海洋油气安全生产领域的知识图谱研究

胡瑾秋教授 张来斌教授 马 曦 陈怡玥

（中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院，北京 102249）

0 引言

海洋石油是一个风险以及收益都非常巨大的行业。海上油气田的勘探、开发基本上是通过海上平台和浮式生产储油卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）实现的。因为开发条件的限制，海上平台空间狭小，人员、设备、开采、集输作业集中在有限的区域内，极易发生危险。因此，强化海洋石油开发中的安全问题是一个重要的课题。随着海洋石油工业的蓬勃发展，海洋石油生产安全领域的学术研究也逐渐受到国内外广泛学者的关注[1-13]。

知识图谱[14]（Knowledge Graph/Vault）又称为科学知识图谱，在图书情报界称为知识域可视化或知识领域映射地图，是显示知识发展进程与结构关系的一系列各种不同的图形，用可视化技术描述知识资源及其载体，挖掘、分析、构建、绘制和显示知识及它们之间的相互联系。在学术研究中应用知识图谱可有效地反映研究领域的基本情况和发展趋势[15-17]。

本文选择Web of Science（WOS）数据库收录的海洋石油生产安全科学领域的文章作为研究对象，初步绘制了该领域的知识图谱，以期对该领域的学术研究发展提供有价值的信息。

1 数据来源

为较大限度的检索海洋油气生产安全领域的发表文章，在一定范围内调研了该领域的主要研究课题[1-14]有：重大事故风险演化与灾变机理、安全检测与监测、动态风险评估和事故预警、关键设施健康状态及结构完整性监控、事故预防与控制（安全标准化技术）、重大事故应急技术及装备和典型事故仿真及模拟软件。在WOS中检索对应主题在2000-2018年的题录共4757条，其中“Offshore Oil Accident”主题相关题录577条，“Offshore Oil MonitorDetect”主题相关题录1732条，“Offshore Oil Risk”主题相关题录1720条，“Offshore Mechanical Integrity”主题相关题录244条，“Offshore Accident PreventionSafety Standardization”主题相关题录114条，“Offshore Oil Emergency”主题相关题录285条，“Offshore Accident Simulation”主题相关题录85条，删去重复文献后共4025篇。

2 研究方法

文章运用CiteSpaceV软件对相关文献进行可视化分析，主要包括研究时空分析、关键词共现分析、主题聚类分析和研究前沿趋势分析。通过对研究时间分布、国家机构与作者合作等空间分析，不同研究者和研究机构的影响力及相互合作关系；从关键词共现中了解到展示海洋油气生产安全领域的演进过程；通过主题聚类图和前沿趋势进行研究前沿和未来研究趋势分析。

3 海洋油气生产安全研究现状分析

3.1 文献时间分布特征

2000-2012年期间，关于海洋油气安全生产领域论文数量以约13%的增长率稳定提升；自2012年后每年论文数量明显提升，关注度逐年加大；在2018年论文数量进入快速发展阶段，增速达25%，具体，如图1。可见在未来几年，海洋油气安全生产领域相关的研究将继续以较高的热度持续发展。

图1 2000-2018年海洋油气生产安全领域论文数年度趋势Fig.1 Annual trend of number of papers in the field of offshore oil and gas safety in 2000-2018

3.2 文献空间分布特征

3.2.1 发文国家/地区分析

通过研究国家及机构的发文情况，有助于了解各国科研单位的研究力量分布和研究合作情况。

绘制国家发文情况分布，如图2，从国家合作分布来看，各国之间表现出较紧密的合作。

图2 国家发文量与中心性分布Fig.2 The volume and central distribution of national publications

发文量与中心性分析，见表1，其中美国（555篇）、中国（415篇）、挪威（403篇）、英国（298篇）、加拿大（202篇）发文数量位居前五位；从中心性来看，挪威（0.50）、中国（0.48）、美国（0.32）、英国（0.30）、加拿大（0.24）位居前五位，我国以中心性0.48位于第二位。由此来看，虽然我国在此领域的发表文章略低于美国，但中心性与排名第一的挪威十分接近，表明我国与全球学术合作研究较为紧密，今后应继续保持。

表1 国家发文量与中心性分布Tab.1 The volume and central distribution of national publications

3.2.2 发文机构分析

绘制机构分布，如图3，可见国际机构之间也维持着较多的学术合作。

图3 发文机构与合作分析Fig.3 Analysis on the organization and cooperation of issuing documents

发文量与中心性分析，见表2，可以看出在发文量方面，挪威斯塔万格大学（76篇）、加拿大纽芬兰纪念大学（74篇）、挪威科技大学（52篇）、中国石油大学（38篇）、德州农工大学（27篇）排名前五。在发文量前十的机构中中国科研机构就包括中国石油大学、中国海洋大学和大连海事大学三位，说明了我国科研机构是全球该领域研究的重要力量。

表2 机构发文量与中心性分析Tab.2 Analysis on the volume and centrality of the documents issued by the organization

3.2.3 作者合作分析

分析作者共被引分布，如图4，从施引文献的标题中提取聚类命名术语进行聚类，采用对数似然比（Log-Likelihood Ratio, LLR）算法聚类方法对共被引作者进行聚类，由聚类命名可以看出分析文章中有一部分可能是对海洋生态环境的研究，剩余部分是对海洋油气安全领域的研究。

图4 发文作者共被引分析Fig.4 Analysis of cited authors

排除匿名发文，被引作者排名，见表3，前三的有Camilli R（45篇）、Hazen TC（42篇）和Kostka JE（38篇）。

表3 被引作者频次排序Tab.3 Frequency ranking of cited authors

3.3 关键词共现分析

主题词反映了文章研究领域，主题词共现图谱，如图5。在主题词共现图谱的基础上进行了以文章题目命名的聚类，基本与检索题录时使用的主题词一致。主题词频次排序（表4）前5的有Offshore Oil（海洋油气）、Oil Spill（溢油）、Gas Industry（油气工业）、Marine Environment（海洋环境）和Offshore Structure（海上结构）。进一步挖掘各细分领域的研究发展情况，进行主题聚类与研究前沿趋势分析。

图5 关键词共现与聚类分析Fig.5 Keywords co-occurrence and cluster analysis

3.4 研究主题聚类分析

文献共被引反映一个学科或一个研究领域的知识基础。知识基础是有利于进一步明确研究热点的本质概念。如果把研究前沿定义为一个研究领域的发展状况，那么研究前沿的引文就构成了相应的知识基础。

表4 主题词出现频次排序Tab.4 Ranking of occurrence frequency of subject words

进行共被引网络聚类，生成图6的网状图，从施引文献的标题中提取聚类命名术语，聚类名称可反映研究前沿领域，采用LLR聚类方法得到最大的6种聚类：Archaeal Communities（古生菌群）、Oil Spill Problem（溢油问题）、Biological Effect（生态圈影响）、Emerging Challenge（新兴的挑战）、Oil Spill Tracking Application（溢油跟踪应用）、Offshore Platform（海上平台）。

由聚类结果看出海洋油气安全领域的研究主要分布在后5个区域中，这5个研究区域中的主要施引文献，见表5。

图6 引文共被引聚类图谱Fig.6 The cluster map of co-citation

3.5 研究前沿趋势分析

从每一研究区域的时间线发展情况来看（图7），溢油问题类的研究一直以来备受研究关注，在2013年出现了关键性的研究成果；新兴挑战类的研究在2010年和2013年都出现了重要的文章发表；海上平台类的研究在2004年的研究成果受到高频次的引用，近年来突破性研究成果较少。为进一步挖掘各细分领域的研究发展情况，分别针对海洋油气事故研究和海洋油气应急技术研究领域开展进一步分析。

图7 共被引文献时间线Fig.7 Time line of co-citation documents

表5 五个聚类领域下的主要施引文献

3.5.1 海洋油气事故研究前沿趋势分析

进行共被引网络聚类，生成图8的网状图，从施引文献的标题中提取聚类命名术语，聚类名称可反映研究前沿领域，采用LLR聚类方法得到最大的5种聚类：Major Accident（重大事故）、Sustainable Response Strategies（持续响应策略）、Challenging Oil Bioremediation（挑战石油生物修复）、Prestige Oil Spill（威望号原油泄漏）与Preventing Offshore Oil（防止海上溢油）。

图8 海洋油气事故研究共被引文献聚类Fig.8 Clustering of co-citationcited articles in the study of offshore oil and gas accidents

3.5.2 海洋油气应急技术前沿趋势分析

分析作者共被引分布，同样从施引文献标题中提取聚类命名术语进行聚类，得到最大的4种聚类分别为：Evacuation Operation（逃生操作）、Emergency Condition（应急状态）、Gas Industry（油气产业）与Training Standard（培训标准）。同时进行共被引网络聚类，生成图9的网状图，从施引文献的标题中提取聚类命名术语，聚类名称可反映研究前沿领域，采用LLR聚类方法得到一个聚类，即Offshore Emergency Condition（海上应急状态）。可见在海洋油气应急技术的研究方面相对其他研究方向较为独立，研究合作相对较少。

图9 海洋油气应急救援研究共被引文献聚类Fig.9 The co-citation clustering of research on offshore oil and gas emergency rescue

4 结论

基于WOS数据库检索结果，运用科学知识图谱的方法对海洋油气生产安全领域的发表成果分析结果如下：

（1）海洋油气安全领域整体发文量呈上升趋势，其中该领域的7个主要研究主题，包括重大事故风险演化与灾变机理、安全检测与监测、动态风险评估和事故预警、关键设施健康状态及结构完整性监控、事故预防与控制（安全标准化技术）、重大事故应急技术及装备、典型事故仿真及模拟软件，发文量也表现出相似同步的上升趋势。

（2）从发文国家来看，美国是发文量最多的国家，挪威表现出最活跃的国际学术合作。中国发文量与中心性都位于第二，机构发文量排名前九中有三位是中国科研机构，说明我国对于海洋油气安全领域研究基数大且在国际间合作密切。

（3）对引文共被引进行分析，挖掘出了以施引文献标题命名聚类名称的6类主要研究前沿领域，得到每个领域的时间线发展情况和关键文献。对作者共被引进行分析，Camilli R和Hazen TC是在海洋油气安全领域发挥重要作用的学者。

（4）进行主题词共现分析，主题词反映了主要研究领域，“海洋油气”和“溢油”是该领域文献使用频率最高的两个关键词，对关键词共现图谱进行聚类，得到与检索题录时使用的关键词一致的聚类结果。