基于知识图谱的海上浮式风机领域可视化分析

王康， 谭继可， 周绪红， 王宇航

(1.重庆大学 土木工程学院， 重庆 400045； 2.重庆大学 钢结构工程研究中心， 重庆 400045)

面对日益严峻的环境与能源问题，发展可靠的清洁能源成为各个国家绿色发展计划中不可或缺的一环。风能作为清洁的可再生能源，得到了世界各国研究人员的广泛关注，海洋风能开发更是因其得天独厚的环境优势成为未来风能行业发展的重点领域。

浮式风机(floating offshore wind turbine，FOWT)是海上风力发电机组的一种结构形式。相较于陆上风机或者海上固定式基础风机，浮式风机具有更广阔的应用前景[1]。

早在1972年美国麻省理工大学的Heronemus教授[2]就提出了浮式风机的概念。此后的10年间，研究人员进行了大量关于海上风机的初步分析以及成本分析，但由于技术限制，直至20世纪八九十年代，人们也很少关注及应用海上风能[3]。直到20世纪90年代中期，商业风能行业建立起来以后，浮式风机概念才再次被科研人员所关注[4]。

浮式风机作为一个新兴的领域，覆盖空气动力学、流体力学、结构动力学、锚泊动力学以及控制工程等众多学科[5]，现已成为国内外学者关注的热点。作为一个新兴的研究方向，科研人员如何在众多的主题、内容和方法中充分了解浮式风机领域的研究热点和演进趋势成为学界较为关心的问题。本文基于文献计量学理论，运用CiteSpace信息可视化软件，分别对1999—2019年WoS数据库以及知网数据库浮式风机领域文献进行整理和分析，探析国内外浮式风机领域研究热点、演进趋势，为浮式风机领域后续发展提供研究方向与思路。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

CiteSpace软件是由美国德雷塞尔大学陈超美教授开发的一款信息可视化软件[6-7]，通过共引分析理论和寻径算法等，对用户指定领域的文献(集合)进行分析，软件集文献计量学、统计学、信息科学等学科于一身，通过可视化图谱对学科研究热点、学科演化、发展进程等进行分析与探讨[8]。

本文通过定量与定性分析相结合的研究方法，对浮式风机领域高频关键词、频次、引文关系、科研团队等进行统计分析，绘制出研究热点图、演进趋势图以及国际期刊源图，讨论浮式风机领域研究热点与演进趋势。

1.2 数据来源

本文数据来源分别为Web of Science(WoS)核心数据库与中国知网(CNKI)核心数据库，检索时间为2020年5月5日。检索方式采用主题检索，检索时间范围为1999—2019年。同时由于国内外学科分类差异问题，在保障所选文献贴近本文目标领域的情况下，选取贴近该领域的相关学科进行文献筛选。并且在选取文献时，通过文献题目和摘要，筛除部分无效文献，包括征稿通知、期刊声明、会议新闻以及部分不相关文献等。最终选取了WoS核心库的664篇相关文献以及CNKI核心库的174篇相关文献，数据来源表见表 1。

表1 数据来源Table 1 Data source

2 研究热点分析

CiteSpace软件中选取“Keyword”模块进行关键词共现分析。关键词共现图通过文献关键词共现关系(即同一篇文献中关键词同时出现的相关关系)以及出现频率，能够直观地反映浮式风机领域重要的研究热点。

知识图谱中每一个节点代表一个关键词，节点的大小代表关键词出现的频次，节点间的连线表示关键词共现关系，连线的粗细代表了共现关系的强度，连线的颜色代表共现关系的时间。

2.1 国内浮式风机领域研究热点

根据CNKI数据库来源绘制出国内浮式风机领域研究热点知识图谱，即关键词共现图，如图 1所示。图中共有220个节点以及404段连线。筛除部分中文词义相同以及相近的关键词，筛除中心度为0的关键词，按照关键词出现频次以及中心度高低，得到国内浮式风机领域排名前15的关键词，见表2。

图1 国内浮式风机领域研究热点知识图谱Fig.1 Mapping knowledge domains of domestic research focuses in FOWT

表2 国内浮式风机领域研究热点高频词Table 2 High-frequency words of domestic research focuses in FOWT

结合国内研究热点知识图谱以及高频关键词表可以看出：部分关键词出现的频率较高，例如浮式风机、动态响应、Spar平台等，同时这几个关键词节点相较于其他节点要大得多，频次更高。说明了国内浮式风机研究热点比较广泛，但除了节点较大的几个方向，其余节点并没有形成大规模研究趋势。

概括国内浮式风机领域的研究热点主要有以下几点：

1)浮式风机的概念：研究早期，通常会对该领域进行概念研究，图中包括这样几个关键词“浮式风机”、“浮式风力机”、“漂浮式风力机”、“海上浮式风力机”、“海上漂浮式风力机”等。这种词义相同的关键词多次出现对应于国内浮式风机研究领域各个时期不同的表述方式。热点图中连线的颜色代表了该关键词共现的时间节点，通过颜色的区分能掌握浮式风机领域中心关键词的表述变化趋势。可以看到“海上漂浮式风力机”、“海上浮式风力机”等是2010—2013年左右早期国内浮式风机领域中的名称，“漂浮式风力机”、“浮式风机”是2010—2017年左右常用的名称，而“浮式风机”从2012年起一直沿用至今。

2)浮式风机的类型：随着浮式风机基础理论的引入与研究，浮式风机在结构形式上衍生出了许多可供研究的方向，主要包括Spar平台、半潜式平台、张力腿平台等。因此在未来一段时间里，浮式风机结构形式分析还将作为研究的一大热点[9]。

3)浮式风机的研究方法与内容：①从高频词中可以看出，“数值仿真”和“模型试验”是国内浮式风机领域研究的主要手段；②图中可以看出国内研究者较常用的一些数值模拟平台：FAST、AQWA、SESAM、Open FOAM等；③“动力响应”、“水动力”、“气动载荷”等主题是国内研究者较为关注的研究热点。基于这些方向的发展，“势流理论”、“动量叶素理论”等理论也是国内浮式风机领域较为关注的理论研究方向。

2.2 国外浮式风机领域研究热点

对国外浮式风机领域数据源进行研究热点分析，绘制出国外浮式风机领域研究热点图谱,如图2所示。

图2 国际浮式风机领域研究热点知识图谱Fig.2 Mapping knowledge domains of international knowledge base in FOWT

从图2中可以看出，以“floating wind turbine”为中心的其他关键词节点包括“dynamic response”、“simulation”、“wave”等。可以发现，国内外研究热点大致相同，同样包括浮式风机的概念、浮式风机的类型以及浮式风机的研究内容3个方面。

表3 国际浮式风机领域研究热点高频词Table 3 High-frequency words of international research focuses in FOWT

对比国内外浮式风机领域关键词共现图及高频词表，国内外浮式风机领域研究热点有以下异同点：1)主要研究热点都是“动力响应”、“数值模拟”以及 “模型试验”；2)几种常用浮式风机结构形式都是国内外的研究热点，包括“张力腿平台”、“Spar”等。因此在进行浮式风机领域研究时，结构形式依然作为研究内容的基本载体，并且在此基础上衍生出的多个子课题，包括“垂荡板”、“系泊系统”等也将作为研究的热点；3)浮式风机在使用周期寿命中，主要受到两方面荷载的作用，一个是“水动力”，一个是“气动力”。国内外研究热点都集中于这2点，以及多荷载耦合动力分析；4)整体来说，国内的研究重点偏向于单个结构方向，但是从关键词“optimization”、“performance”、“renewable energy”、“farm”等可以看出国际上研究热点会更加偏向产业化。

3 演进趋势分析

3.1 国内浮式风机领域演进趋势

CiteSpace中“Time-Zoom”模块能够对关键词共现图进行时序分析，关键词时序图展示了浮式风机领域的演进趋势，能够直观地感受学科发展的历程，对把握行业发展有重要作用。

根据检索出来的文献关键词数据，绘制出国内浮式风机领域关键词突现时序图, 如图 3所示。总体来看，国内浮式风机领域的发展进程是阶梯上升的，从概念的提出到结构形式的发展再到理论研究，可以划分为基础理论、结构形式、理论深入3个阶段。

图3 国内浮式风机领域研究热点时序图Fig.3 Sequence diagram of domestic emerged terms in FOWT

第1阶段：2010—2012年。2010年国内首次提出浮式风机的概念。受到国外发展趋势的影响，彼时浮式风机按照一般结构的研究路径进行定性分析，开始阶段主要是从结构特性、结构特征运动、研究方法3个方面入手。这一阶段主要是将浮式风机的概念引进国内，开启国内浮式风机领域研究序幕。

与此同时，2010年，为推动我国新能源产业建设与发展，国家发布了许多行业指导政策，包括《2010 年能源工作总体要求和任务》、《海上风电开发建设管理暂行办法》、《风电设备制造行业准入标准》以及《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》等，这些政策的发布促进了国内浮式风机领域的研究。

2010—2012年这一阶段，浮式风机主要围绕基本理论进行研究，包括“气动性能”、“模型试验”、“系泊系统”等。这一阶段主要运用其他学科现有理论，如“船舶工程”、“风工程”等学科的基础理论对浮式风机进行研究。例如，张亮等[10]从多个角度对比了国内外不同结构形式的浮式风机在模型试验方面的异同点，给出了适合于我国浮式风机试验研究的技术路线。叶小嵘等[11]利用动量叶素理论与动态失速修正对浮式平台与风轮叶片进行气动响应研究。

第2阶段：2013—2016年。这一阶段浮式风机主要围绕结构形式进行研究，包括“Spar”、“张力腿平台”、“半潜型浮式基础”。理论研究主要围绕这几种结构形式的稳定性进行研究，例如“动态响应”、“参数分析”、“数值模拟”、“水动力”等。此阶段研究重点集中于浮式风机的结构形式上。

2014年国家能源局发布《国家能源局关于印发全国海上风电开发建设方案(2014—2016)的通知》。通知中指出列入全国海上风电开发建设方案(2014—2016)项目共44个，总容量1 053万千瓦。同时，通知中指出“为健全海上风电技术标准和规程规范，指导海上风电开发建设，委托能源行业风电标委会风电规划设计分标委牵头，研究制定《海上风电场工程风电机组基础设计规范》、《海上风电场交流海底电缆选型敷设技术导则》、《海上升压站变电站设计技术导则》、《海上风电场工程施工安装技术规程》和《海上风电场防腐蚀技术规范》等技术标准和规程规范。”这一时期为规范海上风电行业，在由小规模试验场到爆发式增长前，亟需制定一系列国家规范。

因此国内有许多学者对结构形式进行了多维度的研究。例如，唐友刚等[12-14]针对5 MW海上半潜式浮式风机进行模型实验研究，分别对半潜式浮式基础整体强度、水动力性能以及极端海况下运动特性进行了系统分析。卫涛等[15]对张力腿浮式风机进行数值模拟，研究了张力腿浮式风机整体模态，得到该结构动态特性。张亮等[16]采用频域分析的方法研究Spar式风力机在不同参数影响下的水动力性能。国内学者对于浮式风机几种基础形式的研究进一步推动了我国浮式风机领域的发展。

第3阶段：2017年—2019年。2016年，国家发改委、国家工信部、国家能源局联合印发了关于《中国制造——2025能源装备实施方案》的通知，目的是为推动我国浮式风机领域规范化、精细化、深入化发展。自2017年起，浮式风机领域研究重心开始导向理论的研究及规范的完善上。这一阶段国内科研人员把目光转移到理论的研究上[17]，与此同时，这一阶段还出现了众多计算浮式风机动力响应的数值仿真平台，这些软件的开发也推动了浮式风机理论研究的深度与广度。

3.2 国外浮式风机领域演进趋势

根据数据源整理分析，绘制国外浮式风机领域关键词时序图，如图 4所示。

图4 WoS数据库浮式风机领域研究热点时序图Fig.4 Sequence diagram of international emerged terms in FOWT

对比国内关键词时序图可以看出，国外浮式风机领域演进趋势也主要分为3个阶段：

第1阶段：2009—2013年。2007年，欧洲海上风电发展政策研讨会上提出到2020年将可再生能源在一次能源消费中的占比提高到20%[18]。2008年，英国Blue H公司建造了世界上首台小型海上浮式风机样机，额定功率为80 kW[19]。此后欧洲各国及北美建立了大量海上风电场[18]，国外浮式风机研究开始进入科研人员的视野中。

与国内发展进程相似，2009—2013年，国外浮式风机研究热点集中于浮式风机概念以及理论和工具的引入。例如，Roddier等[20]运用了船舶动力学等已有理论对一种浮式风机基础进行了可行性研究。Jonkman等[21]提出了一种用于浮式风力耦合动力响应建模的综合仿真工具，并通过模型对该工具进行了验证。

第2阶段：2014—2016年。国外浮式风机领域研究热点开始着眼于浮式风机的受力分析以及结构形式。突现的研究热点有“dynamic response”、“TLP”、“computation fluid dynamic”。例如，Goupee等[22]分别建立了张力腿、半潜式、单柱式3种平台的模型试验，分析3种浮式风机在风浪联合作用下的耦合特性。

第3阶段：2017—2019年。这一阶段突现“blade”、“mooring line”、“mooring system”等主题，国际上学者对于浮式风机领域的研究开始着眼于浮式基础理论上的深入研究，包括系泊系统、风机叶片等。随着浮式风机领域向深海以及极端海洋环境的发展，极端工况、结构疲劳的研究也成为研究热点。例如，Kang等[23]采用关联FMEA方式对浮式风机进行风险评估，并使用某风电场实测数据进行验证，并对浮式风机安全性与可靠性提供设计建议。Hsu等[24]针对浮式风机系泊系统可能会受到极强风浪偶然荷载的作用，提出一种新的概率模型为系泊索极值设计提供参考。

对比国内外浮式风机领域演进趋势图，可以看出，国内外的发展进程是大致同步的。一个学科的发展一般遵循四阶段理论：第1阶段即是学科的提出；第2阶段是引入新的方法和工具对该主题进行研究；第3阶段是对该领域进行发散，突现应用技术方面研究；第4阶段进入衰减阶段[25]。通过上述研究热点时序图的分析，浮式风机作为一个新兴领域，目前处于第2阶段末期至第3阶段初期，科研前景非常广阔。

4 科研合作分析

科研合作是指科研人员共同完成科研任务为实现同一科研目标进行科研合作和科研产出的活动[26]。在CiteSpace中选择Author选项进行微观合作可视化分析，绘制科研合作关系知识图谱能够直观看出在浮式风机领域最具影响力的科研团队，了解各科研团队间合作关系。

图 5为CNKI核心数据库中浮式风机领域科研人员合作关系图，其中发文量与中心度均较大的是上海理工大学李春、丁勤卫科研团队，该团队在流固耦合与浮式平台动力响应方面做出了许多贡献[27-28]。

图5 国内科研合作关系Fig.5 Domestic research cooperation

图 6为WoS核心数据库中浮式风机领域科研人员合作关系图，可以看出国际浮式风机领域各科研团队相互之间有着不同程度的联系，科研人员间合作较为紧密。其中发文量与中心度最大的科研团队是挪威科技大学(NTNU)MOAN Torgeir与GAO Zhen科研团队，该团队在Spar结构形式方面做了大量工作，对其动力响应进行了深入研究[29]，同时提出了一种简化的浮式风机在风浪荷载作用下动力响应分析方法[30]。此外上海交通大学HU ZHIQIANG团队也对Spar平台的动力响应进行了试验与数值仿真研究[31-32]。

图6 国际科研合作关系Fig.6 International research partnerships

5 国际期刊源可视化分析

5.1 知识流分析

双图叠加(Dual-Map)模块是显示浮式风机研究领域的文献分布、被引轨迹、知识流动等信息的可视化分析模块，主要使用了Blondel算法形成期刊簇[33]。下面对WoS核心数据库进行双图叠加分析，如图 7所示。

图7 WoS数据库浮式风机双图叠加Fig.7 Dual-map overlay of FOWT based on WoS database

双图叠加分析由左右2部分组成。左侧是被引文献发文的主要学科分布。右侧为被引文献的期刊分布，代表该领域研究中主要引用的学科分类。因此，左侧是浮式风机的应用领域，右侧为浮式风机的研究基础。椭圆形中心表示特定期刊的主题区域，左边椭圆形的横轴表示作者的数量，纵轴表示发表的数量。右侧椭圆横轴为被引作者数量，纵轴为期刊被引次数，左右两侧的期刊链接反映了左右期刊之间的引用关系。

通过CiteSpace内置Z-Score算法对引文连接关系进行标准化处理，使两侧期刊之间的引文关系更加清晰明了，最终得到3条主要的引文轨迹：

①Mathematics, Systems, Mathematica→Mathematical, Mathematics, Mechanics;

②Mathematics, Systems, Mathematica→Earth, Geology, Geophysics;

③Mathematics, Systems, Mathematica→Environmental, Toxicology, Nutrition。

浮式风机领域主要以“数学、数学、力学”；“地球学、地质学、地球物理学”；“环境、毒理学、营养”这3门学科为研究基础(图7右侧)。这表明浮式风机领域近年来引用了这3个学科的一些期刊，呈现出跨学科发展的趋势。除此之外，应用领域中“兽医学、动物学、科学”文献量呈增长的趋势，这表明越来越多的研究人员[34-35]开始思考海上浮式风机对于环境生态的影响。

5.2 研究载体分析

期刊共被引分析显示了国际研究中引用相关期刊的研究期刊，说明这些期刊的研究成果被国际研究认可与采纳，以及这些期刊所包含的理论将汇入到国标相关领域的研究中。

在 CiteSpace中选取“Cited Journal”进行文献共被引分析，图 8显示了对浮式风机相关文献期刊的共被引分析结果，表 4表示为被引频次以及中心度排名前10的国际期刊。

图8 WoS数据库浮式风机领域期刊共被引Fig.8 Co-cited analysis of journals connected to FOWT based on WoS database

从表 4可以看出，“WIND ENERGY”、“RENEW ENERG”以及“OCEAN ENG”是国际浮式风机领域被引频率前3名的期刊。“WIND ENERGY”、“WIND ENG”、“J RENEW SUSTAIN ENER”是中心度前3名的期刊。对比期刊频次与中心度排名，可以发现被引频率以及中心度不成正相关，即使被引频率高，也不一定表明该期刊影响力大。不过从被引率和中心度排名上看，“WIND ENERGY”都是本领域排名第1的期刊。

表4 被引频次及中心度排名前10的期刊Table 4 Top 10 journals in citation frequency and centrality

6 结论

1)在研究热点方面，国内外浮式风机领域高频关键词较为接近，包括荷载作用、动力响应、结构形式(半潜式、张力腿式、Spar等)、附属结构(风叶、垂荡板、系泊系统等)以及稳定性、耐久性等研究热点。

2)在演进趋势方面，虽然浮式风机概念起源于国外，但由于早期技术和产业化原因，未产生大规模研究。开始阶段借助其他学科已有理论方法、研究工具对浮式风机进行初步探究，随后在此基础上发展出各种结构形式，开展了各结构形式的稳定性、动力响应研究及对比分析，现阶段科研人员开始对新结构形式包括对原有结构形式的改进以及附属结构进行深入研讨，同时开始着手对现有理论和工具的适应性改良。目前国内外浮式风机发展进程已同步化。

3)国内科研合作关系呈现各团队独立发展的趋势，国际科研合作关系中各团队具有较强的联系。在国外期刊源方面，目前浮式风机领域呈现出较强的跨学科发展趋势，同时生态环境领域发文量呈现出增长趋势。

针对以上结论，为推动我国浮式风机领域发展给出相关建议：

1)作为新兴研究方向，浮式风机领域本身自带多学科交叉的属性，在研究过程中不仅需要结合已有学科理论，还需要对该学科做出理论改进与创新；

2)未来浮式风机领域发展将会向新理论、交叉学科以及新形式3个方面发展；

3)通过前期小型风电场的试验，现阶段浮式风机将向产业化方向发展，研究方向应以产业化创新为主，结合国家政策，完善行业规范，促进产学研结合，在技术支撑下逐步提高可再生能源利用率。