水文水资源学家陈守煜先生学术研究的知识图谱分析

金菊良 ，陈鹏飞 ，陈梦璐 ，宁少尉 ，周戎星 ，张浩宇

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 水资源与环境系统工程研究所，安徽 合肥 230009）

1 研究背景

水是生活、生产、生态赖以维持的根本，水文水资源学在水利工程规划、建设与水资源管理领域中发挥着巨大作用。陈守煜先生生于1930年，自1952年毕业于上海交通大学土木工程系以来，一直坚持从事水文水资源系统分析、工程模糊集理论与应用领域的研究，持续62年之久，其间发表学术论文450余篇，出版《可变模糊集理论与模型及其应用》等学术专著10余本，是模糊水文水资源学和工程可变模糊集理论的创始人。陈先生1950年代参加三峡水库前期规划研究，1959年提出了确定三峡水库调节库容的概率论与数理统计方法[1]；1988年在水资源系统模糊理论方面取得开创性进展，综合运用系统的成因分析、概率统计分析与模糊集分析，创建了模糊水文学新学科[2]；随后提出各方案从属于模糊概念“优”的优属度概念[3]；1993年把所建立的模糊优选理论与模糊关系有机结合，提出多目标模糊决策理论[4]；在1990年代基于隶属度与隶属函数的客观性，提出了动态的相对隶属度概念[5]，建立了基于相对隶属函数的工程模糊集理论[6]；21世纪伊始创建了可变模糊集[7]，并于2010年首次导出以可变模糊集为基础的自然辩证法三大规律数学定理，将建立的“可变模糊集”发展为“可变模糊清晰混合集”[8]，为具有广泛模糊性基础的水文水资源学科更好地应用于实践奠定了理论基础。

对陈先生的学术研究历程进行系统分析，有利于进一步了解陈先生不同阶段的研究主题及其相互间的密切关系、反映其学术研究成果的总体脉络，有利于对模糊水文水资源学有更清晰系统的认识和理解，发现现有研究中尚未解决的问题或有待探索的领域。为此，本文采用文献计量方法系统分析陈先生发表的学术论文，并通过知识计量等工具对这些论文进行数据挖掘，生成形象直观的知识图谱，进行科学的分析探索，以认清陈先生持续学术创新研究的历程与演变特征、展望水文水资源学的发展趋势。

2 文献计量分析

文献计量分析是通过采用统计学等计量方法对相关文献进行分析的一种文献分析方法，可帮助学者分析学科发展动态和预测学科发展趋势；VOSviewer是一款用来构建和查看文献计量图谱的可视化分析软件，可绘制各个知识领域的科学图谱[9-10]。本文在中国知网CNKI中以“陈守煜”为作者栏检索条件进行精确检索，共检索到335篇文献，采用文献计量分析法，利用Excel和VOSviewer作为文献处理工具，绘制相关图表，主要选取VOSviewer提供的标签视图做呈现并解析：在标签视图中，一个节点和标签代表一个元素，节点的大小代表权重的高低，颜色相同的节点属于同一聚类，元素间的连线表示元素之间的共现关系。本文以定性与定量分析相结合的方法对上述检索到的文献进行发表时间、学科和期刊分布、高被引文献及关键词的分析，从不同角度分析陈先生学术研究历程的演变规律、研究特色和启示。由于陈先生发表在国外的文献不多，且字段多集中于“mathematics”“computer science”“engineering”“environmental science ecology”和“oceanography”，因此本文重点分析其国内文献，而未占用篇幅介绍其国外文献。

2.1 文献发表时间分布某学者文献发表的数量可反映该学者对于其研究领域的探索程度。陈先生在1958—2014年期间共发表文献335篇（中国知网检索）、历时56年。根据每年发文量绘制的图1，可知陈先生的学术研究历程经历了初创时期（阶段1）与持续发展时期（阶段2至阶段5），其中最明显的两个发文量峰值分别为1993年（63岁、发文17篇）和2002年（72岁、发文19篇），这是因为1993年初陈先生提出了多目标模糊决策理论、是一个重要的里程碑，1990年代后，陈先生基本形成了以自己为研究中心的团队，所以后期发文量较前期更多，并在2002年达到了发文量的巅峰。CNKI数据库显示陈先生的发文量不断提高，说明陈先生的研究不断深入、研究领域不断完善。陈先生的研究成果非常重要、得到了众多学者的普遍关注，合计被引8554次。

图1 陈守煜先生所发文献的时间分布

2.2 文献发表学科分布和期刊分布陈先生发表的论文学科分布较为广泛。本文检索得到载文量最多的前5门学科分别是水利工程77篇、数学49篇、地球物理20篇、环境18篇和建筑科学13篇，其研究成果多集中于工程技术、基础与应用基础研究。可见已有成果多集中在自然科学领域，反映了这些论文具有明显的交叉性研究特色和广泛的适用性（见表1）。水利工程和数学学科的文献数量最多，是陈先生最关注的两个学科，其研究成果表明水利工程离不开数学的支持、水利工程的发展也反馈和促进了数学的发展；地球物理、环境、建筑科学和控制工程学科的文献均超过了10篇，在陈先生的研究成果中也占据一定位置。

陈先生的论文发表在多个学术期刊上，其中载文量最多的前5种期刊分别是《大连理工大学学报》79篇、《水利学报》54篇、《水电能源科学》28篇、《水科学进展》12篇和《辽宁工程技术大学学报（自然科学版）》12篇（见表1）。其中《水利学报》和《水科学进展》属于水利学科领域影响力大、影响范围广的著名期刊，说明陈先生的研究在水利学术界具有重要影响。《大连理工大学学报》载文量较高是因为陈先生在大连理工大学任职，该校长期支持了陈先生的学术研究。

表1 陈守煜先生所发文献的主要学科和期刊

2.3 高被引文献分析高被引文献是某研究领域内被广泛认同并被频繁引用的核心文献，通常也是未来研究重要的知识基础和方法论基础，具有重要的学术价值、参考意义和影响力。检索得到陈先生的前5篇高被引文献均以其为第一作者发表、被引200次以上，其中论文《中长期水文预报综合分析理论模式与方法》和《多阶段多目标决策系统模糊优选理论及其应用》发表在《水利学报》上，被引次数均达到了223次以上，发表于《大连理工大学学报》的《工程可变模糊集理论与模型—模糊水文水资源学数学基础》达最高被引次数294次，另两篇分别发表于《中国工程科学》、《水科学进展》，由此可见陈先生的成果影响广泛，得到学术界高度认可。这5篇高被引文献都发表于其60岁以后、其中有3篇发表于其70岁以后，可见陈先生厚积薄发，在研究生涯的后期继续取得重要成果。这5篇高被引文献也充分体现了陈先生的研究特色，即模糊水文水资源学与可变模糊集理论。陈先生开辟了模糊水文水资源学这一崭新的学科领域，为后来学者的研究奠定了坚实的理论基础。

3 研究主题分析

运用VOSviewer工具绘制关键词共现分析的图2、图3，据此可认清陈先生的研究主题。VOSviewer聚类分析结果以形象直观的图形表示，得到其研究领域的6大类关键词类簇，即成为6大研究主题：“河渠非恒定流计算”“模糊集理论的水文水资源应用”“模糊水文水资源学基本理论”“模糊聚类-识别-优选统一理论”“可变模糊集理论”（可变模糊聚类-识别-优选统一理论）“可变模糊集理论的水文水资源应用”，见图2和表2。图3是陈先生所发文献关键词共现年代标签图，反映了这些研究主题从右向左随时间递进而演变的规律，结合图1得到了陈先生学术生涯的阶段划分表（见表3）。需要注意的是，一个研究主题大体在同一个研究阶段，但并不一定会完全出现在一个研究阶段内，由于时间的渐变会存在一定时间上的偏差，如图2中研究主题1（绿色聚类部分）的“模糊决策”在图3中与该聚类其他元素颜色不同，因此它属于下一阶段（1984—1988年）的研究内容。

图2 陈守煜先生所发文献关键词共现标签

图3 陈守煜先生所发文献关键词共现年代标签

表2 陈守煜先生所发文献的高频主题分类

表3 陈守煜先生所发文献的阶段划分

3.1 研究的第一阶段（1958—1984年）：河渠非恒定流计算第一阶段共发表32篇文献，研究主题为图2中绿色聚类部分的主题1，集中于河渠非恒定流计算、水库调洪演算、水能水利计算等数值解法研究。陈先生于1950年代参加重大水利工程三峡水库的前期规划研究，并针对三峡水库年调节库容的确定提出了一套概率统计方法，1958年不满而立之年的他已在《水利学报》等权威刊物发表“水库调洪”方面的学术论文[11-13]。这一时期是陈先生学术生涯的早期阶段，从水库调洪演算角度出发，引发一系列的思考，并将自己的研究成果一步步优化。在其第一篇文献中，他提出了适用于固定时段和变化时段的水库调洪计算图解法，消除了之前计算尺解法常限于作固定时段计算的不足[12]，是一个重要突破，随后又提出了一系列水库调洪计算的简化方法[13]，开始形成自己的专业数值计算的研究特点[14-16]。1959年从概率论及数理统计基本原理出发，根据枯水期间水库的水量平衡方程，提出了“积的组合频率法”，导出了相应的有效库容计算公式[1]。1964年根据上述原理和基本公式，提出了“积”的组合频率的综合性计算线图，以计算一定保证率及固定引用流量时年调节水库的有效库容[14]，进一步优化了计算方法；1970年代末，陈先生参加长江水利规划委员会主持的水能利用计算机应用研究，在水能水利计算数值解法方面开创了新途径[11]。1980年以后提出了水库调洪计算的数值解法及其计算机程序、河渠非恒定流其他数值计算方法，例如1980年发表在《水利学报》上的后续论文《水库调洪数值解法及其程序》在早期较为少见，比国际上同类成果早发表12年，现已在水库防洪调度生产实践中得到广泛应用，取得显著防洪效益[11，15]。这一阶段陈先生的研究重心集中于水库径流调节和河渠非恒定流的数值计算[16-18]。

3.2 研究的第二阶段（1984—1988年）：模糊集理论的水文水资源应用、模糊水文水资源学基本理论构建第二阶段共发表19篇文献，研究主题为图2中红色、黄色聚类部分的主题2和3，集中于模糊集及其应用的基础研究。1984年陈先生开始运用模糊集（fuzzy set）理论，选定所需影响径流因子，探讨了径流分级长期预报的模糊聚类分析法，并用于大伙房水库汛期入库径流长期预报，预报的精度令人满意[19]。取得应用经验后，陈先生从唯物辩证法的高度和《易学》中的辩证思维角度，率先认识到水文水资源学科中客观存在着随机性和模糊性这两种不确定性现象，其中随机性已在实际工作中被广泛应用的概率统计方法合理处理并为大家所接受，而针对模糊性的研究成果尚不多见。由于为软科学提供新的数学语言和工具的模糊集理论在信息革命中占有突出的重要地位，且水文水资源领域中的许多现象和问题用模糊集模型来描述更为自然、客观、合理，所以陈先生敏锐地意识到模糊集理论与方法在水文水资源领域研究中的应用近期内将会迅速取得进展，其发展前景广阔[20]。于是陈先生开始全力研究水文水资源系统模糊集理论的应用研究[21-23]，1988年他率先提出创建模糊水文水资源学[2]，其主要任务是应用模糊集理论处理水文水资源学科领域内众多模糊性现象，使水文水资源学更好地用于实践，对水文水资源学在不确定性方向的发展具有深远意义。

3.3 研究的第三阶段（1988—2004年）：模糊聚类-识别-优选统一理论创建第三阶段共发表177篇文献，研究主题为图2中深蓝色聚类部分的主题4，集中于模糊聚类-识别-优选统一理论的创新研究。这一阶段模糊水文水资源学的理论研究获重大突破，取得一系列原创性成果，是陈先生学术创新研究的第一个高峰期。在此期间，陈先生提出了水文水资源模糊优选模型、多阶段多目标决策系统模糊优选理论等一系列原创性重要成果[3，24-25]，显著推动了模糊集理论在水文水资源学的应用深度。陈先生把1980年代开始倡导的模糊水文学拓展为模糊水文水资源学，并取得了一系列创造性成果：水资源与防洪系统多目标模糊优选理论与模型[26]，模糊模式识别理论与模型[27]，模糊聚类、识别、评价、决策统一的理论与模型[28]，模糊优选动态规划理论与模型[29]等，这些理论方法被广泛应用于水文水资源聚类、识别、评价、决策。多阶段多目标系统最优决策的复杂性与系统分析矛盾十分突出。1993年，陈先生提出的多目标系统模糊优选理论与计算模型，是处理多目标系统的一个新的优化方法[4]。1994年，陈先生在前期水资源系统模糊优化理论研究的基础上，提出大系统模糊优化单元系统理论，该理论是创新大系统理论研究中一条值得广大学者探索的新途径[30]。1995年，陈先生建立了在分级条件下模糊概念的模糊模式识别理论，提出用级别变量特征值作为评判指标的新见解，为各类等级评价的研究开辟了新路[31]。1996年，他创造性地提出“相对隶属函数”的动态模糊集概念[32]，1994、1998年发表的论著《系统模糊决策理论与应用》[33]、《工程模糊集理论与应用》[6]成功突破了传统静态模糊集的概念和理论，是该研究领域具有重要意义的经典之作，陈先生认为计算相对隶属函数比绝对隶属函数容易，且在概念与理论上可基本解决所谓的在确定隶属函数中的“主观任意性”的疑虑，这在模糊集理论与应用上具有重要意义[11，32]。2003年，陈先生结合地下水水质评价应用实例，分析了相对隶属度理论用于模糊评价的特点和实用性，结果表明，该理论求得的相对隶属度提高了评价对象因素之间的可比性，对比效果更佳，建立的模糊识别模型具有清晰的数学和物理意义，其级别特征值评价法可更科学合理地反映评价对象的特征，表明用相对隶属度理论进行模糊评价实用性更高[34]。陈先生在这一阶段面向水文水资源工程模糊集、创建了“模糊聚类-识别-优选统一理论”。

3.4 研究的第四阶段（2005—2009年）：可变模糊集理论（可变模糊聚类-识别-优选统一理论）创建第四阶段共发表67篇文献，研究主题为图2中浅蓝色聚类部分的主题5，集中于可变模糊集理论的创新研究。这一阶段陈先生学术研究越来越趋于成熟、所率研究团队的研究特色显著，模糊水文水资源学的理论研究取得了新的重大突破，是陈先生学术研究的第二个高峰期。陈先生提出可变模糊集方法用于综合评价、方案优选[35-36]，例如2005年[37]用于建立水质评价模型，把水质评价过程由定性分析转化为定量计算。陈先生研究后认为，1965年Zadeh提出的模糊集合论是静态理论，难以描述模糊现象、事物、概念的动态可变性，这是经典模糊集合论的一大理论缺陷，2005年后，他在工程模糊集理论基础上创建了可变模糊集理论[38-41]，是对模糊集合论静态理论的重大突破。这一成果在静态、经典模糊集概念方面取得开创性进展，也在数学思维辩证化、哲学规律数学化方面取得显著进展，具有深远的理论意义。2009年陈先生在79岁高龄之际出版的新作《可变模糊集理论与模型及其应用》[42]将数学与哲学两大学科紧密联系，具有较广泛的科学价值和实践意义。陈先生在这一阶段面向可变模糊集、创建了“可变模糊聚类-识别-优选统一理论”。

3.5 研究的第五阶段（2010—2014年）：可变模糊集理论的水文水资源应用第五阶段共发表40篇文献，研究主题为图2中紫色聚类部分的主题6，集中于可变模糊集理论的水文水资源应用研究。这一阶段前期主要是延续上一阶段的“可变模糊集”研究，后期进行“可变集”研究。在此阶段，陈先生进一步研究认为水资源系统的可持续利用与不可持续利用是动态可变的模糊概念，因此，模糊水文水资源学需有新的模糊不确定性数学理论、方法和模型作为基础，这个基础就是可变模糊集理论。于是2010年他将对立统一、质量互变、否定之否定定理用于水资源系统（含陆海空协同系统）评价，提出了水资源系统可变模糊集评价原理与模型[7]，在水文水资源领域内产生了重要影响，推动了可变模糊集的广泛利用。如2011年陈守煜等[43]基于唯物辩证法的对立统一与质量互变定理建立了水资源系统新的可变模糊评价方法，实例研究证明该方法简便科学、符合实际，具有一定的推广应用价值；同年陈先生根据创建的可变模糊集理论，提出钢筋混凝土结构地震损伤多指标综合评估的可变模糊集模型与方法，提高了该结构地震损伤评估的可靠性，通过与其它综合评估结果进行比较与分析，证明了该方法的科学性与有效性[44]。陈先生认为唯物辩证法三大基本规律的数学表达在可变模糊集的数学框架下还需继续发展，为此他进一步把可变模糊集发展为可变集，使可变模糊集向可变模糊-清晰集拓展，完成了从模糊系统到一般系统的突破，在一定程度上推进了数学思维辩证化和哲学规律数学化的进一步研究与发展[8]。于是，可变集得到了推广应用，如陈先生基于可变集辩证法基本规律数学定理，提出了水资源系统评价原理与方法[45]、城市洪涝易损性评价可变集方法[46]、年径流预测可变集方法[47]和基于可变集辩证法数学定理的库群防洪优化调度方法[48]。

4 结论

本文利用VOSviewer文献计量可视化分析方法，通过对陈守煜先生学术研究全过程的知识图谱分析，展示了其学术研究的发展历程与演变特点，得出以下认识：

（1）从学术研究的生命周期看：陈先生的学术研究始于1952年、历时达62年；在1990年代花甲之年迎来其学术春天，在63岁、72岁左右出现了2个学术研究的高峰期；2012年通过不懈努力获得了大禹水利科学技术二等奖，离世前一个月仍然笔耕不辍，依旧在撰写学术论文、指导博士研究生撰写论文。这说明执着的学术研究可以持续50年以上，60岁以后仍可出现学术创新的高峰期，这也说明资深专家的厚积薄发能力巨大，其职业生涯在其60岁以后往往依然充满勃勃生机，甚至出现新的学术创新高峰期，这对学科发展和国家建设都是极为重要的财富。

（2）从学术研究的特色看：陈先生研究成果中的现有关键词可主要归为6个研究主题“河渠非恒定流计算”“模糊集理论的水文水资源应用”“模糊水文水资源学基本理论”“模糊聚类-识别-优选统一理论”“可变模糊集理论（可变模糊聚类-识别-优选统一理论）”“可变模糊集理论的水文水资源应用”。主题1为后续的5个模糊水文水资源学创新主题奠定了专业数值计算这一研究的方法论；主题2为现有模糊集理论的应用探索，特别关注实际应用中的“决策问题”，主题3至主题5为面向应用的模糊集理论不断深入创新，特别关注模糊集的隶属函数、相对隶属函数、相对差异函数的概念界定、深化和拓展，主题6为可变模糊集这一创新理论的应用探索，形成了“紧密结合应用-持续理论创新-创新理论再应用”这种理论与实践互馈研究特色。陈先生从首次提出创建模糊水文水资源学，到创建可变模糊集，接着将建立的“可变模糊集”发展为“可变模糊清晰混合集”，进行了理论的一次次创新，为具有广泛模糊性基础的水文水资源学科更好地应用于实践奠定了基础。这说明学术研究的生命力在于持续创新，其持续创新和研究特色源于某类专业问题的不断深化。

（3）从学术研究的阶段性看：根据时间发展将其6个研究主题划分为5个明显的研究阶段“河渠非恒定流计算”“模糊集理论的水文水资源应用、模糊水文水资源学基本理论构建”“模糊聚类-识别-优选统一理论创建”“可变模糊集理论创建”“可变模糊集理论的水文水资源应用”。这说明陈先生每一阶段的研究目标（主题）比较集中、明确、有所为有所不为，而其研究长期稳定在模糊水文水资源学方向，陈先生这一执着-勤奋-积累的学术研究历程，显著提高了研究效率。

（4）从学术研究的影响看：陈先生的工程模糊集理论研究成果属于源头理论创新，故其研究影响广泛，涉及学科广泛、刊载的期刊众多，目前发文主要集中在水利和数学等学科领域、主要发表在《大连理工大学学报》和《水利学报》等期刊；陈先生的可变模糊集理论研究方法具有理论与应用互馈、厚积薄发、持续创新等显著特点，这些对水利科学的学术创新研究具有重要的启发意义。这说明源头理论方法性创新成果对推动学科发展的作用明显大于短平快的应用研究成果，影响也更为广泛、长远。

（5）上述对陈先生学术研究历程的知识图谱分析结果，有利于进一步揭示陈先生不同阶段的主要研究方向及其相互间的紧密联系、反映其学术研究内容的总体脉络，有利于对模糊水文水资源学有更加清晰系统的认识和理解、发现现有研究中尚未解决的问题或有待探索的领域。这说明一位成熟学者的学术研究历程主要基于深入、系统的长期研究积累，惟期如此，其学术创新成果才会根深叶茂。