基于数据挖掘的大气污染防治技术发展态势分析

宣晓冬 周灿 姜山 郑成航

（1 浙江省自然科学基金委员会办公室 浙江杭州 310006 2 浙江大学国家环境保护燃煤大气污染控制工程技术中心 浙江杭州 310027 3 中国科学院武汉文献情报中心 湖北武汉 430071）

0 引言

随着生态文明建设持续推进，我国大气污染治理技术得到迅速发展，主要大气污染物排放量呈下降趋势，大气重污染天数显著减少，环境空气质量总体改善［1-2］，但与人民期盼仍有差距，亟需提升大气污染防治技术精细化水平，实现大气防治从“通用技术”向“难特”“协同”技术转型。例如散煤污染物治理技术，非电行业烟气污染物治理技术，SO3、细颗粒物、重金属等多种污染物协同脱除技术［3-5］；从“粗放”向“效能”转型，例如节能技术改造、优化运行、降耗技术［6］；从重点工业行业向全行业拓展延伸等［7-8］，大气污染防治工作仍任重道远。为此，亟需开展大气污染防治技术发展态势分析，为进一步明确我国大气污染防治技术发展方向提供参考。

随着各国对大气污染问题的持续关注，重点工业源大气污染防治技术研究不断加强，发表科技论文数和申请专利数均显著增加［9-11］。利用数据挖掘技术，全面分析该领域相关论文和专利情况，掌握研究及应用全局，是进一步发展的重要基础。本文采用文献计量分析方法，以Web of Science 核心合集数据库中收录的论文为文献分析基础数据，以Incopat 等专利数据库为专利分析基础数据，利用Incites 和VOSviewer 等分析工具进行数据挖掘和可视化分析，并结合产业与政策相关信息，厘清我国大气污染防治技术领域发展现状、聚焦研究热点、审视研究局限、探明发展前景动向，为该领域的技术研发、产业发展、政策配套提供支持。

1 数据来源及分析方法

基于数据挖掘的研究热点与前沿分析一般分为决策需求分析、检索式构建、数据采集处理、数据可视化挖掘和成果分析5 个阶段（图1）。以Web of Science 核心合集SCI-EXPANDED 数据库为来源进行文献计量分析，检索文献日期2000 年1 月1 日至2019 年12 月31 日。通过对原始数据的检索合并和清洗，共得到相关SCI 论文35 622 篇，结合Incites 和VOSviewer 评估分析工具，从学科分布、论文产出趋势、国家和研究机构发文情况、研究热点关键词等方面进行分析。

图1 基于数据挖掘的发展态势分析流程

利用Incopat 等专利数据库，对大气污染物防治技术相关专利进行检索和分析，利用关键词设计检索策略，检索专利日期2000 年1 月1 日至2018 年12 月31 日。对检索结果进行清洗、合并、去重，该领域共涉及专利计8 212 件，同族专利计5 028 件，结合专利分析工具，从专利产出趋势、国家和研究机构申请情况等方面进行分析。

2 结果分析与讨论

2.1 基于论文分析的大气污染防治技术研究态势

（1）主要研究学科分布。从大气污染防治技术论文分属的学科看，24.5%可归属环境科学与工程，16.6%属化学工程，15.5%属动力工程及工程热物理，15.3%属物理、化学，12.6%属大气科学，5.4%属计算机科学与技术，论文还涉及材料科学与工程、经济学、医学、卫生等多个学科。上述结果表明大气防治技术涉及多学科交叉。

图2 大气污染防治技术学科分布

（2）研究论文产出趋势。科技论文是基础研究产出的主要表现形式。从时间跨度对检索出的35 622 篇文献进行分析。可以看出，大气污染防治技术论文数量一直处于增长状态，从2000 年的550 篇/a 增至2019 年的2 865 篇/a，表明大气污染防治基础研究得到持续关注。2000 年至2019 年，美国发表论文总数位居第一（6 194 篇），其次是中国（4 461 篇）、英国（3 535 篇）、德国（1 889 篇）、法国（1 564 篇）、日本（1 268 篇）、加拿大（1 190 篇）和意大利（1 021 篇）。近几年，中国在该领域论文发表数量增长较快，2013 年之前发文数量不足300 篇，2013 年开始研究人员逐渐加大对大气污染防治技术的研究力度，2016 年后发文数量和增速超过美国。

（3）主要国家发文影响力分析。针对发文数量排名前8 的国家，选取论文学科规范化引文影响力、高被引论文数量、国际合作论文占比、产-研合作论文占比等指标，分析发表论文的影响力。在论文学科规范化引文影响力方面，美国位居第一（1.33），英国（1.31）和加拿大（1.28）排名靠前，中国略高于世界平均水平（1.02）位居第七；在高被引论文数量方面，美国排名第一（74 篇）、英国排名第二（48 篇）、中国排名第三（43 篇）；在国际合作论文占比方面，英国、德国、法国、意大利和加拿大的国际合作论文占比较高（均超过50%），中国为29.32%；在产-研合作论文占比方面，法国占比最高（7.28%），其次是美国（4.87%）、日本（4.62%）、英国（4.58%）、德国（4.28%），中国排第七（2.93%）（表1）。以上分析数据表明，在该领域美国和英国整体发文的影响力较大；德国、法国、意大利在论文学科规范化引文影响力、国际合作占比和产-研合作占比等指标均优于中国。因此，我国研究者在研究方向、研究内容等方面需综合考虑强化论文学科规范化引文影响力、国际合作占比和产研合作占比等指标，提升发文的影响力。

表1 发文数量前8 国家合作与影响力

（4）主要研究机构发文影响力分析。针对发文数量排名前20 名研究机构，选取论文学科规范化引文影响力、高被引论文占比、国际合作论文占比、产-研合作论文占比等指标，分析其发文的影响力（表2）。论文发表数量前20 的机构中美国占9家，法国占5 家，中国和德国各2 家，印度和俄罗斯各1 家。法国国家科学研究中心发表论文860 篇，数量位居第一；中国科学院发表论文735 篇，位居第二；美国能源部发表论文687篇，位居第三；加利福尼亚大学发表论文622 篇，位居第四；美国国家航空航天局发表论文454 篇，位居第五。在论文学科规范化引文影响力方面，美国国家大气研究中心（2.20）、美国国家海洋大气管理局（2.06）和德国马普学会（2.05）排名前三；在高被引论文占比方面，美国马里兰大学（5.08）、美国国家大气研究中心（4.50）和美国科罗拉多大学（4.33）位居前三位；在国际合作论文占比方面，排名靠前的机构有法国凡尔赛大学（82.44%）、德国马普学会（81.97%）、法国巴黎萨克雷大学（73.38%）和法国原子能和替代能源委员会（69.42%）。在产-研合作论文占比方面，美国国家航空航天局（13.22%）、美国科罗拉多大学（10.10%）、美国马里兰大学（9.14%）和美国国家海洋大气管理局（8.48%）表现较为突出。以上分析数据表明，美国、法国、德国等国研究机构在论文学科规范化引文影响力、高被引论文占比、国际合作论文占比、产-研合作论文占比等指标方面均有一定优势。

表2 论文发表数量前20 机构合作与影响力

（5）大气污染防治技术研究热点分析。为揭示大气污染防治研究的主要焦点和趋势，对检索结果中论文涉及的主题关键词，利用Vosviewer 的聚类与可视化功能，通过关键词的共现关系，绘制大气污染物防治技术的研究热点随时间变化的分布（图3）。可以看出，大气污染防治技术研究主要针对多种污染物（PM10、PM2.5、气溶胶、有机污染物、二氧化碳等），涉及污染物浓度精准预测、减排装置状态信息感知与故障诊断、治理系统优化调控、区域污染源智慧检测与管控等基础理论及关键技术，呈现出物联网、大数据、云计算等先进数字技术与大气污染物减排技术深度融合的新趋势。因此，大气污染防治技术研究进一步发展的潜能主要在于利用各种信息通讯技术，感知、分析、整合各类信息，对污染物排放控制做出智能响应，从而更有效地解决环境质量问题。

图3 大气污染防治研究关键词随时间共现分布

2.2 基于大气污染物智能化管控技术的专利产出分析

（1）专利产出趋势。专利反映了应用基础研究和技术研发情况及意向竞争市场。利用Incopat 等专利数据库，对大气污染物智能化管控技术相关专利检索分析。从时间跨度对检索出的5 028 件专利进行分析。可以看出，大气污染智慧防治技术专利申请数量总体处于增长状态（图4），2000—2010 年专利申请量低于200件/a，2011年后超过200 件/a，2018年达到597 件。2008 年起，中国专利申请量迅猛增长，远超其他国家，总数达到2 961 件。进一步对专利的优先权区域进行分析，德国70.81%的专利优先权在国外，本土仅为29.19%；中国高达90.54%的专利优先权在本国，国外占比仅9.46%（表3），因此建议我国加强在大气污染物智能化管控技术领域的国际专利布局。

表3 典型国家专利优先权分布

图4 大气污染物智能化管控专利申请数量变化趋势

（2）研究机构专利申请情况分析。2000—2018 年间，全球排名前20 的专利权人中（图5），中国占据了8 席，包括5 家高校和3 家企业。而国外机构均为企业，其中日本5 家、美国4家，德国、韩国和法国各1 家。从专利内容看，日本五十铃集团、丰田汽车和本田汽车，美国福特全球科技，韩国现代汽车以及法国标致雪铁龙等侧重于汽车尾气净化装置故障诊断及优化调控；日本电装公司和三菱重工实业有限公司，美国康明斯、罗伯特·博世有限公司和通用电气侧重于气态污染物减排装置的优化调控。中国专利权人中，潍柴动力股份有限公司侧重于汽车尾气净化装置故障诊断及优化调控，其余专利权人侧重于燃烧过程优化及燃烧烟气污染物治理系统的优化调控。

图5 大气污染物智能化管控排名前20 的专利权人

综合以上分析，大气污染防治技术领域基础研究表现活跃，中国发文数量排名靠前，但论文学科规范化引文影响力、国际合作占比和产-研合作占比等指标排名相对较为不足，整体发文的国际影响力有待进一步提高。基于研究热点分析，大气污染防治技术进一步发展潜能呈现出大气污染物智能化管控趋势。针对大气污染物智能化管控专利申请，中国专利申请量持续增加，但全球布局较为薄弱，专利拥有量大的企业相对较少。

2.3 大气污染防治技术发展前景分析

发展大气污染物智能化管控技术得到国家和地方政策的大力支持［12-15］，进一步推动了智慧环保产业的发展。据调研［16］，我国智慧环保市场规模2010 年为127 亿元，2018 年增长为521 亿元，年同比增长基本在10%以上（图6），但对比万亿级的整个环保市场，目前智慧环保的市场规模仍较小，未来增长空间巨大；同时随着国家污染防治攻坚战的推进和智慧环保技术的发展，作为以末端治理为主的传统环保产业市场趋于饱和，以智慧环保为代表的新型环保产业市场前景广阔。

图6 中国智慧环保市场规模走势

3 结论

本文针对大气污染防治领域已发表论文和已申请专利进行数据挖掘和可视化分析。结论如下：

（1）基于论文分析，大气污染防治研究涉及多学科交叉；全球范围内发文数量呈现增长态势。中国发文数量居全球首列，美国和英国整体发文影响力较高；德国、法国、意大利在论文学科规范化引文影响力、国际合作占比和产-研合作占比等指标均相对较优。

（2）通过关键词出现频率分析知大气污染防治技术研究主要针对多种污染物（PM10、PM2.5、气溶胶、有机污染物、二氧化碳等），涉及污染物浓度精准预测、减排装置状态信息感知与故障诊断、治理系统优化调控、区域污染源智慧检测与管控等基础理论及关键技术，呈现出物联网、大数据、云计算等先进数字技术与大气污染物减排技术深度融合的新趋势。

（3）基于大气污染物智能化管控技术申请专利分析，全球范围内专利申请量逐年增加，中国专利申请总量位居第一，但专利多布局在国内；从专利内容看，国外侧重于汽车尾气净化装置故障诊断及优化调控；中国专利权人侧重于燃烧过程优化及燃烧烟气污染物治理系统的优化调控。

为持续改善我国环境空气质量，打造人工智能应用新场景，提升我国在智慧环保领域、尤其是大气污染智能化减排领域的国际核心竞争力，结合我国的研究优势及产业发展需求，建议通过多学科交叉与深度融合，强化论文学科规范化引文影响力、国际合作占比和产-研合作占比等，提升发文的国际影响力；进一步出台相关政策推动企业和研究机构全球专利布局。针对多污染物浓度精准预测、减排装置状态信息感知与故障诊断、治理系统优化调控、区域污染源智慧检测与管控等，开展前沿基础研究和应用基础研究，多层次全方位提升污染治理水平，为关键技术突破和应用提供源头创新思路与科学支撑。