文獻計量可視化分析“水下機器人”領域現狀、熱點與趨勢

摘 要：基于CNKI數據庫使用CiteSpace對2000—2021年水下機器人領域的文獻進行研究，分析探討國內水下機器人研究的現狀、熱點與趨勢。發現：我國的水下機器人領域發文量逐年提高，該領域受到了廣大學者的關注，研究熱度不斷增加；高被引文獻基本為綜述類文章，發文作者主要為萬磊、李一平等學者，研究機構主要為中科院和哈爾濱工程大學；熱點研究關鍵詞為“神經網絡”“運動控制”等，熱點研究聚類主要為內部軟件研究和仿真技術研究；滑膜控制、計算流體力學、路徑規劃很可能是未來的研究趨勢。本文對水下機器人領域進行可視化系統性分析，展示了其在發文、關鍵詞、熱點和趨勢方面的情況，為水下機器人方向研究學者提供了新的理論研究依據和視角，也為水下機器人的發展提供了一定借鑒和參考。

關鍵詞：水下機器人；文獻計量；CiteSpace；可視化；CNKI數據庫；知識圖譜

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-00-05

0 引 言

近幾年來，我國逐漸加大對海洋資源的開發力度，對海洋資源開發工程給予大量投資。我國從20世紀90年代初開始水下機器人的研究，90年代中期成功研制出我國第一臺千米級“探索者”水下機器人。胡錦濤主席在黨的十八大報告中提出“建設海洋強國”的任務，并將我國的海洋發展戰略提升至國家戰略高度[1]。“十二五”期間，沈陽自動化研究所成功構建了“潛龍”系列和“探索”系列深海水下機器人兩個技術體系[2-3]，其中“蛟龍號”創造我國最深的潛海記錄，這些水下機器人為我國海洋事業的發展做出了巨大的貢獻，我國成為具有深海探測能力的國家之一[4]。

因此，水下機器人領域的研究顯得尤為重要，查閱研究水下機器人領域的研究文獻，多為主觀定性的綜述形式，缺乏以客觀為主的定量分析。本研究使用科學知識圖譜（Mapping Knowledge Domains）方法，運用CiteSpace進行水下機器人領域研究的分析，將水下機器人領域的研究以可視化的方式呈現出來，并進一步研究探索其熱點主題和演化路徑，為后期相關研究發展提供可借鑒的參考。

1 研究方法和數據來源

1.1 研究方法

CiteSpace是陳超美團隊基于Java語言開發的引文可視化分析軟件[5]，它能幫助我們挖掘到熱門主題、關鍵性文獻，分析出具體某一特定領域的發展歷程。本文通過文獻計量分析法進行分析，運用CiteSpace（5.8.R1）對水下機器人這一領域的文獻進行統計分析及可視化。在CiteSpace中可以進行關鍵詞聚類分析、研究作者圖譜可視化、研究單位圖譜可視化等多種可視化分析，非常有利于分析已有的水下機器人研究熱點、研究趨勢和發展路徑。

1.2 數據來源及處理

數據收集于CNKI學術期刊數據庫，選擇主題檢索輸入“水下機器人”進行檢索（檢索日期：2021年9月30日），選擇期刊來源為SCI來源期刊、 EI來源期刊、北大核心、CSSCI和CSCD后共得到1 154篇文獻。經過人工數據清洗將無署名、新聞報道類、相關性極低文獻剔除后剩余658篇文獻。在CiteSpace處理時為保障結果準確性，本文將中英文、全稱縮寫、意義較接近的關鍵詞進行了合并處理。

2 水下機器人研究的基本情況

2.1 水下機器人研究文獻的時間分布

研究文獻的時間分布可以分析水下機器人相關文獻隨時間變化的關系，有助于凸顯水下機器人領域科學發展的某些特點和規律。從CNKI中檢索到水下機器人的文獻發表年份與數量分布如圖1所示。2000—2005年水下機器人發文量處于緩慢起步時期，文獻數量雖有所增長但增長幅度很小、增長速度緩慢。這一階段國內相關文獻主要為探索智能機器人的能力范圍、水下作業的可能性等將假設轉為現實的前期理論準備階段，為后續水下機器人的深化研究奠定了堅實基礎。水下機器人研究文獻數量的大跨度出現于2004—2007年，這期間發文量大幅度提升，顯示水下機器人的關注度顯著提高。相關文獻內容從基礎理論探究轉到實際操作，開始對智能機器人如何實現下水、如何進行可控的水下移動作業以及數據的采集方式、傳輸方式的可實現性等設想進行完善，把智能水下機器人落地操作變為現實并逐漸將智能水下機器人帶入大眾視野。從2007年至今，水下機器人相關文獻的發文量呈現震蕩上升趨勢，研究內容更加深化。在解決了智能機器人下水、控制移動等基本操作后，研究學者開始向水下機器人功能強化、細節完善等應用型領域拓展。這昭示著國內智能機器人領域對“水下機器人”抱有相對強烈的研究興趣和發展欲望，由此可見智能水下機器人的發展前景十分可觀。

2.2 水下機器人載文期刊分析

期刊是發表學術論文的主要渠道之一，一般情況下載文期刊的知名度和權威性越高則說明其所載文獻的可信度、嚴密度和權威度就越高。“水下機器人”相關載文期刊分布見表1所列。就載文數量而言，處于第一梯隊的期刊為《中國造船》《機械工程學報》《兵工學報》，三者總載文量達到64篇，占表1中期刊總量的三分之二。雖然這三種期刊載文量相對可觀，但復合影響因子均不高。尤其是《中國造船》，該期刊的發文量占據榜首但復合影響因子卻在表1中居于榜尾。值得一提的是《計算機研究與發展》《農業工程學報》和《科學學與科學技術管理》這三份期刊，它們的總載文量較少，但載文的復合影響因子平均值達到3.486，屬于水下機器人領域的高質量參考期刊。此外，它們的核心收錄數據也十分可觀，基本收錄于核心期刊、EI、CSCD中。綜合表1數據內容，《機械工程學報》的發文量以及核心收錄情況都處于較高水平且復合影響因子相對較高，為研究水下機器人的主要陣地。

2.3 水下機器人高被引文獻分析

文獻被引頻次體現了文章的受認可程度[6]，也是文章質量的重要參考指標之一。因此，研究分析高引用率文獻能提煉出具有廣泛認可度和影響力的文獻。水下機器人相關高被引文獻數據見表2所列。被引量方面，《機器人技術研究進展》和《移動機器人路徑規劃綜述》兩篇文獻的被引用次數呈現出絕對優勢，《機器人技術研究進展》將“水下機器人”帶入大眾視野，并對機器人水下作業領域的應用價值、國內外發展情況以及未來展望做出綜合性敘述，這無疑為水下機器人后續發展夯實了基礎。研究主題方面，高被引文獻基本為綜述類文章，反映了學者對該領域的研究進展、理論和方法了解的需求迫切。期刊方面，高被引文獻中有9篇核心期刊，復合影響因子普遍較高，可知關于水下機器人現狀研究的相關文獻水平都較為突出，具有一定的深度和見解。

2.4 水下機器人發文作者分析

通過對高產作者和核心機構的分析可以得出該領域各學術生產力的合作關系和研究力量，將節點類型選擇為“作者（Author）”，得到由454個節點、559條連線組成、密度為0.005 4

的水下機器人研究的發文作者共現圖譜（如圖2所示）。發文作者共現圖反映了國內水下機器人研究的主要作者及其合作關系。從生成的圖譜中可以發現，合作網絡呈現出分散化小范圍的合作特征，主要是以萬磊、龐永杰、朱大奇作為核心的合作網絡。某一研究領域的發展是知識不斷創新和積累的結果，而作者則是一個研究領域的核心所在[7]，具有導向作用。根據普賴斯定律[8]，指定研究領域的核心作者發文量應滿足式（1）。其中mmax為發文量最多作者的論文數。

（1）

代入數據計算后可知，水下機器人領域的核心作者的發文量應為5.243，故發文量大于等于6的為水下機器人領域的核心作者，滿足條件的作者為38位。就高產作者而言，發文量最多的5位學者分別是萬磊（49篇）、李一平（41）、龐永杰（35）、封錫盛（32）、朱大奇（31），共188篇，占總發文的28.57%，共同為水下機器人領域研究做出了突出貢獻。

2.5 水下機器人發文機構分析

通過發文機構分布可以了解該領域相關研究的科研力量分布，為深入進行科研考察與合作提供參考借鑒。借助CiteSpace進行機構共現得到圖3，從連線緊密程度可知各機構間合作較為密切，同時不難發現國家重點實驗室在水下機器人研究領域扮演著重要的角色。對各機構發文數據導出后發現發文機構主要為中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室（78篇）、哈爾濱工程大學船舶工程學院（47篇）、中國科學院沈陽自動化研究所（36篇），詳見表3所列。通過分析機構發文情況可知，中國科學院和哈爾濱工程大學是研究水下機器人領域的前沿陣地和中堅力量。

2.6 研究熱點與趨勢分析

2.6.1 關鍵詞共現網絡分析

關鍵詞是一篇文章核心觀點的表達，是對文章主題的概括[9]，對文章關鍵詞進行分析可以對水下機器人領域研究形成基本了解。在同一篇論文中出現的關鍵詞存在關聯，一般認為，多個關鍵詞在同一篇文獻中出現的次數越多則說明它們之間關系越密切[10]。對關鍵詞進行共現網絡分析可以幫助我們有效地挖掘水下機器人領域的研究熱點。

由圖4可見，除“水下機器人”本身以外，高頻關鍵詞有“神經網絡”“運動控制”“控制系統”“S面控制”等。從圖中不難發現，“控制”對于水下機器人領域研究的重要性，隨之衍生出了“路徑規劃”“體系結構”以及傳感器的處理使用等關鍵詞。

2.6.2 關鍵詞聚類分析

為了進一步考察水下機器人領域相關研究熱點的知識結構，使用潛在語義索引（LSI）算法對關鍵詞進行聚類得到關鍵詞聚類圖譜[11]，如圖5所示。模塊值（Modularity Q=0.715 4）大于0.3，平均輪廓值（Mean Silhouette=0.904 4）大于0.7，表明聚類網絡具有結構顯著的特點，且聚類結果具有高可信度。關鍵詞聚類結果主要為“水下機器人”“自主水下機器人”“體系結構”“控制系統”“auv”“仿真分析”“機器人”“路徑規劃”“petri網”“便攜式auv”等。研究方向基本分為兩個方面：一方面為機器人內部軟件的研究，相關聚類包括速度障礙法、控制系統和機械手系統；另一方面為仿真技術的研究，相關聚類包括實時數字仿真和仿真分析。

2.6.3 關鍵詞突現分析

突現詞探測的基本原理是某個關鍵詞的詞頻在短時間內激增，突然變成研究熱點。由于突現詞的突現狀態通常具有時間延續性，因此可以用于輔助預判未來一段時間內的研究熱點和研究趨勢[12]。

根據水下機器人研究突現詞探測圖（圖6）可以將突顯詞分為三個階段，即2000—2004年、2005—2018年、2019年至今，其中從2019年至今該研究領域逐漸成為熱點趨勢。

2000—2004年，相關研究側重于對水下機器人應用場景以及其作業能力的研究，進一步延伸至對干擾觀測、控制技術、嵌入式圖像處理、水動力系數的研究。這一階段研究側重基礎，逐漸構建起水下機器人的研究框架，為后續的創新深化研究奠定了大量的技術基礎。2005—2018年，尤其是2007年，出現了許多相關領域的突現詞，持續時間都在4～5年。這幾年大量研究者關注于傳感器，以及診斷范圍包括傳感器在內的機器人自身故障檢測，在水下機器人進行日常相關運維工作時，會進行適時保養和排除故障，確保水下機器人正常工作。智能水下機器人的工作環境普遍惡劣，保證技術可靠顯得尤為關鍵，為此研究者提高了對自主故障診斷和容錯控制的重視。2018年至今，突現詞開始減少，研究進一步細化和攻克技術難點。

由于突現詞具有時間延續性的特點，滑膜控制、計算流體力學、路徑規劃很可能是未來的研究趨勢。近幾年，控制系統進一步向滑膜控制方向細化，滑模結構方法因其所具有的優良特性而受到越來越多的重視。通過自行設計所需的滑模面和等效控制律，能快速響應輸入的變換，因此將此控制系統運用到水下機器人上，可以克服系統的不確定性，進一步增強水下機器人在海洋環境中的適應能力，提高完成任務的效率與可靠性。流體力學是水下機器人領域的基礎學科，因此從初期到現在一直進行著相關研究。從2018年至今，流體力學無論是從自身技術研究還是工程應用方面均進入快速發展時期。水下機器人路徑決策方法是水下網絡的重要組成部分[13]，合理的路徑規劃是水下機器人執行海洋觀測與探測任務的重要保障[14]，其可能是未來水下機器人研究的重要趨勢之一。

3 結 語

本文利用CiteSpace對中國知網CNKI 數據庫中關于水下機器人研究的1 154篇文獻進行計量分析，發現：目前關于水下機器人研究的發展趨勢處于上升階段，研究學者合作關系較為密切，發文量較多且質量大都較高，但最受該領域學者喜愛的期刊的質量仍需進一步提高。“水下機器人”“神經網絡”“運動控制”“控制系統”“S面控制”這五個關鍵詞為水下機器人領域的熱點。水下機器人內部軟件的研究和水下機器人的仿真技術研究為水下機器人領域的主要研究方向；同時根據突現詞探測分析，滑膜控制、計算流體力學、路徑規劃很可能是未來的研究趨勢。

注：本文通訊作者為成爾卓。

參考文獻

[1]胡德坤.建設海洋強國是我國歷史性的戰略選擇[J].武漢大學學報（哲學社會科學版），2013，66（3）：5-7.

[2]曹祥康，謝存禧.我國機器人發展歷程[J].機器人技術與應用，2008，21（5）：44-46.

[3]李碩，劉健，徐會希，等.我國深海自主水下機器人的研究現狀

[J].中國科學：信息科學，2018，48（9）：1152-1164.

[4]高茜，王翔.基于水下機器人的海洋環境監測應用探索[J].科學技術創新，2020，24（17）：92-93.

[5]陳悅，陳超美，劉則淵，等. Cite Space知識圖譜的方法論功能[J].科學學研究，2015，33（2）：242-253.

[6]趙丹青，李培琳.國內房地產投資信托基金研究可視化分析[J].中國物價，2020，33（4）：63-66.

[7]鄧嬌嬌，陳晨，劉洋.建筑工人安全/不安全行為研究的回溯與展望：基于知識圖譜分析[J].安全與環境工程，2021，28（5）：27-35.

[8]胡臻，張陽.基于普賴斯定律與綜合指數法的核心作者和擴展核心作者分析—以《西南民族大學學報》（自然科學版）為例[J].西南民族大學學報（自然科學版），2016，42（3）：351-354.

[9]韓曉偉，吳盡，郝磊，等. 1982—2017年國外學校體育研究進展分析—基于知識圖譜的可視化分析[J].北京體育大學學報，2018，41（6）：84-92.

[10]蔣菲. 新世紀中國課程與教學論的知識圖譜研究[D].長沙：湖南師范大學，2014.

[11]張蒙蒙，劉天平，楊建輝.精準扶貧研究的現狀、熱點與趨勢—基于CNKI和CiteSpace可視化視角[J].中國農業資源與區劃，2019，40（8）：11-19.

[12]李樹禎，成爾卓，雷尚坤，等.“一帶一路”視角下跨境電商研究的現狀、熱點與趨勢—基于2015～2021年CNKI文獻的計量分析[J].現代商業，2022，17（6）：42-46.

[13]劉千里，吳暉.水下無線傳感器網絡通信技術研究現狀及趨勢[J].艦船電子工程，2022，42（9）：20-24.

[14]石晴晴，牛文棟，張潤鋒，等.水下滑翔機路徑規劃研究綜述及展望[J].中國艦船研究，2023，18（1）：29-42.