基于知识图谱的人类工效学典型研究热点分析

彭宇新，吴群

(浙江理工大学 通用设计研究所，杭州 310058)

1 引言

近年来，越来越多的学者开始对人类工效学进行深入的研究。国际人类工效学学会[1](International Ergonomics Association)将人类工效学定义为：“人类工效学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作中、家庭生活中和休假中怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科”。因此，阐明该领域的研究热点和未来发展方向，可为后续的研究工作提供依据。

科学知识图谱作为一种揭示知识发展过程和结构关系的新研究方法。通过数据挖掘、信息处理和图形绘制得到不同国家，机构，期刊和类别的出版成果的表现[2]。其中共被引分析可以通过分析高频引用的参考文献来识别研究领域的知识结构和研究前沿[3]，而且能够阐明代表性文献在研究领域演变中的作用[4]。

本次研究将以人类工效学领域内的受关注程度较高的4种期刊为研究对象，收集各期刊在2010到2017年发表的所有论文为研究数据，利用CiteSpace软件，通过研究活跃的国家、机构，以及共被引分析和关键词共现分析，以了解当前人类工效学领域的知识结构、研究趋势和热点。

2 数据来源和研究工具

2.1 数据来源

本文选用的数据来源于Web of Science的核心合集数据库中的人类工效学领域内受关注程度较高的4种期刊,分别为《APPLIED ERGONOMICS》、《ERGONOMICS》、《HUMAN FACTORS》和《INTERNATIONAL JOURNAL OF INDUSTRIAL ERGONOMICS》，均被SCI、SSCI共同收录到人类工程学学科期刊中。利用Web of Science进行文献检索，检索时间为2017年12月31日，检索范围为2010年1月-2017年12月。检索策略为：出版物名称=("APPLIED ERGONOMICS" or "ERGONOMICS" or "HUMAN FACTORS" or "INTERNATIONAL JOURNAL OF INDUSTRIAL ERGONOMICS")，语言=(英语)，文献类型选择“Article”。最终得到有效检索结果3634条记录。将文献记录导出到CiteSpace进行进一步分析

2.2 CiteSpace介绍

CiteSpace是一个用于文献可视化和共被引分析的Java应用程序[5]，通过对文献共被引、作者共被引和关键字共现等指标的解读，能够提供人类工效学领域的研究热点及趋势[6]。CiteSpace涉及三个中心概念：突发检测(Burst Detection)，中间中心性(Betweenness Centrality)和异构网络(Heterogeneous Networks)。通过这些概念可以解决3个实际问题，即确定研究前沿的性质，标注出高影响力的特性，并及时发现新出现的趋势和突变[7]。CiteSpace还能使用户更容易地通过识别具有高中间中心性的节点来确认关键节点，通常用紫色圆环的节点来显示，紫色圆环的厚度表示中介中间中心性的强度，越厚代表该节点的中介中间中心性就越强[8]。

3 研究结果与分析

3.1 工效学国家/地区共现网络分析

在Cite Space中，选择“国家”作为节点类型，设置TOP-N%=50%。最后，得出33个节点和182条连接线，如图1所示。整体来看，人类工效学领域中国家的合作网络靠近中间的国家，连接线也越多，网络更加密集。且国家合作程度以发文量最高的几个国家为主导。

图1 国家/地区工效学共现网络的知识图谱

排名文献数量中间中心性国家/地区1234567891012144343062892271791691551541480.520.220.050.090.060.040.080.000.110.16美国英国加拿大澳大利亚中国德国荷兰韩国瑞典法国

表1为发文量前10的国家。根据表1可知，美国的发文量最多，总计1214篇(占37.0%)，在人类工效学研究中占有主要的地位，而中国是前10位国家中唯一的发展中国家，共发表227篇(6.9%)，排名第5，其中均以发达国家主导，这显示出经济能力对提升学术水平的积极作用；中间中心性方面，美国同样具有最高的中间中心性(0.52)，处于网络的合作中心，另外发文量前十的国家中除了韩国(0.00)，均有合作关系，且以美国(0.52)、英国(0.22)和法国(0.16)为主导。而德国(0.04)、加拿大(0.05)、中国(0.06)和其他国家之间的合作不频繁。

值得注意的是，近8年中国在人类工效学领域的论文发文量逐年增加，且自2014年增长速度明显提高，如图2所示。年度论文总量从2010年的11篇增加到2016年的49篇，平均年增长率为29%。且2010年到2017年中国的发文量排名从第6增长为第4，超越了加拿大与德国。从另一个方面反映中国在近几年开始逐渐重视人类工效学的研究和应用。

图2 工效学发文量排名前6的国家年度出版物的增长趋势

3.2 工效学研究机构共现网络分析

为获取人类工效学的机构共现网络，在CiteSpace中选择“机构”作为节点类型，设置TOP-N%=100%。最后，得出508个节点和1080条连接线，因此3634篇文献分布在了508个研究机构中，如图3所示。从图3中可知，分布在相同地区的国家之间的连接线较多，网络较密集，说明学术交流比较频繁，其中欧洲地区的机构合作尤为密切。

图3 工效学研究机构共现网络

表2为工效学发文量前10的机构。根据表2可知，英国南安普顿大学(Univ Southampton)的发文量最高，总计96篇，其中美国和英国的机构在人类工效学领域占据主导地位，共占据8所；中间中心性方面，10所机构中7所机构拥有较高的中间中心性(≥0.1)，其中美国利宝互助安全研究院(Liberty Mutual Res Inst Safety)具有最高的中间中心线(0.17)，紧接着是美国威斯康辛大学(Univ Wisconsin)(0.16)和加拿大滑铁卢大学(Univ Waterloo)(0.15)，因此美国和加拿大的机构之间存在密切的学术交流。此外，我国清华大学(Tsinghua Univ)与香港理工大学(Hong Kong Polytech Univ)排第15、16位，香港城市大学(City Univ Hong Kong)排在第18位，国立清华大学(Natl Tsing Hua Univ)排在第30位。

表2 工效学发行文献数量的机构排名

通过对人类工效学领域的国家/地区共现网络分析和机构共现网络分析，可以看出科研机构与高等院校的合作日趋紧密，跨国家合作交流也愈发频繁。

人类工效学的研究具有极其广泛的研究和应用范围，如今的生产和生活具有极大的综合性、总体性、系统性。面对这样的研究对象，进行广泛的横向联系是必然结果。因此，跨领域、跨机构和跨国家的配合与协作已成为人类工效学的主要工作方式和研究特点[9]。

3.3 发文量前5的国家工效学研究热点分析

在Web of Science核心合集数据库中分别导出发文量排名前5的国家，借助CiteSpace的关键词聚类功能，分别分析了美国(1214)、英国(434)、加拿大(306)、澳大利亚(289)和中国(227)在人类工效学领域的研究热点。在CiteSpace，选择每年引用数量最高的前50篇文献中的关键词作为共被引分析对象。通过将关键词聚类后，可以得到相对应的聚类标签，即每个国家的研究热点。

美国:根据表3可将美国在人类工效学领域的研究热点分为四类：(1)医疗工作系统(#0)：如干扰患者安全的影响因素和减少医疗错误[10]等；(2)肌肉骨骼疾病风险评估(#1、#3、#5):如量化了使用笔记本电脑工作的姿势[11]、工作组的强度措施[12]等；(3)生物力学(#2)：如评估任务处理中的负荷对腰部和下肢的影响[13]、青少年参与的材料处理[14]等；(4)近红外光谱研究方法(#4):如研究组织血液动力学、氧合作用和肌肉收缩特性的变化对肌肉骨骼疾病背后的机制的影响[15]等。图4展示了美国最主要的6个研究热点的文献数量雷达图。

表3 美国人类工效学研究的关键词聚类分析排名

图4 美国最主要6个工效学研究热点文献量雷达图

英国：根据表4可将英国在人类工效学领域中的研究热点可分为3类：(1)交通工具与安全驾驶(#2、#3、#5)：如驾驶中的决策行为和神经模式[16]、对老年司机的驾驶室人体工程学设计[17]、高度自动化驾驶中转换手动控制的研究[18]等：(2)人机工程学工具与方法(#0)：如拟合法[19]、应用于空中交通管制的分布式认知方法[20]等；(3)肌肉骨骼疾病(#1、#4)：如腰背症状的风险因素评估[21]等。图5展示了英国最主要的6个研究热点的文献数量雷达图。

表4 英国人类工效学研究的关键词聚类分析排名

图5 英国最主要6个工效学研究热点文献量雷达图

加拿大：根据表5可将加拿大在人类工效学领域中的研究热点可分为3类:(1)骨骼肌肉疾病风险评估(#0、#1、#3、#5)：如符合任务和安全要求的手套厚度研究[22]、长期的护理工作和姿势对腰背疼痛的风险评估[23]等；(2)人体工程学实践(#2)：如物资供应系统的重设计[24]；(3)空中交通管制(#4)：如空中交通管制通知的注意成本和故障[25]等。图6展示了加拿大最主要的6个研究热点的文献数量雷达图。

表5 加拿大人类工效学研究的关键词聚类分析排名

图6 加拿大最主要6个工效学研究热点的文献量雷达图

澳大利亚：根据表6可将澳大利亚在人类工效学领域中的研究热点可分为4类:(1)工效学研究方法(#0、#5):如分布式认知方法[20]、开创性风险管理框架和相应的AcciMap方法[26]、工作任务分析(JTA)[27]等；(2)认知心理学(#1)：如坐立和站立以及行走时的相关认知功能和工作绩效的变化[28]；(3)肌肉骨骼疾病风险评估(#2)：如信息技术的使用情况与办公室工作人员的肌肉骨骼疾病风险评估的相关性[29]等；(4)职业健康问题(#3、#4)：如酒店工作人员[30]与呼叫中心工作人员[31]工作强度与生活的冲突等。图7展示了澳大利亚最主要的6个研究热点的文献数量雷达图。

图7 澳大利亚最主要6个工效学研究热点文献量雷达图

中国：根据表7可将中国在人类工效学领域中的研究热点可分为4类:(1)驾驶安全(#0、#4)：如动态振动触觉警告[32]、驾驶者决策的个体差异[16]等；(2)计算机模拟技术(#1、#3)：如人体温调节模型[33]、模拟人体工程学测量[34]等；(3)绩效和生物力学(#2)：如性能曲线梯度[35]；(4)骨骼肌肉疾病(#5)：如背包运输对躯干姿势的承载效应和复位能力研究[36]。图8展示了中国最主要的6个研究热点的文献数量雷达图。

表7 中国人类工效学研究的关键词聚类分析排名

图8 中国最主要6个工效学研究热点文献量雷达图

通过了解发文量前5的每一个国家的研究热点，可以发现，骨骼肌肉疾病始终是每个国家的主要研究热点。其次，工作系统方法也得到大部分国家的关注，包括医疗工作系统方法(美国)，工效学工具和方法(英国)，风险管理框架(澳大利亚)以及计算机模拟方法(中国)，而英国和中国更多关注驾驶安全领域的研究。在研究人群方面，劳工是每个国家的主要研究人群，美国对医疗人员与患者有较多关注，英国和中国对驾驶者的关注也较为突出，此外，中国对老年人[37]以及户外工作人员职业(如建筑工人)也有较多的关注。

3.4 工效学关键字的共现网络分析

在CiteSpace中，选择每年引用数量最高的前50篇文献中的关键词作为共被引分析对象。如图9所示，生成120个节点和619条连接线。从冷到暖的色调变化的圆环节点代表每一个引用的关键词。颜色越暖，时间越近。对于单个节点，每个异色同心环的厚度代表相应1年时间片段中关键词的出现频率。因此，每个节点的大小与相应文献中关键词的频率成正比。其中节点连线的距离表示两个关键词共同出现在引文中的频率强度，颜色则表示第一次共同出现在引文中的年份。

表8列出了前20个高频的关键词，由表13可知，“绩效”出现的频率最高，为601次，接下来是“设计”(370)和“系统”(321)，其他常用的关键词是“任务”(311)、“工作”(291)、“风险因素”(280)等。

中间心性方面，“绩效”(0.2)、“设计”(0.15)、“系统”(0.11)和“负荷”(0.1)拥有最高的中间中心线，通过紫色圆环的节点来显示，说明这些关键词代表了人类工效学领域中突发性最强的新兴趋势。

图9 工效学关键词共现分析

中间中心性频率关键词(英文)关键词(中文)0.2601Performance绩效0.15370Design设计0.11321System系统0.05311Task任务0.09291Eork工作0.07280Risk factor风险因素0.07259Ergonomics人类工效学0.06256Musculoskeletal disorder肌肉骨骼疾病0.08238Posture姿势0.07234Low back pain腰背疼痛0.06222Model模式0.09195Fatigue疲劳0.08179Disorder紊乱0.05171Health健康0.06147Attention注意0.06146Safety安全0.05145Stress压力0.05141Rsk风险0.05136Perception知觉0.09135Exposure不适

3.5 工效学文献的共被引分析

时间跨度和选择标准分别设置为2010～2017(切片长度= 1)和每片300个。其中(c，cc，ccv)设置为(2，3，20)，(3，3，20)，(4，4，20)。最后生成3880个节点和10714条连接线。密度为0.0014。Q值为0.8844(>0.3)，S值为0.824(>0.5)时，聚类结果合理，引文共被引图如图10所示。每一个圆环节点代表一篇引用的参考文献。颜色越暖，时间越近。对于单个节点，每个异色同心环的厚度代表相应1年时间片段中关键词的出现频率。因此，每个节点的大小与相应文献的总共被引频率成正比。其中引用文献连线的距离表示两篇文献的相关强度，颜色则表示第一次共被引的年份[4]。

图10 工效学文献共现网络

引文突发(Citation Burst)是通过检测引文在某一段时间内引用频率的突发强度来找出该领域研究热点的新兴趋势[38]。共被引分析结果显示，3 880个节点中有161篇文献出现引文突发现象。引文的结果按照强度降序排列。表9列出了2010年到2017年期间引文突发强度最高的前20篇文献，其中2010到2017年内被引频次激增的年份通过较高的色块表现。

根据表9可知，其中第19篇文献为国际生物力学学会对人体关节坐标系的定义。剩余的按照研究的内容，主要分为应用研究和理论方法研究。应用研究包括4类：(1)骨骼肌肉疾病的风险因素评估(文献5、6、8、12、13、18)；(2)医疗工作系统(文献4、9、16、20)；(3)自动化程度(文献1、15)；(4)驾驶过程中的视觉认知负荷(文献7、10、17)。

理论方法研究包括4类：(1)包括骨骼肌肉疾病的概念(文献2)；(2)人体工程学属性和概念的定义(文献3)；(3)对骨骼肌肉疾病或身体不适的评估方法(文献5、11、14)；(4)医疗系统中的人因因素研究(文献20)。

按照研究的人群，主要分为4类:(1)劳工(文献3、5、8、14、15)；(2)护理人员与患者(文献4、9、16、20)；(3)驾驶者(文献7、10、17)；(4)手机电脑使用人群(文献6、12、13)。

此外，通过表5还可以看出2010年到2017期间不同时间段的研究热点，其中有7篇文献直到2017年仍有着较高的研究热度，可以判断 ，这些文献的研究内容也是未来人类工效学领域的主要研究趋势，其中包括：(1)对人体工程学属性和概念的定义(文献3)；(2)医疗系统中的人为因素框架(文献4、20)；(3)评估与肌肉骨骼疾病相关的危险因素(文献11)；(4)平板电脑使用的姿势对头部和颈部弯曲角度的影响(文献12、13)；(5)自动化水平对人绩效的影响(文献15)。

表9 2010到2017引文突发强度最高的前20篇工效学文献

4 讨论

在这项研究中，我们通过知识图谱工具，使用中间中心线、共被引和突发检测的概念，对人类工效学领域里关注度较高的4本期刊在近8年发表的科学文献进行可视化，从国家、机构、各国家研究热点等方面对人类工效学领域进行分析。我们发现，在研究热点方面，骨骼肌肉疾病始终是每个国家的主要研究热点。其次，工作系统方法也得到大部分国家的关注，而英国和中国相对更多关注驾驶安全领域的研究。在研究人群方面，劳工是每个国家的主要研究人群，美国对医疗人员与患者有较多关注，英国和中国对驾驶者的关注也较为突出，此外，中国对老年人以及户外工作人员有较多的关注。另外我们发现，随着经济的发展，各国对人类工效学领域研究的关注度逐步提升。在全球化的背景下，跨国家之间的合作，以及科研机构与高等院校之间的合作也愈发紧密,这在一定程度上是由于人类工效学具有极其广泛的研究和应用范围，适合国家之间、机构与高校之间以及学科之间的配合与协作，并且这种工作方式和研究特点将逐步成为未来人类工效学研究的趋势。

值得注意的是，在数据选择部分，本次研究仅限于人类工效学领域内受关注程度较高的4种英文期刊，特别是中文文献未被分析，所收集的数据集容量较小，未能对人类工效学研究趋势进行全面分析，分析结果可能会与实际情况有一定偏差；在研究热点部分，由于对人类工效学领域了解的广度和深度不够，致使会对知识图谱的解读产生一定的误差，因此这部分还有许多问题值得进一步探讨；期待以后的研究人员可以进一步扩展数据集，克服数据量的不利影响，发散思维并运用更多元的研究方法从不同的角度更深入地挖掘出数据中隐含的信息。

5 展望

本次研究中借助CiteSpace这一文献可视化软件生成了人类工效学领域的科学知识图谱，评估了知识结构、研究热点和研究趋势。研究结果发现：(1)发文量最高的10个国家中，除了中国均为发达国家，显示出经济能力对提升学术水平的积极作用，美国是人类工效学领域中发文量最高(1214篇)的国家，而中国在过去的8年中呈现出强劲的增长趋势，这与中国对人类工效学研究的不断重视密不可分；(2)英国南安普顿大学(Univ Southampton)在机构发文数量中排名第一，我国清华大学(Tsinghua Univ)与香港理工大学(Hong Kong Polytech Univ)排第15、16位；(3)从国家和机构的知识图谱中分析可知，人类工效学领域的研究正在向着跨机构、跨国家之间合作交流的趋势前进；(4)共被引分析表明，在研究内容上，肌肉骨骼疾病的风险因素评估以及医疗系统绩效的优化是人类工效学领域中两个最突出的热点，在研究方法上，医疗工作系统方法和人机协同方法成为研究热点，从研究人群的角度来看，劳工和护理人员以及病患是人类工效学领域中主要的研究人群；(5)未来人类工效学领域的研究趋势包括对人体工程学属性和概念、医疗系统中的人为因素框架以及评估肌肉骨骼疾病相关的危险因素的研究。