基于技术关键词的学科领域协同演化分析实证研究

吴蕾 梁晓贺 宋红燕

关键词：协同演化分析;跨学科研究;技术关键词分析;聚类分析;学科领域分析;农业动物生殖细胞和干细胞调控

随着数据、信息、知识融合的进一步加深，学科之间的跨领域合作、知识交叉现象出现的越来越频繁。学科领域发展不再局限于自身知识网络变化，還会受到其他学科领域发展变化的影响。多种学科领域通过相互影响、共同发展，最终实现知识的成长。

学科领域的协同演化分析关注跨学科知识在时间维度上发展变化的相互关系。1964年协同演化分析首次在《演化》杂志上被提出，用来描述蝴蝶与其食物在演化过程中的相互关系。即当一个物种发生演化时，由于选择压力发生改变，其他物种也将随之发生相适应的演化变化。最终系统将达到高度适应的动态稳定状态。现在协同演化分析已经逐渐由生态学延伸到经济学、管理学等社会科学领域。学科领域协同演化分析认为协同演化的动力是相互依赖的学科之间相互变化和相互影响的关系，每个学科的演化影响着其他学科的演化发展。当两个学科对彼此的演化存在相互影响的因果关系时，那么这两个学科就是协同演化发展的。本文利用协同演化分析方法研究学科领域技术关键词结构的发展轨迹.通过学科之间的交互性和继承性，以及优先发展学科领域的技术方法，发现落后发展学科领域技术空白点。

2016年，农业领域专家通过预测研究，研判提出“农业动物生殖细胞和干细胞调控技术”将成为未来（2030年）农业领域重大前沿技术之一。但是当前农业领域动物生殖细胞和干细胞调控研究的论文量较少，发文量增长缓慢.甚至有的年度发文量较前一年略有下降（见图1）。这些现象都在说明当前农业领域生殖细胞和干细胞调控研究还正处于萌芽期（婴儿期）。为研究带来一定困难。黄鲁成等采用基于创新性、独创性和功能分析的方法识别萌芽期的颠覆性技术。该方法采用统计指标和SAO结构，从学科领域自身出发衡量技术发展初期技术关键词的颠覆性并预测其未来影响。但是该类方法忽略学科之间相互影响对技术发展的引导作用。

与农业领域动物生殖细胞和干细胞调控研究相比，医学领域生殖细胞和干细胞调控研究起步较早并且科技文献研究已经具有一定规模（见图1）。从1995年以来全领域和医学领域生殖细胞和干细胞调控技术相关论文均呈现稳定且逐年增长态势，表明该领域的基础研究与技术仍在快速发展之中。另外医学领域论文量占据全领域论文总量的较大比例，说明医学领域是该研究的主流研究学科领域。

因此，本文在探索领域技术关键词结构及演化趋势的同时，考虑了医学领域（辅助领域）对农业领域（目标领域）的影响和促进作用。挖掘医学动物生殖细胞和干细胞调控领域当前热门的研究技术，有利于为农业动物生殖细胞和干细胞调控领域未来技术方法发展走向提供预测。

1相关工作

在技术演化分析数据源选择方面，由于专利数据是技术方法、法律状态和商业信息的载体，因此有许多研究针对专利数据进行技术演化分析。然而.科技文献作为长久以来最主要的科学技术信息传播交流方式，其客观地记录着对于科学问题研究所取得的最新进展或重要知识创新。这些记录对研究技术演化趋势和预测未来发展同样具有重要意义。因此，本文使用科技论文作为数据源进行技术关键词和摘要文本分析，从而挖掘当前技术研究空白点。

在技术演化定量分析研究方面，学者借助技术关键词或者技术主题的时间信息对技术研究发展趋势进行研究。谢志明等、伊惠芳等、喻登科等、李欣等学者使用技术生命周期和技术进化路线对各学科研究方向技术演化脉络进行分析。技术生命周期表示一种以周期变化为特征的技术主题演化模式，一般划分为萌芽期、成长期、成熟期和衰退期4个阶段。李柏洲等学者使用偏联系数方法对技术依赖演化趋势进行了分析。祝清松等、罗双铃等、Martinelli A利用引文分析进行技术主题演化分析和技术预见研究。引用关系反映了技术基础和科学基础的发展脉络。引文关系主要包括直接引用关系、同被引关系和引文耦合关系等，不同类型的引文关系的侧重点有所不同。方曙等、Chang P L等、陈亮、Huang Y等学者使用文本挖掘方法对文本信息进行整理、分析与挖掘，从而进行主题演化分析。其中SAO和主题模型等方法成为当前文本挖掘分析主题演化的流行方法。本文在基于时间对技术关键词进行分析的同时，对技术关键词进行了两个方面的扩展。即加入从摘要扩展来的技术关键词.同时加入从跨领域扩展来的技术关键词。通过对技术关键词进行扩展有助于发现目前出现频次较低甚至没有出现过，但是未来有发展潜力的技术方法。

2研究方法

本文从科技文献中的关键词出发，对技术关键词进行跨领域协同演化分析。首先通过人工筛选出量高质优型技术关键词。这些关键词中包含了研究者关注的主流技术关键词，同时排除了大量非技术类关键词。但是漏掉了一些潜在的重要技术关键词。这些关键词出现频次较低，通过计量方法很难识别出来。因此，第二步需要扩展技术关键词。本文从两方面对技术关键词进行扩展：一方面.使用Word2vec词向量方法量化摘要文本中的词.并使用相似性计算从摘要词向量中获取与量高质优型技术关键词相似性较大的新技术词;另一方面，加入医学领域中的质优型技术关键词。第三步，对扩展的技术关键词进行语义聚类分析。最后，基于时间对扩展技术关键词及其聚类进行演化分析。

3技术关键词协同演化分析

3.1数据来源

基于Web of Science的SCI数据集对全球2013—2017年“动物生殖细胞和干细胞调控技术”论文进行检索，得到农业领域571篇文献，医学领域34604篇文献。农业领域共包含4712个摘要语句，医学领域共包含268183个摘要语句。

3.2技术关键词扩展及聚类分析

通过在农业领域和医学领域同时提取量高质优型关键词和量低质优型关键词.并对两者同时进行关键词及其数量对比，可以在优先发展且知识更为丰富的医学领域发现当前还没有应用到农业领域的技术方法。同时，可以在避免使用论文给出的全部关键词的同时，从非高频关键词中提取语义相近关键词扩充聚类簇的关键词。本文扩展的关键词只关注与农业领域相关的，而没有将针对某些人体病症（例如癌症、心肌炎等）进行治疗（例如核磁共振、心理疗法、中医疗法等）的相关技术关键词扩展进来。

通过扩展农业动物生殖细胞和干细胞调控领域的技术关键词并对其进行相似性聚类，可以将该领域关键词划分为8个聚类（如图3所示），包括：组织工程、发育遗传学技术、形态学技术、表观遗传学技术、体外培养与保存、免疫细胞学技术、基因组学研究和统计分析。被矩形框框出的节点表示的关键词是扩展而来的。可见，农业领域论文的高频关键词主要集中在免疫细胞学技术、基因组学研究等关键词簇。

3.3基于时间的扩展技术关键词分析

图4显示了农业领域和医学领域各年8个关键词簇的篇均词频。可以发现与医学领域趋势相似，农业领域的组织工程、形态学技术、体外培养与保存、免疫细胞学技术和统计分析5个关键词簇词频数相对较小。尤其是农业领域的统计分析词簇，2017年以前的出现次数屈指可数。可见在农业领域这些研究目前还比较薄弱。相比之下，发育遗传学技术、表观遗传学技术和基因组学研究3个关键词簇的词频数相对较大，且呈现增长趋势。可见这3个研究方向是当今农业领域生殖细胞和干细胞调控领域的主流方向。

另外，由于只选取了和农业领域有可能相关的医学领域关键词，因此其篇均词频小于对应的农业领域篇均词频。但是从结果来看，组织工程和统计分析两个关键词簇在农业领域的数值要小于在医学领域的数值。结合关键词簇的词频说明这两个关键词簇表示的研究方向不但薄弱，而且其在农业领域的研究比医学领域的研究更少。

通过分析发现：组织工程关键词簇中包括的关键词有组织工程Tissue Engineering、生物材料Bio.materials、生物医学Biomedical、生物工程Bioengi.neering等，其中生物工程在农业领域近5年文献中几乎没有出现，属于医学领域扩展而来。医学领域对组织工程的研究比农业领域的研究更多。但是考虑到其研究方向包括种子细胞、生物材料、构建组织和器官的方法和技术等，所以不排除今后在农业领域有其发展空间的可能。

统计分析关键词簇中包括的关键词有多变量分析Multivariate Analysis/Multivariable Analysis、统计分析Statistical Analysis、统计学STATISTICS、前瞻性研究Prospective Study、回顾性研究RetrospectiveStudv、回顾性分析Retrospective Analysis、单变量分析Univariate Analysis、元分析METAANALYSIS、生存分析Survival Analysis、危害比Hazard Ratio、回归Regression、逻辑斯蒂Logistic和卡普兰迈尔估计Kaplanmeier，这些关键词在农业领域近5年文献中几乎没有出现，全部属于医学领域扩展而来。随着大数据时代的到来.原始处理数据的方法逐渐显现出劣势，因此可以预见在今后研究中各种统计方法，甚至人工智能方法将大量涌现。而目前农业领域在这方面的研究非常薄弱，因此首先可以借鉴医学领域生殖细胞和干細胞的数据分析方法，然后融合统计计量方法、人工智能方法等进行数据表示、优化、挖掘和分析等工作。

除了这两个关键词簇.其他关键词簇的篇均词频在农业领域上的值均大于在医学领域上的值，符合数据集设定。其中发育遗传学技术关键词簇中去分化和趋化性在农业领域近5年文献中几乎没有出现;表观遗传学技术关键词簇中母体效应、低甲基化、超甲基化、三甲甲基化、核小体和表观基因组在农业领域近5年文献中几乎没有出现：体外培养与保存关键词簇中生物反应器在农业领域近5年文献中几乎没有出现：免疫细胞学技术关键词簇中MTT法、免疫抑制疗法和光谱法在农业领域近5年文献中几乎没有出现：基因组学研究关键词簇中高通量、全基因组关联、基因表达谱、生物信息学和增强子在农业领域近5年文献中几乎没有出现。这些关键词属于医学领域扩展而来.同时可能成为未来农业领域研究关注点。

4结论

本文使用基于技术关键词的协同演化方法分析农业动物生殖细胞和干细胞调控领域的文献生态系统，发现目前农业领域动物生殖细胞和干细胞调控研究中对组织工程和统计分析的研究相对较少，属于研究空白。另外，对发育遗传学技术、形态学技术、表观遗传学技术、体外培养与保存、免疫细胞学技术和基因组学研究方向也上存在技术空白点。这些空白点可能成为未来农业研究的潜力点。