基于CiteSpace的建筑火灾烟气文献研究可视化分析

摘要：为了对国内建筑火灾烟气研究领域的知识基础、研究热点、研究前沿及发展趋势等方面进行知识图谱可视化分析。本文对1993年-2020年中国知网（CNKI）数据库收录的412篇国内建筑火灾烟气领域内文献为研究样本，采用文献计量的方法并借助CiteSpace文献可视化分析工具进行知识图谱研究，绘制文献增长时间分布图谱、期刊来源图谱、核心作者分布图谱、重要研究机构分布、研究热点主题、研究前沿演进等相关知识图谱。通过对相关知识图谱分析得到：我国建筑火灾烟气研究在经历“早期研究前沿”、“中期研究前沿”、“最新研究前沿”3个发展前沿阶段过后，建筑火灾烟气领域应当在地下建筑烟气蔓延、人员疏散效率、高层建筑火灾中被困人员救援等方向还应该展开更多的研究，从而进一步的推进建筑火灾烟气领域研究的发展。

关键词：火灾烟气;建筑火灾;CiteSpace;可视化分析;知识图谱

1 引言

近些年来，我国火灾烟气相关领域的专家学者紧跟时代的步伐，着眼致力于建筑火灾烟气控制、烟气蔓延等相关领域的热点、难点问题，从不同的科学研究角度多学科交叉背景知识对此问题进行了详细的研究。目前建筑火灾烟气相关领域的研究主题丰富、形式多样、内容广泛，逐步形成了多元化的研究中心和前沿分支。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

CiteSpace是由美国德克赛尔大学陈超美[18]博士基于JAVA语言开发的一款信息可视化软件，广泛应用于信息分析领域。软件通过较为直观的知识图谱，识别展现一个知识领域在一定时期的高频研究主题词、研究进展和前沿热点等。本文对中国知网（CNKI）数据库中检索到的建筑火灾烟气领域的相关文献进行了知识图谱可视化分析，主要包括文献增长的时间分布分析、期刊来源分析、核心作者分析、重要研究机构分析、研究热点主题、研究前沿演进等[19]，科学直观地展示知识的时间和空间分布及其发展演进，最后为建筑火灾烟气研究的前沿热点找寻方向。

2.2 数据来源

本研究选取的文献数据来自于国内收录文献数量最多、规模最大的中国知网（CNKI）中国学术期刊网络出版总库，在中国知网（CNKI）中國学术期刊网络出版总库数据库中使用专业检索，构建检索式“SU=建筑火灾 AND SU=烟气”，将采集数据的时间设置为1993年到2020年，选取近27年发表文献的数据，精确匹配结果共得到418篇与建筑火灾烟气相关的中文文献，对检索结果进行去重操作，最终得到412篇与该领域相关的文献。

3 建筑火灾烟气研究时空图谱

3.1 建筑火灾烟气研究文献分布分析

文献发表数量能够作为科研产出能力的评价的评判指标，同时也可以通过文献发表数量来反映该学科领域内研究动态情况。因此，为了解建筑火灾烟气的研究动态，本文对1993年-2020年的发文数量与时间分布进行分析。通过对上述的412篇文献进行统计，得到我国建筑火灾烟气研究年度的发文情况

3.2 关键作者与主要机构分布图谱研究

3.2.1 关键作者分布图谱研究

通过对建筑火灾烟气领域内发文量排名前10的分析;学者中发文量最多的学者是何嘉鹏共发文21篇，发文量较多的作者分别有霍然（15篇）、周汝（15篇）、范维澄（9篇）、李元洲（8篇）等。通过对文献计量研究的过程中发现排名靠前的作者研究内容为高层建筑火灾的烟气控制和数值模拟对烟气的应用，说明我国近些年来在建筑火灾烟气的研究领域内的研究热点为高层建筑火灾的烟气控制以及数值模拟对烟气的应用。

通过对CiteSpace合作关系共现图谱分析，可以看出我国建筑火灾烟气领域内的部分合作作者之间的合作强度较高、合作关系紧密，形成了以范维澄、霍然、何嘉鹏、周汝、朱国庆为代表的学术研究大团体，以及其他学者之间合作的学术研究小团体;总体呈现出部分集中形成了小范围内的群簇现象，整体分散的局面。

3.2.2主要机构分布图谱研究

通过对各机构发文量的整理，列出了发文量排名前10位的机构;其中发文量最多的是中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，发文量高达50篇，发文量较多的机构有南京工业大学城市建设与安全工程学院（30篇）、中国人民武装警察部队学院（17篇）、重庆大学城市建设与环境工程学院（16篇）。这表明在建筑火灾烟气领域内主要的学术研究力量来自各大高校学院以及高校所属的实验室。

通过CiteSpace软件对建筑火灾烟气领域内的相关文献的来源机构进行共现分析，得到主要研究机构分布图谱;其中中国矿业大学安全工程学院、中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室、徐州消防支队和应急管理部四川消防研究所之间的连线较多，因而这所机构之间的合作紧密，在建筑火灾烟气领域内形成了一个合作频繁的学术机构团体;其次是南京工业大学建筑与城市规划学院、南京工业大学土木工程学院和统计大学土木工程系之间的连线较多，合作紧密程度次之，也形成了一个紧密的机构合作团体;然而在合作机构研究图谱中，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室发文量最多但在机构合作方面连线较少，缺乏与其他机构之间的合作。关于机构合作的关系图谱中，各机构之间的合作仅仅在地缘上形成合作，例如南京工业大学城市建设与安全工程学院与江苏省城市与工业安全重点实验室;应急管理部上海消防研究所与上海海事大学海洋科学与工程学院;河北科技大学安全工程系与石家庄市消防支队。对于机构的合作从整体形势研究发现，在建筑火灾烟气领域内的研究在一定区域内形成了合作的关系，但纵观整个领域内的学术科研机构应该扩大合作关系，从而增强知识与研究成果的共享与流动性，推动该领域的发展。

4 建筑火灾烟气研究热点主题

研究热点主题是指在某一个时间段内，有内在联系的、数量较多的一组论文所探讨的研究为题或专题，对研究热点主题的分析可以帮助我们了解一个领域的研究重点[20]。而关键词是文献作者学术思想和学术观点的提炼，是对文献最核心的概括，也是文献收录和索引的重要标识;同时关键词的个数与出现的频次可以反映出该领域研究内容的热度与方向。

对所选取文獻进行关键词共现网络可视化分析能够有效的将具有同类关键词进行提取，从而来探寻国内关于建筑火灾烟气研究领域内的重点研究脉络和走向。为了避免关键词无实际意义或语义相近的关键词同时出现在可视化图谱中的问题，需要对关键词进行合并与剔除;最终得到建筑火灾烟气关键词聚类知识图谱。

在聚类中，聚类模块值Q=0.8589>0.3，聚类的平均轮廓值S=0.9563>0.5，通过聚类效果中的Q、S值可以说明此次聚类结果清晰合理且较为显著[21]。

通过对关键词聚类知识图谱的分析解读，对聚类的结果进行适当的整合，将建筑火灾烟气领域的核心研究方向大致分为以下四个方面：

（1）建筑火灾烟气中人员安全行为研究;由聚类#0、#9构成，集中对火灾烟气中人员疏散安全行为进行了相关的研究。在该研究方向中研究者通常使用PyroSim+Pathfinder、STEPS、FDS+EVAC数值模拟软件以及建立相关的数学模型，如社会力模型[22，23]、小波神经网络模型[24，25]、元胞自动机模型[26-28]等

（2）建筑火灾烟气领域内不同建筑类型对火灾烟气影响研究;由聚类#2、#5、#6、#8、#13构成，将建筑类型分为在建建筑，建筑智能化、地下建筑、高层建筑、大空间建筑等类型。在该研究方向中研究者通常选取不同的建筑类型作为研究对象，根据建筑类型的特点对建筑发生火灾后烟气运动规律特点以及控制烟气蔓延的方式方法进行理论与应用性分析研究。

（3）建筑火灾烟气数值模拟研究;由聚类#3、#9构成，集中对建筑火灾烟气模拟进行了相关的研究。在该方向中研究者通常使用FDS、PyroSim、CFD、Fluent等相关的模拟软件主要应用于大体量火灾场景，用于取得实体实验难以监测的数据，近些年来模拟软件不断发展成熟，被应用于安全疏散、空气幕等新型火灾研究方向以及温度分布、热释放速率、能见度等微观问题以及火灾烟气蔓延扩散运动的规律，特别是在性能化设计安全评估中，广泛使用数值模拟软件论证建筑设计的安全可靠性[29]。

（4）建筑火灾烟气实体实验研究;由聚类#14构成，对建筑火灾烟气实体实验研究做了相关研究，在实体火灾烟气实验研究中包括全尺寸实体实验、缩比例尺寸实体实验以及盐水模拟实验。目前我国学者多采用雷诺准则、弗劳德准则以及大涡模拟准则进行缩比例尺寸建立模型，继而通过对缩比例尺寸模型的研究来为所要研究的实体建筑的防排烟设计提供理论指导。

5 建筑火灾烟气研究趋势分析

研究前沿的识别与追踪能够为研究者提供学科研究的最新演化动态，预测在该研究领域内的发展趋势并对将来需要进一步探索的问题进行挖掘[30];通过对CiteSpace软件的关键词时间线图谱研究（图6所示）和关键词节点突显强度（表4所示）的研究可以很好的对该领域未来研究趋势的一个预测。本文对所获取的文献进行CiteSpace关键词突显值计算，得到具有高突显值的18个节点突显词，结合高突显值的相关文献进一步分析，探测建筑火灾烟气领域内关注的前沿问题及其演进趋势。

5.1 早期研究前沿

早期研究前沿的关键词突显时间为1993年至2000年，在此阶段内建筑火灾烟气领域内的研究前沿主要集中在“实验研究”、“烟气运动”、“建筑火灾”、“盐水模拟”等方面。结合早期研究的相关文献，对于建筑火灾烟气研究的对象主要以盐水模拟实验为主，其主要研究机构是中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室。通过运用盐水实验模拟的方法研究了诸多类型建筑中火灾烟气运动的特性，并根据理论分析与实验结果推导出了诸多关于建筑火灾烟气运动的特性与理论公式，为接下来数值模拟提供了扎实的理论依据。

5.2 中期研究前沿

中期研究前沿的关键词突显时间为2000年至2010年，在此阶段内建筑火灾烟气领域内的研究前沿颇为丰富，诸如“中庭建筑”、“烟气毒性”、“性能化设计”、“大空间建筑”、“FDS模拟”等方面。通过对这一阶段文献的查阅以及结合当时的时代背景分析，进入20世纪初期我国的经济进入了一个快速发展的时期，各地区为了满足人民对美好物质、文化生活的追求，一些观赏性高、功能复杂不符合当下建筑防火规范设计的建筑如雨后春笋般的拔地而起，为满足新建建筑的防火设计，特提出了性能化设计，因此性能化设计于2003年-2008年风靡一时，在这期间兴建起了诸如北京国际中心、广州塔、国家游泳中心、国家体育场等大空间功能复杂的建筑。然而对于在使用性能化建筑的过程中对于安全疏散的模拟与烟气控制系统的要求都需要经过大量的理论计算与数值模拟反复验证其安全可靠性，保证投入使用建筑安全可靠。

5.3 最新研究前沿

最新研究前沿的关键词突显时间为2010年至2020年，在此阶段内建筑火灾烟气领域内研究前沿内容主要集中在“排烟”“烟气控制”“高层建筑”“烟气蔓延”等方面。随着时代与科学技术的发展，在建筑火灾烟气领域内的研究由早期对其整体的研究逐步演进到建筑内部具体某一项细节的研究，通过结合研读文献发现，在此阶段研究的方向中FDS模拟软件被广泛的应用于烟气控制、建筑防排烟模拟实验;其次在该领域内对于人员疏散效率的研究也成为这一阶段的研究热点;此外地下建筑烟气蔓延的也逐步成为研究热点。对于上述提到的几个研究问题将是最近研究前沿的热点方向，因此还需要开展更多的研究，从而进一步推进该领域的发展

6.结论

通过对中国知网（CNKI）中的“中国学术期刊网络出版总库”数据库中检索并筛选出符合本研究领域内要求的文献，并利用CiteSpace软件构建了一系列的知识图谱和计量统计结果，得出以下结论：

（1）对文献发文时间和数量进行计量统计发现，1998年-2007年这10年时间内该领域的发文量逐年增多，2007年的发文数量达到顶峰，当年在该领域内发文数量高达30篇，2007年-2020年这14年间该领域内的相关文献数量趋于稳定发展形势。同时对该领域内发文数量超10篇的期刊进行了计量统计，发表该领域文章的期刊多为消防技术研究类、安全科学技术研究类的学术期刊。

（2）本文选取了以发文量前10位的主要研究学者与研究机构为代表数据进行了计量统计，从计量统计结果中可以发现，发文量较多的机构是中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，发文数量为50篇;发文最多的学者是来自南京工业大学的何嘉鹏教授，发文量为21篇。从总体发文学者与发文机构之间合作关系中可以看出，目前我国在建筑火灾烟气领域内的研究在一定区域内形成了合作的关系，但纵观整个领域内的学术科研机构应该扩大合作关系，从而增强知识与研究成果的共享与流动性，推动该领域的发展。

（3）通过对选取文献中关键词的聚类分析，将高频关键词聚类为15个类团;其中，安全疏散、机械排烟是该领域内词频数最高的类团名称，也是该领域内相关学者研究数量较多的问题。根据对关键词进行聚类结果进行适当的整合，将建筑火灾烟气领域的核心研究方向可以大致分为人员安全行为研究、建筑类型对火灾烟气影响研究、建筑火灾数值模拟研究、建筑火灾烟气实体实验研究等四个方面。

综上所述，我国建筑火灾烟领域内的研究已经展开了较为深入的研究，并取得了一定的科研成果，本文通过对现有成果的梳理和分析，厘清了建筑火灾烟气领域内的研究脉络和研究热点为相关学者今后的研究提供参考。由于检索策略的选择和软件运用过程中少量文献数据未被识别，本研究在研究对象的完整性上还存在着一些局限。但值关注的是对于地下建筑烟气蔓延、人员疏散效率、高层建筑火灾中被困人员救援的研究还应该展开更多的研究，从而进一步的推进建筑火灾领域研究的发展。

参考文献：

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作者简介：黄亚清，1996年出生，男，汉族，内蒙古呼和浩特人，在读硕士研究生，研究方向：建筑火灾预防与控制技术及火灾烟气蔓延流动规律与控制技术。