基于CiteSpace认识图谱分析粉煤灰利用研究特征

杨敬杰，印红梅，高 鑫，罗 冰

(1.西南科技大学城市学院，四川 绵阳 621010；2.绵阳市环境监测中心站，四川 绵阳 621010；3.西南科技大学固体废物处理与资源化省部共建教育部重点实验室，四川 绵阳 621010)

1 引 言

我国对粉煤灰利用的相关技术进行了大量的研究报道，尤其近几年来，针对粉煤灰利用综述发表了大量的相关文献，为国内外学者了解和指导开展粉煤灰的有效利用研究起到了重要的作用，但是面对海量的文献和数据，在当前大数据的时代背景下仅以“粉煤灰”为关键词，2010～2018年之间中国知网(CNKI)收录的文献量就高达13 674篇。传统文献综述方法存在文献利用率低，信息掌握不全等局限性。另外，传统的对与学术个体静态的关注，已不能适应科技高速发展的需求[1]。

CiteSpace是一种基于共引分析理论(Co-citation)和寻径网络算法(PathFinder)对特定领域文献集合进行计量的软件，以相关知识领域为对象，以探寻出相关科学领域演化的关键路径和知识拐点为目的，通过网络基础分析、科学计量学分析将数据信息可视化，继而梳理关键重要文献，量化文献之间的相关特征。主要包括合作网络分析(作者、国家、机构合作)、共现网络分析(特征词、关键词、学科类别)和共被引分析(文献、作者、期刊共被引)等功能模块[2]。CiteSpace分析过程是知识可视化的图形建立的过程，又是序列化的知识谱系建立的过程，显示了知识单元(相关领域)或知识群之间网络、结构、互动、交叉、演化或衍生等诸多复杂的关系[3]。毕鼎淇等[4]检索1998-2017年Web of Science数据库中螺类肠道菌群研究领域相关论文，通过CiteSpace软件进行分析，分析结果表明：肠道菌群多样性及肠道菌群的功能和应用研究是当前螺类肠道菌群研究的热点问题，发文较多的研究机构包括庆熙大学、奥斯瓦尔多·克鲁斯基金会和牛津大学。戴竞等[5]以Web of science数据库和CNKI数据库为数据源，使用可视化软件CiteSpace生成了文献共被引以及关键词共现图谱，该领域的研究前沿为应曲面法以及超声化学法对还原石墨烯、g-C3N4纳米片、异质结光催化剂的制备、有机染料降解、超声化学法对多元素共掺杂光催化剂。寻找到了该领域研究的奠定性和高引用率文献。梁永霞等[6]以24种航空航天工程专业期刊的科学文献索引为原始数据库，利用CiteSpaceⅡ绘制了航空航天工程领域前沿的知识图谱，认为图谱中衍生出的5个知识群—航行器飞行轨道最优化、追踪与估计、姿态描述、压电材料技术、气动弹性是当代航空航天工程的研究前沿。

本文借助CiteSpaceV.5.1.R2对2010～2018年中国粉煤灰利用领域核心文献进行计量并进行可视化分析来解释该领域研究主题方向。并通过高引用文献的解读与分析研究内容演变特征，并预测研究趋势，旨在分析粉煤灰利用领域的主要研究力量、研究基础、研究热点、前沿以及动态变化。

2 材料与方法

2.1 数据来源

文献计量分析数据来自中国知网核心数据库，通过主题词“粉煤灰”进行检索，时间跨度为2010～2018年，只针对SCI来源期刊、EI来源期刊、核心期刊、CSSCI期刊以及CSCD核心期刊所包含的学术论文，检索结果共同筛选出相关文献3632篇，作为分析的数据基础。

2.2 研究方法

信息可视化是指利用计算机实现对抽象数据的交互式可视来增强人们对这些抽象信息的认知[7]。将初期研究的奠基性作用文献转换为相关数据后导入CiteSpaceV，将时间段(Time Slicing)设为2010～2018年，跨度(Year Per Slice)为1年；数据抽取对象为TopN10.0%；每个时间段抽取的节点数最大值设为50；裁剪方式选为Pathfinder(寻径网络)；节点类型(Node Types)依次选择“Keyword”“Author”“Institution”；分别生成关键词、作者和机构共现图谱，并进行基本特征、合作特征、关键词共现等知识图谱分析。

3 结果分析

3.1 发文数量时间特征

由粉煤灰研究文献时间分布图(图1)可以看出，在2000～2018年间，论文的发表数量基本上呈逐年上升的趋势，增长趋势在2000～2008年较为平缓，但是在2008～2016年间出现了一定程度上的波动，历年论文发表数量的增长表明粉煤灰领域越来越多的得到科研工作者的关注，根据发文量年度趋势可以预测2018年发文量应稳定在450篇左右。

图1 2000～2018年粉煤灰研究文献时间分布Fig.1 The time distribution of coal fly ash research literature from 2000 to 2018

3.2 关键词共现图谱以及热点分析

关键词代表了文章的主要研究内容，对关键词共现分析有利于识别研究主题以及其演变规律，将节点类型选为关键词，裁剪方式设为寻经裁剪(PathFinder)从图2可以看出，网络节点数量N为227，连线数量E为996，网络密度Density为0.0388。其中具有紫色外圈的点为转折点，该类节点具有高的中介中心性，中介中心性是测度节点在网络中重要性或影响力的指标，用以发现和衡量文献的重要性，并以紫色圈对节点进行标注，其大小反应了关键词出现的频次，节点的中心性与其影响力成正比[8]。图2中关键词布局特征表明，粉煤灰领域研究主题广泛，相同主题内研究角度呈现多元化特征。出现频次最大的关键词是“抗压强度”，其他依次为“混凝土”“力学性能”“正交实验”“吸附”“耐久性”“强度”“矿物掺合料”“水泥”“微观结构”“矿渣”“氧化铝”“高性能混凝土”“性能”“重金属”“地质聚合物”等，可以明显看出利用粉煤灰作为混凝土填料出现频次较高并且聚类内相似性最强，是最重要的一个研究专题。另外，此研究所涉及的其他领域也很多，例如土壤改良剂、合成莫来石、烧结泡沫陶瓷等，只是这些领域所占比重较小。这些领域之间相互联系，形成了巨大的领域共线网络认识图谱。关键词印证了本领域的主要研究方向为大掺量粉煤灰水泥性能研究、粉煤灰回填技术、高性能混凝土、有价金属提取以及粉煤灰吸附研究。

图2 关键词共现图谱特征Fig.2 Keywords Co-occurring spectral feature

3.3 作者以及研究机构分布

为了发现粉煤灰利用技术领域的中坚力量，可以通过探寻该领域核心作者群体的方法，该方法通常依据发表相关论文的第一作者分布情况。依据普莱斯定律[9]，核心作者是指发文量在N篇以上的作者，N的计算依照公式(1)，其中指发文量最高的作者发文数，本研究中最高发文量为18篇，经过计算N=3.088，故发文量高于4篇的应为该领域的核心作者。由粉煤灰研究领域作者研究图谱(图3)可知多数研究学者合作关系主要为团队内部之间，研究者人物之间散落和连接较少的节点，说明作者之间合作较少，但是，其中王栋民、阎培渝、马保国为核心作者的研究团队合作较为紧密，其余团队间亦有不同程度的合作。分析造成此现象的原因主要还是受到地域、学缘关系的影响。

表1列出了目前我国粉煤灰研究领域的重要研究者，以第一作者发表的学术论文数量10篇以上代表了粉煤灰研究者的中坚力量，以第一作者发文量最多的为王栋民，通过表中可以直观了解发文量前15的作者及作为第一作者发文量的情况。

图3 2010～2018年粉煤灰研究领域作者研究图谱Fig.3 Author study graph of fly ash research field from 2010 to 2018

表1 发文作者及机构Tab.1 The 20 authors and their institutes in coal fly ash research

对与机构共现分析，在软件界面中将时间跨度设置为2010-2018年；时间切片设定为1年；节点类型选择“Institution”；选择标准选择“Top N=50”；运行调试后得到机构共现网络如图4所示。由图中可以看出，节点数N=1058，连线数E=181，网络密度Denity=0.0053，节点代表研究机构，节点大小与机构发文量成正比关系，节点之间的连线表示机构之间的合作关系，节点整体分布形式呈现“中心集中、四周分散”状态，以核心作者为中心形成了大小不同的连线紧密区域，说明该领域有多个研究团队，分析作者研究机构可以得出：学术上研究粉煤灰资源化利用的研究机构较多，高校和科研院所是粉煤灰利用研究的主要力量，高校在发表量上占有绝对的优势，但联系比较稀少，说明各研究机构在研究方向上比较分散，合作和学术交流紧密程度不高，但是，在局部领域也形成若干个以一个科研机构为核心的研究基体。发文数量排在前5位的有：重庆大学、南京工业大学、宁夏大学、东南大学和同济大学，其余排在前列的科研机构列入表2中。

图4 2010-2018年粉煤灰研究领域机构合作图谱Fig.4 The visualization diagram of agency cooperation in coal fly ash research from 2010 to 2018

表2 主要发文机构排名Tab.2 Top 10 institutes in coal fly ash research

将2010～2018年共被引频次数排名前10的经典文献进行归纳并列入表3，指出各专家学者在粉煤灰利用领域的研究方向。黄艳利[10]研究了地面矸石、粉煤灰、黄土等固废作为填充材料的综合机械化固体填充技术，分析了不同矸石混合粉煤灰充填体压实率对等价采高的影响规律，研究方法包括数值模拟、工程实践，该研究为综合机械化固体充填采煤技术的有效实施提供技术参考。徐俊明等[11]比较分析了矸石-粉煤灰充填材料压实过程中的变形特征，研究了基本变形规律，并得到出充填体的最佳配比为1∶0.3时充填综采工作面岩层移动控制效果良好。阿茹罕等[12]研究了同强度等级条件下，养护不同时间、含有不同比例粉煤灰混凝土的碳化特性，结果表明：在自然碳化或加速碳化条件下，只要保证粉煤灰掺量在40%以下，不同粉煤灰掺量的混凝土抗碳化性能基本相同。王萧萧[13]以内蒙古东部区富含天然浮石为粗骨料，通过轻骨料混凝土中掺入不同配比的粉煤灰，在不同养护时间下进行强度对比，在冻融循环作用下，考察了最优配比条件下轻骨料混凝土的耐久性和抗冻性能。李响等[14]人研究了水泥-粉煤灰复合凝胶材料的水化程度，通过不同掺量粉煤灰反应程度和化学结合水量的测定得出结论：粉煤灰掺量越大，粉煤灰自身的反应程度越低，水泥水化程度越高。而高温养护的热激发效应加速了早领期体系水泥总水化反应和粉煤灰火山灰反应进程。林玮等[15]利用宏观和微观性能相结合的方法研究了粉煤灰磷酸镁水泥中粉煤灰的活性效应、微集料效应和形貌效应，研究结果表明：粉煤灰中的氧化镁是激发粉煤灰活性的关键，另外其他活性产物包含钾、镁、铝、硅和磷元素的复杂无定型化合物；粉煤灰的活性和圆球形的物理填充改变了磷酸镁水泥浆体的流动性，掺量在40%时其抗压强度达到最大，掺入粉煤灰后，溶液中大量的磷酸根离子被吸附于粉煤灰表面，使其释放过程得到一定的缓冲，造成了凝结延缓。蒋丽等[16]研究了粉煤灰陶粒对废水中盐酸盐的去除情况，结果表明：较高的磷酸盐初始浓度可以加快磷酸盐的吸附．且当 pH 为6时，吸附效果最佳。粉煤灰陶粒对磷酸盐的吸附符合 Langmuir等温模型。粉煤灰陶粒的吸附饱和量随着温度的升高逐渐减小，15℃最大饱和吸附量为0.7903 mg/g。汪潇[17]研究了在较长龄期下，粉煤灰掺量为50%和60%的混凝土的力学性能、抗碳化性能和收缩性能。结果表明大掺量粉煤灰混凝土经过适当的激发剂作用和较长的养护时间后，强度发展和基准混凝土强度相当；长期养护可以强化其碳化性能提高并改善混凝土的收缩性能。王冲等[18]利用微量热仪法测量了不同掺量粉煤灰和矿渣对水泥水化热和放热速率的影响规律，研究表明：粉煤灰或矿渣的掺入，显著降低了水泥水化热，与矿渣相比，粉煤灰对水泥水化热降低作用明显比矿渣作用强，其玻璃体网络形成体结构稳定性是其活性较低性的主要原因。王宇等[19]利用改良水热法研制合成了低成本的P型沸石，并对其进行了稀土镧改性处理，通过实验研究了改性镧离子浓度、投加量、pH值对同步去除氨氮和磷的影响，结果表明：适当的反应条件下，氨氮与磷的去除率分别为90%，95%以上，稀土元素改性吸附剂由于其表面离子配位不饱和，容易和阳离子和阴离子生成表面配位络合物，所以可以吸附水中的阴阳离子。氨氮与磷的最大吸附量分别为3.94,1.65mg/g。

表3 高共被引经典文献统计Tab.3 Statistics of high cited literatures

4 结 论

本文以2010～2018年中国知网来源期刊上发表的3 632篇粉煤灰相关论文为样本，利用文献计量分析方法，对该领域进行了聚类分析、关键词共现分析以作者与研究机构共现分析。研究发现：2010～2018年，粉煤灰研究技术的增加速度较快，形成了规模较大的核心刊物群，该刊物群包括《采矿与安全工程学报》EI、《硅酸盐学报》EI、《硅酸盐通报》核心期刊、《建筑材料学报》EI、《环境科学学报》核心期刊、《混凝土》核心期刊、《材料导报》EI等；核心作者群体和机构结构较为松散，但是，在局部领域也形成若干个以一个科研机构为核心的研究基体，其中高校占据粉煤灰研究领域的优势地位，科研单位和企业居于次席；从关键词中介中心性的角度分析可知：大掺量粉煤灰混凝土的性能及机理研究、改性粉煤灰复合材料的吸附动力研究、粉煤灰基地质聚合物填充材料性能及机理研究、粉煤灰中有价组分的提取为研究的主要热点和文献量的爆发点。

本文首次将CiteSpace软件应用于粉煤灰利用领域，旨在通过认识图谱的可视化分析帮助研究者了解该领域的研究热点和发展趋势，但是，本文纳入分析的文献来源仅限于中国知网数据库，不能保证数据的全面性，可能对结果的准确性造成一定的影响。