我国直升机研究领域的学科交叉特征分析

姜春林+戚万磊+魏庆肖

摘要：[目的/意义] 《中国制造2025》计划中提出推进干支线飞机、直升机、无人机和通用飞机产业化。分析我国直升机研究中的学科交叉现象，对我国直升机的科学研究与产业化提供参考。[方法/过程]从直升机研究中论文的自身学科属性与关键词两个角度出发，对直升机研究的学科交叉进行分析。通过关联网络的绘制，分析多个学科交叉下学科共现，关键词与学科共现，得到直升机研究中学科交叉的主题与特征。[结果/结论]我国直升机研究呈现多学科互相交叉但交叉程度不同的特点，不同学科在直升机研究中占据不同地位，且学科与关键词共现也体现了学科之间存在交叉关系，控制理论与方法是直升机研究中的关键。

关键词：学科交叉；学科共现；直升机；中心性；学科与关键词共现

中图分类号：G350 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-8256.2017.05.004

Abstract： [Purpose/Significance] The plan of 《Made in China 2025》 proposes the industrialization of main-branch planes， helicopters， unmanned plane and general-purpose plane. This paper analyzes the discipline-cross phenomenon of Chinese helicopter research， and provides reference for the scientific research and industrialization of Chinese helicopter. [Method/Process] From the viewpoint of thesis's disciplinary attribute and keywords， this paper analyzes the discipline-cross of helicopter research. Through drawing the network mapping， the paper analyzes discipline co-occurrence under discipline-cross as well as discipline-keywords co-occurrence， as a result， it gets the themes and characteristics of discipline-cross in helicopter research. [Result/Conclusion] The Chinese helicopter research presents the characteristics of multidisciplinary intersect each other but different levels of discipline-cross， different disciplines occupy different positions in helicopter research， and discipline-keywords co-occurrence reflects the intersect relationship between disciplines， thus， control theory and method are the key to helicopter research.

Keywords： Discipline-cross； Discipline co-occurrence； Helicopter； Centricity； Discipline-keywords co-occurrence

0 引言

1956年中國从苏联引进米-4及其发动机“阿什82比”（АШ-82В）制造技术，决定分别由哈尔滨飞机制造厂（代号：122厂）和哈尔滨东安发动机厂（代号：320厂）进行仿制，拉开了中国直升机工业发展的序幕，到现在我国直升机工业已经走过了61年的发展历程。2015年3月5日，李克强总理在全国两会上作《政府工作报告》时首次提出“中国制造2025”的宏大计划，2015年5月8日，国务院正式印发《中国制造2025》。关于直升机的发展，在《中国制造2025》中明确提出推进干支线飞机、直升机、无人机和通用飞机产业化。

多年来，直升机在世界经济与军事发展和人民日常生活中发挥了不可代替的作用，不仅有力地推动了全球经济与军事的快速发展，而且极大改善了人们的生活品质。可以说，直升机的应用程度已成为衡量一个国家现代化程度的重要标志[1]。然而我国直升机的发展要步入国际先进行列尚需做出许多努力。首先，成熟的市场和旺盛的需求是推动直升机快速发展的动力，国家需要出台相关政策；其次，产业化是我国直升机快速发展的必由之路；再次，先进的技术是推动直升机快速发展的基础；最后，国际合作是加速我国直升机快速发展的有效途径[2]。

然而直升机结构与原理复杂，涉及电子电气工程、机械工程、控制科学与工程、材料科学与工程、数学、计算机科学与技术等诸多学科，且这诸多学科中存在学科之间的相互交叉。学科交叉是伴随社会和学科自身发展需求而出现的一种综合性科学活动，是形成交叉学科的途径和过程[3]。当今世界，全球变暖、能源危机等问题的研究已超越了原来的单一学科范畴，跨学科与学科交叉已成研究与解决此类问题的必然趋势。

1 国内外研究回顾

在国内研究中，关于学科交叉的概念，许海云等认为学科交叉是伴随社会和学科自身发展需求而出现的一种综合性科学活动，是一个动态过程，是形成交叉学科的途径，而交叉学科是学科交叉的结果，是一种学科形态[3]。金薇吟认为学科交叉是指学科间因横向有机联系而出现的综合化现象，对于研究者主体来说，这是一种科学活动[4]。在关于学科交叉的研究中，吴菲菲等运用引文分析工具、文献计量工具、文本挖掘工具，依据科学文献数据对学科交叉性进行了探究[5]。付秀颖等以专利为视角，利用网络分析方法和UCINET工具研究学科交叉情况[6]。侯海燕等借助科学计量学方法和信息可视化工具，通过期刊学科领域共现分析对学科交叉特征进行研究[7]。章成志等从引文内容分析的角度探测不同学科的专业知识交叉情况[8]。李长玲等通过E-I指数对情报学、图书馆学、计算机科学、科学学、管理学5个学科之间的交叉程度进行分析[9]。endprint

在国外研究中，关于学科交叉的概念最初是“跨学科”，它是在discipline（学科、训练）的形容词disciplinary的基础上加前缀inter构成。1926年哥伦比亚大学著名心理学家吴多士（R. S. Woodorth）最早公开使用“跨学科”一词，他认为跨学科是几个学科的集合，要促进不止一个学科的研究与发展[10]。Morillo F阐述了学科交叉、跨学科和多学科等概念的不同[11]。在关于学科交叉的研究中，Small H通过共引分析验证和探讨了跨学科链接的意义[12]。Chang YW引用Zipf定律测定最小努力原则在交叉学科中的影响[13]。Valentin， F等以转化医学为例从微观层面进行了跨学科的研究[14]。Chen SJ等通过研究得出了跨学科的发展主要来自于包括从邻近领域到遥远的知识领域等多领域中[15]。

综上所述，学科交叉应是两个或两个以上学科由于横向距离较近或以某个学科为媒介，而在某些方面有共同的研究内容并相互融合产生了交叉，是一个动态的有机整合过程。

2 研究方法与数据来源

首先从上述学科交叉释义的角度出发，以学科共现和学科与关键词共现为切入点，通过科学计量的方法对数据进行筛选与处理，将检索结果中的Web of Science中的WC学科分类映射到我国的一级学科分类（国务院学位委员会2011年《学位授予和人才培养学科目录》），再将每一个一级学科对应的若干WC分类精炼后分别下载，得到对应后的每个一级学科的发文量和每个一级学科下的关键词及词频，然后利用UCINET软件对数据分别进行中心性分析与交叉网络的绘制，展现出学科之间如何进行交叉，进而得出直升机研究中学科交叉的主题。以学科为出发点对直升机研究进行分析是本次研究的创新之处。

数据来源于Web of Science TM核心合集数据库，在检索过程分别使用过直升机、直升机科学与技术、直升机与机翼、直升机和直升机螺旋机翼和螺旋主轴等关键词进行检索，其中直升机科学与技术、直升机与机翼作为检索词时，数据中会包含一些与直升机无关的噪音数据。经过数据的对比分析后，并向领域专家咨询，最后使用关键词直升机和直升机独有的四翼、三翼、双翼等螺旋机翼和螺旋主轴作为检索词，在Web of Science TM核心合集高级检索中输入检索式ts=（helicopters or copters or （helicopters and（quad-rotors or three rotor wings or two rotor wings or rotor spindle））） and cu=（Peoples R China）进行检索，经过筛选过滤掉无关文献后共得到我国直升机领域的论文1377篇，检索日期为2017年3月13日。

3 发文视角下的学科交叉

3.1 外部学科总体分布

由于直升机领域的研究具有高度综合性，一篇英文文献可能对应多个不同领域的WC学科类别。数据中1377篇论文分别属于100个WC分类，将大多数的WC划分为我国的一级学科，以便于理解学科的属性。通过统计分析，100个WC对应归属到我国55个一级学科下（部分学科见表1，一些发文量较少的学科限于篇幅未展示）。

通过发文数量可以看出，控制科学与工程、电气电子工程、计算机科学与技术、机械工程和航天科学与技术等学科存在交叉现象，而由具体的WC类别来看，物理學科下的多学科物理（Physics， Multidisciplinary）与学科工程（Engineering， Multidisciplinary）存在交叉，物理、原子、分子和化学（Physics， Atomic， Molecular & Chemical）与化学（Chemistry）存在交叉。此外，直升机领域中还包含了管理学、临床医学、生物学、公共卫生与预防医学、特种医学、教育学等学科，这是由于在直升机飞行路径规划中涉及运筹学，且直升机应用于各类抢险救援。也与一些高校开设了与直升机相关的课程（例如西北工业大学的飞行器设计学）等有关。在一些发文量较少的学科类别中，往往由于直升机技术在某些具体方面的具体应用而致，例如《Remote sensing application to grassland monitoring》一文中涉及了动物科学、作物科学、生态学三个学科，这是由于在草原监测中有动物和作物研究，同时还涉及生态问题，文中使用直升机携带窄带带通滤波器对草原进行监测，这也属于直升机的一种应用。

3.2 中心性分析

中心性是一个重要的个人结构位置指针，评价一个人重要与否，衡量他/她的职务的地位优越性或特权性，以及社会声望等常用这一指针。在学科交叉中，借用中心性这一指标可以分析各个学科在整个学科交叉的网络中的地位，以及不同学科相互之间的联系紧密程度。

中介性是衡量一个人作为媒介者的能力，也就是占据在其他两人快捷方式上重要位置的人，他拒绝媒介，这两人就无法沟通，占据这样的位置愈多，就愈代表它具有很高的中介性，愈多的人发生联络就必须要经过他。具体到学科交叉方面就是中介中心度可以衡量基于学科交叉网络中，任意学科对网络内其他学科相互间知识吸收和传播效率的影响力[16]。

在UCINET中，选择Network→Centrality→Betweenness，得到学科共现之间的中介性分析结果（部分结果如图1所示）。中间中心度超过100的学科有3个，分别是计算机科学与工程、电子电气工程、测绘。这说明在学科之间的相互联系中，这3个学科是重要媒介，各个小团体之间和小团体内部的联系很大程度上都需要依赖这3个学科。

接近中心性是以距离为概念来计算一个节点的中心程度，衡量了某节点到网络中其他所有节点的最短距离之和，与别人距离越近则中心性越高，值越小；与别人距离越远则中心性越低，值越大。其中两点的距离即是两点之间的最短路径的长度。如果一个节点与网络中所有其它节点的距离都很短，就称该点为整个网络的整体中心点。在网络中，这样的节点与许多其它节点都“接近”[17]。在学科交叉中，接近中心度越高，学科之间的距离越近，学科之间重叠的领域越大，学科之间的交叉内容越多，即如前面在学科交叉定义中描述的那样，学科之间的交叉程度越高。endprint

在UCINET中，选择Network→Centrality→closeness，得到的接近中心性分析部分结果如图2所示。计算机科学与技术、电子电气工程、机械工程等三个学科的接近中心度最低，说明这三个学科与其他学科的距离更近，是整个网络结构中的核心部分，与其他学科之间的交叉内容也更多。

通过中间中心度和接近中心度的分析可以看出计算机科学与技术和电子电气工程在直升机研究的学科交叉中占据重要地位。

3.3 学科共现视角下的交叉分析

共现分析是利用共同出现的特征项之间的关联程度揭示出它们之间的关系，通过学科共现分析可以得出学科之间的交叉关系和关于直升机研究中的重要学科。按照前面研究方法与数据来源中所述的方法，经过数据处理得到学科共现矩阵，并将矩阵导入UCINET中并使用netdraw绘图，选择阈值为1，并点击analysis→centrality measures→betweenness，properties→lines→size→tie strength，得到学科交叉共现图（如图3所示）。

圖中红色节点代表各个学科，节点大小代表该节点对学科之间相互联系的影响力的大小，学科之间相互联系需要通过该节点的学科数目越多则该学科的节点就越大。节点之间的连线的粗细由共现强度决定，如两个学科之间的连线较粗，则两个学科之间的共现强度较高。在核心部分，电子电气工程和控制科学与工程之间的连线最粗，则这两个学科之间的共现强度最高。机械工程和电子电气工程两个学科的节点最大，即与两个学科存在学科共现的其他学科数量最多。在边缘部分，学科不仅节点较小且连线较细，说明这些学科与其他学科不仅共现少而且共现强度低。整个学科交叉共现图中虽然交叉关系比较复杂，但还是可以看出电子电气工程、机械工程占据重要地位。

在图中还可以看出，核心部分既是其他学科之间相互联系和产生交叉的媒介，也是与学科之间产生交叉的重要领域和研究内容。在整个网络中，除核心部分外，边缘部分虽有交叉，但总体较少，大部分交叉都是与核心部分的交叉，或者通过核心部分作为媒介而产生的交叉。就具体学科看，核心部分多是计算机科学与技术、电子电气工程、机械工程、力学、控制科学与工程等工学学科，这也是由于直升机本身就属于一个工业发展的产品所致。而边缘上的一些学科多为数学、地球物理学、地理学、生态学等一些社科类和理学学科，这种学科分布的原因与直升机在一些军事与民生上的应用有关。从核心到边缘，学科种类从工学变为社科类学科和理学学科，正体现了直升机从内部技术到外部应用的一个渐进发展过程，涉及直升机技术的学科是整个网络结构的核心，而外部应用是技术发展体现的价值，是外延拓展部分，故在图中就呈现出以工学为核心，社科类学科和理学学科分散分布的网络结构。

由于图3中的学科交叉的网络比较复杂，故使用Jaccard系数对学科共现矩阵进行标准化后再使用netdraw绘图。使用Jaccard系数标准化不仅可以比较数据中的相似性，去除一些重复数据，方便计算学科交叉之间的距离，便于数据分析，还可以使学科交叉共现分析图中的聚类效果更加明显[18]。将标准化后的矩阵导入UCINET中并使用netdraw绘图，选择阈值为0.07，并点击analysis→centrality measures→betweenness，properties→lines→size→tie strength，得到学科交叉共现图（如图4所示）。

图4中总共存在8个小团体，整体聚类效果明显，比较大的团体有A和B这2个，同时对比前面的发文量也可以发现团体A和B是最主要的小团体。在团体A中，从学科的角度来看，控制科学与工程、计算机科学与技术、管理科学与工程三个节点是主要节点，且控制科学与工程和电子电气工程之间连线最粗，即这2个学科之间的交叉最多，联系最密切。从它们的交叉内容来看，电子电气工程和控制科学与工程主要交叉在鲁棒控制、姿态控制、自适应控制、飞行控制等4个方面，而计算机科学与技术、控制科学与工程2个学科和管理科学与工程主要交叉在鲁棒控制、姿态控制、自适应控制等3个方面。通过学科和交叉内容可以明显看出控制科学与工程占据重要地位，无论是学科之间的交叉还是交叉产生的内容都是围绕控制为核心而展开。在团体B中，从学科角度来看，机械工程、航天科学与技术占据主要地位，地球物理学和图像科学与技术交叉最为密切。从交叉内容来看，机械工程和航天科学与技术主要交叉在自适应控制、飞行控制、数值模拟等方面，而整个团体B主要交叉在自适应控制方面。在其他小团体中，虽然发文量较少，但也存在交叉程度较高的现象，如团体G连线也较粗，这是由于海洋科学和船舶与海洋工程2个学科在发表的为数不多的论文中都是同时存在的，故两者的交叉程度很高。

综上所述，在直升机方面的研究中，计算机科学与技术、管理科学与工程、控制科学与工程、电子电气工程、机械工程、航天科学与技术等学科占据重要地位，从交叉内容来看，各个团体中都在控制方面有所交叉，故控制科学与工程是直升机研究中的核心学科，是推动直升机技术发展的关键。以控制科学与工程为核心，同时结合计算机科学与技术、管理科学与工程、电子电气工程、机械工程、航天科学与技术等学科在控制等方面的技术发展与研究，是推动直升机快速发展的正确途径。

4 学科与关键词共现视角下的交叉分析

关键词作为论文的重要组成部分，可以呈现学术论文的核心理念。通常，我们可以通过对某一领域文章的关键词共现分析来实现对某一领域文章的深入分析[19]。在前面的学科分布表中可以看到每一个学科对应若干个WC，将每一个一级学科下对应的WC分类进行精炼后并下载，得到55个一级学科下的对应的数据，并经过数据的筛选与处理后得到55个一级学科下不同关键词的词频和所有学科与所有关键词的对应关系，然后构建学科与关键词共现矩阵，通过绘制共现网络来展现直升机研究中不同技术方法、热点问题与各个学科之间相互关系的强弱，体现学科交叉中的特点与内容。endprint

部分學科的不同关键词词频如表2所示。

每个学科对应的关键词词频有所不同，在此设定2为关键词词频的阈值，忽略词频低于2的关键词。并且为了突出学科与关键词共现下的主题，删除掉了检索式中包含的主要关键词Helicopter， Unmanned helicopter， Helicopters， Quadrotor， Rotor， Rotors。通过表中可以看出鲁棒控制（robust control）， 姿态控制（attitude control）， 自适应控制（adaptive Control）， 飞行控制（flight control）等关键词在各个学科中都占有相当大的比例。

为进一步探究学科与关键词之间的关系，在UCINET中使用netdraw绘制出学科与关键词共现的网络结构图，阈值设定为2，节点之间连线的粗细由连接强度决定，连线越粗，表明相互之间的联系越密切，也就代表了学科与关键词共现下的主题，即学科交叉的内容。结果如图5所示。

其中蓝色方形节点代表学科，红色圆形节点代表关键词。首先，通过网络结构图体现了学科之间的交叉，展现了学科交叉的具体内容。其次，可以明显看出计算机科学与技术、控制科学与工程、电子电气工程是核心学科，机械工程学科也占据一定的地位。而在学科与关键词共现的主题中，鲁棒控制（robust control）、姿态控制（attitude control）、自适应控制（adaptive control）占据主要地位，飞行控制（flight control）占据重要地位，这与前面分析呈现的结果一致。另外，从关键词词频来看，计算机科学与技术、控制科学与工程、电子电气工程三个学科和边缘的学科关联到的关键词词频完全处在2个不同的层级上，也进一步验证了在直升机研究的学科交叉网络结构中，计算机科学与技术、控制科学与工程、电子电气工程是核心学科。然而图中一些边缘的关键词表面看似不是学科与关键词共现下的主题（例如H—infinity 控制理论），但他们与三大核心学科都有一定的联系，这就说明他们正是直升机领域新兴的主题，有可能就是未来发展的方向。

5 结论与不足

本文运用科学计量和社会网络分析方法，以Web of Science TM核心合集数据库中的论文型文献为研究对象，从发文的学科共现和学科与关键词共现两个角度对直升机研究的学科交叉进行了研究。利用社会网络分析方法对我国直升机研究进行探究，绘制出学科共现网络结构图和学科与关键词共现网络结构图，展现了不同学科、不同主题对直升机发展的影响力，以及它们之间的相互关系，可为推动我国直升机技术的发展和科技政策的制定提供参考。

研究发现，我国直升机研究的学科交叉呈现如下特点：

第一，从学科共现的角度来看，直升机研究的学科交叉中，计算机科学与技术、管理科学与工程、控制科学与工程、电子电气工程、机械工程、航天科学与技术等学科占据重要地位，其中控制科学与工程又是这些学科的核心。

第二，从学科与关键词共现的角度来看，学科之间交叉的主题主要集中在控制方面（鲁棒控制、姿态控制、自适应控制、飞行控制）。

第三，从总体来看，直升机研究要以控制方面为主，然后结合学科各自的特色对控制理论与方法加以细化并丰富其内容，尤其是鲁棒控制、姿态控制、自适应控制、飞行控制等4个方面，并将之应用到直升机制造与技术中以推动直升机的快速发展。

上述交叉特点的启示是，未来可以围绕计算机科学与技术、控制科学与工程、电子电气工程等核心学科同时兼顾其他关联学科，并以控制理论与方法为突破点来推动直升机的研究与发展，以达到《中国制造2025》所提出的目标，为我国迈入世界直升机大国的行列打下坚实的基础。

本研究不足之处体现如下。第一，在我国学科分类体系中，电气工程与电子科学与技术均属于一级学科，Web of Science却将其划分在同一学科类别下。这一差异对电气电子工程的分析造成一定影响，数据上会有所出入，也无法对电气、电子两学科进行单独分析。第二，由于涉密等因素限制，一些直升机技术无法收集到详实数据，故而Web of Science数据库中的文献分类能否代表整个直升机研究现状有待研究；第三，在数据清洗过程中，尽管有部分领域专家介入，但问题的复杂性难免影响解读的深度。

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（编辑：张萌）endprint