì)，并與我國(guó)有關(guān)政策相結(jié)合，以幫助相關(guān)研究者掌握該領(lǐng)域的研究方向。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文利用軟件對(duì)Web of Science核心合集及CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中與建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行多角度分析。分別在Web of Science中以“digital twin”“project construction”為關(guān)鍵詞、在CNKI中以“數(shù)字孿生”“建設(shè)項(xiàng)目”為關(guān)鍵詞進(jìn)行高級(jí)檢索，并以期刊為檢索條件。因其最早研究出現(xiàn)于2018年，所以時(shí)間選取為2018—2024年2月，共檢索出336篇有效文獻(xiàn)。除去國(guó)際會(huì)議論文、報(bào)道及與研究主題不符的相關(guān)研究，篩掉重復(fù)、無(wú)用的文章后重新整理，共獲得331條文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。所得文獻(xiàn)記錄均包含作者、標(biāo)題、參考文獻(xiàn)等信息。

1.2 研究方法

科學(xué)引文可視化分析方法主要通過(guò)CiteSpace軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。CiteSpace是美國(guó)德雷克塞爾大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授于2004年9月開(kāi)發(fā)的一款基于Java語(yǔ)言環(huán)境的引文分析信息可視化軟件。利用CiteSpace的可視化分析技術(shù)對(duì)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量描述，基于共詞分析、聚類分析及共被引分析等方法繪制可視化知識(shí)圖譜，以探尋建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿動(dòng)向。

2 研究主體分析

2.1 發(fā)文量

分別對(duì)從Web of Science和CNKI篩選出的共331篇文獻(xiàn)的發(fā)文年份進(jìn)行分析，2018—2024年2月建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究文獻(xiàn)數(shù)量分布圖如圖1所示。由圖1可知，從2018年到2023年，建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究文獻(xiàn)的數(shù)量總體呈上升趨勢(shì)。2018年，這一新興領(lǐng)域開(kāi)始受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注，接下來(lái)的幾年，建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生的研究熱度不斷上升。2018年和2019年，由于剛剛進(jìn)入起步階段，共發(fā)表不到20篇相關(guān)文章。2021年，發(fā)文量快速增長(zhǎng)，達(dá)到54篇。2022年，建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究文獻(xiàn)數(shù)量迅速增加，共計(jì)109篇，表明建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究逐步成為研究熱點(diǎn)。2023年，發(fā)文量為113篇，逐漸趨于平穩(wěn)。

2.2 國(guó)家合作程度

國(guó)家合作知識(shí)圖譜如圖2所示。可以看出，以美國(guó)、德國(guó)、中國(guó)、英國(guó)為代表的國(guó)家已對(duì)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生展開(kāi)研究，中國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、西班牙等國(guó)家已展開(kāi)合作研究，建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究逐漸形成國(guó)際合作趨勢(shì)。近年來(lái)，數(shù)字孿生研究成果不斷，各國(guó)政府在戰(zhàn)略政策上的支持也是這些國(guó)家在數(shù)字孿生研究領(lǐng)域領(lǐng)先全球的根本。其中，美國(guó)作為最早提出數(shù)字孿生概念并大力發(fā)展此技術(shù)的國(guó)家，在該領(lǐng)域影響力卓越。

2.3 機(jī)構(gòu)合作程度

國(guó)際科研機(jī)構(gòu)合作知識(shí)圖譜如圖3所示。可以看出，各科研究機(jī)構(gòu)以地區(qū)為劃分，局部范圍有初步合作，如英國(guó)的劍橋大學(xué)、倫敦大學(xué)、帝國(guó)理工學(xué)院，美國(guó)的賓夕法尼亞州立大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)等，但仍處于相對(duì)獨(dú)立的研究階段，發(fā)文量并未形成一定規(guī)模。機(jī)構(gòu)之間的合作主要是以“高校-高校”的形式存在，特別是在英國(guó)和美國(guó)的科研機(jī)構(gòu)合作中這種形式表現(xiàn)較為常見(jiàn)。

國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)合作知識(shí)圖譜如圖4所示。可以看出，出現(xiàn)頻次較高的國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)有中國(guó)工程院、南開(kāi)大學(xué)商學(xué)院、中國(guó)石油大學(xué)、中國(guó)信息通信研究院等，其中，同濟(jì)大學(xué)、東南大學(xué)和華中科技大學(xué)等建筑實(shí)力較強(qiáng)的高校之間的合作關(guān)系較為密切，表明我國(guó)研究數(shù)字孿生的機(jī)構(gòu)以一些理工類的大學(xué)為主，且高校與企業(yè)之間也有一定的合作關(guān)系。合作單位多為同一地區(qū)的同類型機(jī)構(gòu)，各大科研機(jī)構(gòu)之間跨領(lǐng)域、跨地區(qū)的合作交叉程度有待進(jìn)一步提高。

3 研究熱點(diǎn)分析

在CiteSpace中設(shè)置節(jié)點(diǎn)類型為keywords，國(guó)內(nèi)與國(guó)際建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究文獻(xiàn)時(shí)間切片范圍均為2018—2024年2月，網(wǎng)絡(luò)剪裁方式為Pruning Sliced Networks。將Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)及CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，合并刪減同義詞和近義詞，最終得到國(guó)內(nèi)和國(guó)際建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生文獻(xiàn)研究的關(guān)鍵詞頻次及中心度列表。國(guó)際研究文獻(xiàn)熱點(diǎn)詞匯列表前10見(jiàn)表1，國(guó)內(nèi)研究文獻(xiàn)熱點(diǎn)詞匯列表前10見(jiàn)表2，國(guó)際研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜如圖5所示，國(guó)內(nèi)研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜如圖6所示。

國(guó)際建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜顯示的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為N=164個(gè)，關(guān)鍵詞之間的連線數(shù)E=431，網(wǎng)絡(luò)密度為0.032 2；國(guó)內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜顯示的節(jié)點(diǎn)數(shù)量N=200個(gè)，關(guān)鍵詞之間的連線數(shù)E=418，網(wǎng)絡(luò)密度為0.021。提取關(guān)鍵詞中的名詞性術(shù)語(yǔ)對(duì)關(guān)鍵詞聚類進(jìn)行命名，得到主題聚類。其中，國(guó)際建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究包括7個(gè)主題聚類，國(guó)內(nèi)包括11個(gè)主題聚類。

從圖5可以看出，國(guó)際建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究從2018年開(kāi)始，主要聚焦于模型構(gòu)建，且集中在3D打印、經(jīng)濟(jì)效率等領(lǐng)域。此后，數(shù)字孿生的研究方向逐漸轉(zhuǎn)向智能制造領(lǐng)域。自2019年起，關(guān)鍵詞明顯增多，新增的關(guān)鍵詞主要有information virtual reality、internet of things等，表明國(guó)際建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究逐漸與大數(shù)據(jù)、AR、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，并與工業(yè)4.0戰(zhàn)略體系開(kāi)始融合。2010年，較為顯著的新增關(guān)鍵詞有artificial intelligence、BIM、design，表明人工智能、BIM技術(shù)的進(jìn)步為建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生的發(fā)展提供了空間，數(shù)字孿生在理論模型、設(shè)計(jì)仿真方法等方面的研究開(kāi)始引起學(xué)者們的關(guān)注。數(shù)字孿生開(kāi)始在建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)上得到應(yīng)用，同時(shí)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生理論框架開(kāi)始形成，逐步向更成熟的理論邁進(jìn)。2021年，新增的關(guān)鍵詞為intergation、facility management、systematic literature review（slr） ，這表明建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生開(kāi)始進(jìn)入成熟階段，開(kāi)始出現(xiàn)綜述性文章。2022年，出現(xiàn)了machine learning、optimization等關(guān)鍵詞，這表明建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生開(kāi)始優(yōu)化性研究并與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合。2023年，關(guān)鍵詞為intelligent construction，表明研究熱點(diǎn)為智能建造。

由圖6可以看出，國(guó)內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究于2019年開(kāi)始。2020年，文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量開(kāi)始增長(zhǎng)，研究熱點(diǎn)逐漸擴(kuò)展，出現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等關(guān)鍵詞，大量學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注城市建設(shè)領(lǐng)域，建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生開(kāi)始與智慧城市建設(shè)聯(lián)系起來(lái)，城市建設(shè)逐漸走向新階段；2021年，出現(xiàn)智慧工地、數(shù)字化、信息化等關(guān)鍵詞，表明建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生開(kāi)始與大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，協(xié)助加速我國(guó)建設(shè)發(fā)展；2022年，研究文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量急劇增長(zhǎng)，出現(xiàn)水利工程、施工管理、智慧建造等關(guān)鍵詞，表明建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生開(kāi)始應(yīng)用于實(shí)際建設(shè)過(guò)程；2023年，出現(xiàn)數(shù)據(jù)底板、運(yùn)行管理、風(fēng)險(xiǎn)管控等關(guān)鍵詞，表明建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生開(kāi)始應(yīng)用于建筑安全檢測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)管理等方面。

4 研究前沿分析

為分析建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生的研究前沿，將Wes of Science數(shù)據(jù)導(dǎo)入Citespace，得到建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生文獻(xiàn)共被引聚類圖譜（圖7）。聚類標(biāo)簽是Citespace利用LLR算法從施引文獻(xiàn)的標(biāo)題中提取而來(lái)的，該標(biāo)簽可以代表整個(gè)聚類，因此可以將其看作建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生領(lǐng)域的研究前沿。參數(shù)設(shè)置如下：節(jié)點(diǎn)類型選擇Cited Reference，其余參數(shù)不變。得到如圖7所示的建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生文獻(xiàn)共被引聚類圖譜。節(jié)點(diǎn)數(shù)量N=186，連線數(shù)量E=502，Q值= 0.799 4，S值=0.913 2，其中S值表示聚類平均輪廓值，一般認(rèn)為Sgt;0.5聚類是合理的，Sgt;0.7聚類是令人信服的。圖中S值均接近1，因此聚類是合理的。

文獻(xiàn)共被引圖譜六大聚類表見(jiàn)表3。從表3可以看出，其對(duì)應(yīng)的主題聚類名詞分別為Asset management（資產(chǎn)管理）、Operation and maintenance management（運(yùn)維管理）、Industrial Internet（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）、Reconfigurable machine tools（可重構(gòu)機(jī)床）、IOT（物聯(lián)網(wǎng)）、Data analytics（數(shù)據(jù)分析）。分析這些聚類不難看出，互聯(lián)網(wǎng)仍然是數(shù)字孿生的重要部分，如云計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)等詞重復(fù)出現(xiàn)在多個(gè)聚類及標(biāo)簽中。

結(jié)合以上建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生研究前沿分析可知，該領(lǐng)域研究趨勢(shì)主要為數(shù)字孿生下的建設(shè)項(xiàng)目管理，主要包括運(yùn)維管理、生命周期管理、風(fēng)險(xiǎn)管理、資產(chǎn)管理。目前，數(shù)字孿生在建設(shè)項(xiàng)目管理中的應(yīng)用尚未深入，只停留在概念和探討可能性階段。

5 結(jié)語(yǔ)

建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字孿生是近年來(lái)全球興起的研究熱點(diǎn)，目前仍處在初步研究階段，缺乏系統(tǒng)的理論與政策，從規(guī)劃、建設(shè)、管理、運(yùn)營(yíng)的全生命周期來(lái)系統(tǒng)引導(dǎo)的法律性、制度性框架還比較欠缺。尤其是如何科學(xué)引導(dǎo)數(shù)字孿生貫穿規(guī)劃決策、監(jiān)測(cè)運(yùn)營(yíng)、實(shí)施評(píng)估等全過(guò)程配套政策的支持還比較欠缺，也由此帶來(lái)數(shù)字孿生體系框架缺失、模型構(gòu)建方法匱乏等一系列問(wèn)題。國(guó)際研究文獻(xiàn)熱點(diǎn)詞匯中，system（系統(tǒng)）理論與framework（框架）構(gòu)建是未來(lái)研究趨勢(shì)。同時(shí)，也要正視當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)的局限性，根據(jù)城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和實(shí)際場(chǎng)景需求統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)，找到智慧解決方案與技術(shù)保障方案之間的成本平衡點(diǎn)。

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收稿日期：2024-03-01

作者簡(jiǎn)介：

王秋平（1986—），男，高級(jí)工程師，研究方向：工程管理。