基于CNKI文献计量学的矿山粉尘研究可视化知识图谱分析

蒋仲安,曾发镔

(北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

金属矿、煤矿开采是生产工业原材料的基础工业，在我国经济发展战略中具有重要的地位。随着我国浅部矿产资源的日渐枯竭，矿产资源开采逐渐朝着高海拔、高地温、大埋深等地质构造条件恶劣的环境发展，矿山场所作业工序的复杂性、设备管控策略的差异性，以及协调的扰动性均对矿山粉尘防治提出了更高的要求[1-2]。与此同时，伴随着《“健康中国2030”规划纲要》(2016年)与《国家职业病防治规划(2021—2025年)》的相继出台[3-4]，我国矿山开采正朝着清洁化、健康化的方向发展，矿山粉尘的研究热点亦处于持续的演化之中。

随着以引文分析与知识图谱为基础的VOSviewer与Citespace可视化技术的兴起，国内外的研究人员常用该技术预测有关研究领域的发展趋势、探究学科间的相互影响，并据此挖掘研究领域的前沿与热点[5-6]。李杰等[7]利用Citespace研究了我国2018—2021年安全科学国际论文的共被引聚类；杨洋等[8]对中国学术期刊总库(CNKI数据库)和Web of Science核心数据库进行了检索分析，研究了21世纪以来矿山安全与数字矿山安全之间的关系；侯锬等[9]通过智能矿井与数字矿山的知识图谱探讨了智能矿井的研究热点与发展趋势。虽然，近10年来，在人工智能、大数据，以及数字孪生等技术的推动下[10-11]，矿山粉尘研究领域不断推进，学科交互不断加深，然而尚没有学者对矿山粉尘已有研究进行系统性地梳理与文献计量分析。虽然中国学者更倾向于将矿山粉尘领域的相关研究论文发表在国外期刊上，但国内期刊始终仍是发布矿山粉尘领域研究成果的主阵地。通过系统地分析与回顾国内本领域期刊论文，有助于探明矿井粉尘防治的研究脉络、热点变化及演化趋势。

因此，笔者基于CNKI数据库，利用知识图谱可视化工具，对我国2001—2021年发表的矿山粉尘研究文献进行统计分析与数据挖掘，对文献量的时序特征、期刊与学科分布特征、研究主体，以及热点前沿进行了追踪并绘制知识图谱，揭示矿山粉尘研究的轨迹、特征及规律，系统、全面地回顾矿山粉尘研究领域的演化进程，为解析矿山粉尘研究领域的知识框架、动态变化与发展趋势提供借鉴与信息参考，以期为推动中国学者将本领域的科研成果发表在国内期刊上，为提高国内期刊质量和影响力提供一定帮助。

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源

CNKI数据库是我国当前最具有代表性的综合性学术资源库[12]。为保证检索数据的全面、准确与高质量，利用CNKI中的高级检索引擎，以“矿山”和“粉尘”为主题，检索CNKI中的EI来源期刊、核心期刊，以及CSSCI、CSCD数据源，时间跨度为2001—2021年，筛选出无重复的文献并剔除会议、简讯、资讯等与矿山粉尘研究不相关的文献。检索条件如表1所示，检索文献共1 863篇。

表1 矿山粉尘领域CNKI数据库检索条件

1.2 研究方法

文献计量学是以文献信息与文献发布的时空特征为研究对象，采用数理统计的计量方法分析特定研究领域现有文献的分布信息、数量关系，以及变化规律的学科[13-14]。近年来，国内外越来越多的学者利用现代计算机可视化技术来分析特定研究领域演化的动力机制[15]。其中，VOSviewer与Citespace是目前主流的两款知识图谱可视化分析工具。前者采用概率论的数据标准化方法提供制作简便、图形美观的网络知识图谱[16]；后者是由陈超美等[17-18]基于Java语言开发的一款科学文献数据挖掘和可视化分析软件，能够将研究领域的热点及演化过程清晰地展现在网络图谱上。

将检索到的1 863篇矿山粉尘研究领域的有效文献以Refworks格式导出，利用VOSviewer与Citespace可视化图谱分析软件，通过合作网络拓扑、关键词共现分析、突显关键词检测等方式，从研究的时间与空间对期刊文献的时序特征、期刊所属学科分布特征、研究主体，以及热点前沿进行分析。

2 矿山粉尘研究的时空特征

2.1 文献数量特征分布

矿山粉尘研究的文献数量时序特征能够反映粉尘防治领域的研究水平与发展状况。矿山粉尘领域CNKI数据库载文量与新增尘肺病例数时序分布如图1所示。结合我国尘肺病罹患病例的统计，矿山粉尘研究与新增尘肺病病例总体密切相关，可大致划分为3个时期：

图1 矿山粉尘领域CNKI数据库载文量与新增尘肺病例数时序分布

1)波动增长期(2001—2007年)。随着我国经济的迅猛发展，对矿产资源的需求量急剧上升，矿山粉尘防治研究的载文量呈现曲折上升的变化趋势。

2)快速上升期(2008—2015年)。新增尘肺病患者数量呈现井喷式上升的变化趋势，载文量亦呈现骤升的态势，2008年环比增幅达到39.7%，至2015年载文量达到132篇的高峰。

3)缓慢过渡期(2016—2021年)。在这个阶段，随着《“健康中国2030”规划纲要》(简称《纲要》)与《国家职业病防治规划(2021—2025)》(简称《规划》)的相继出台与落实，我国新增尘肺病患者数量呈现出明显的下降趋势，而粉尘防治研究载文量呈现缓慢波动变化的趋势。这可能是由于国家政策的出台与落实促进了我国矿山粉尘防治研究水准与国际接轨，在此阶段国内研究者倾向于将学术成果投稿至国际期刊所致。

这3个时期的文献载文量占比分别为19.8%、47.3%、32.9%，由此可推测，我国矿山粉尘研究具有较强的政策导向性与趋向性，随着职业健康行动计划的不断出台与实施，我国新增尘肺病罹患病例数将逐年降低，粉尘防控技术将向成熟的领域开拓。

2.2 载文期刊与学科特征分布

矿山粉尘研究的载文期刊与学科分布特征能够反映粉尘防治研究领域的理论贡献与实践价值，对其进行统计与分析能够帮助研究者了解矿山粉尘的研究文献，为论文的撰写及投稿期刊的选择提供参考依据。

2.2.1 期刊载文量

对筛选的1 863篇矿山粉尘文献进行统计，结果如图2所示。2001—2021年期间，载文量前15的期刊共计1 020篇，占文献总数的54.75%。这些期刊在3个时期的载文量按多少依次为：2008—2015年、2016—2021年、2001—2007年，这与2001—2021年CNKI数据库载文量分布规律一致，表明这些期刊是矿山粉尘防治领域的主流载文期刊。

图2 矿山粉尘领域CNKI数据库载文期刊与学科分布

2.2.2 期刊学科分布及影响力

载文期刊大致可分为5个学科大类：矿业工程、安全科学与工程、预防医学与卫生学、冶金工程、环境科学与资源利用，对应载文量的占比分别为65.6%、34.8%、15.8%、5.9%、3.2%。

由图2可看出，载文量较多的《煤矿安全》《矿业安全与环保》与《煤炭工程》，均为以“矿业工程”或“安全科学与工程”为研究主题的期刊，其载文数量分别为167篇、91篇、87篇；影响因子较高的为《煤炭学报》《煤炭科学技术》《中国职业医学》《矿业安全与环保》，综合影响因子分别为3.26、2.65、1.45、1.40，表明文献质量普遍较高，同时粉尘防治研究在矿业工程、预防医学与卫生学、安全科学与工程等学科领域已初步形成具有一定影响力的观点。

2.3 核心作者与机构特征分布

2.3.1 核心作者分布

矿山粉尘研究的核心作者与机构的分布特征能够反映作者合作的网络拓扑及核心研究机构情况。利用VOSviewer统计分析1 863篇文章的4 891位作者。根据Price定律[19]，矿山粉尘防治研究领域的核心作者最低发文数m可表示为：

(1)

式中nmax为该领域发文量最多的作者论文数。

将矿山粉尘领域的发文量大于6的作者定义为该领域的核心作者，图3展示了发文量前10的作者信息。经统计，核心作者共有91人，共计发文量821篇，占总发文量的44.1%，接近Price提出的50%的阈值，因此认为国内矿山粉尘防治研究领域的核心作者群已初显。我国矿山粉尘领域2001—2021年高产作者及所属机构的信息如表2所示。

图3 矿山粉尘领域核心作者合作网络结构

表2 矿山粉尘领域CNKI数据库高产作者及所属机构

2.3.2 高刊文量机构分布

利用CNKI检索系统与Citespace工具，统计各时期国内各机构在CNKI数据库的刊文量，如图4所示。由图4可知，2001—2021年期间，刊文量前15的研究机构共发文787篇，占文献总数的42.2%，各机构3个时期的刊文数与CNKI数据库载文量分布基本一致，表明这些研究机构为国内矿山粉尘研究的核心机构。其中，北京科技大学、中国煤炭科工集团有限公司、中国矿业大学的刊文量较高，发文量分别为153篇、109篇、99篇，是国内矿山粉尘研究机构合作的核心研究机构；中国矿业大学、辽宁工程技术大学、山东科技大学、中国矿业大学及中南大学的累计发文量均超过40篇，是矿山粉尘研究的代表性高校。

图4 矿山粉尘领域主要机构载文量分布

结合图3中的核心作者网络结构可见，矿山粉尘研究的合作关系多以机构内的合作为主，跨机构合作较少。目前，国内较为突出的矿山粉尘研究团队主要有：北京科技大学以蒋仲安、金龙哲为核心的研究团队，山东科技大学以程卫民、聂文、周刚为核心的研究团队，中国矿业大学以王德明、王和堂为核心的研究团队。

2.4 论文被引用次数特征分布

论文被引频次的分布特征能够反映该论文在相应领域的科研价值与贡献，2001—2021年国内矿山粉尘研究被引频次前10的高被引文献如表3所示。高被引论文研究的主题主要为喷雾降尘机理、粉尘运移规律，以及数值模拟技术等。

表3 CNKI数据库中矿山粉尘领域高被引用论文

这10篇文献的总计被引频次达1 580次，篇均被引158次，单篇最大被引239次，说明这些文献在国内得到了矿山粉尘研究者的高度认可。其对应的载文期刊主要为《煤炭学报》《北京科技大学学报》《中国矿业大学学报》等矿业工程领域中经典且权威的期刊，所属研究机构主要为北京科技大学、山东科技大学、中国矿业大学(北京)、太原理工大学等国内主流的矿业类高校，表明粉尘防治研究文献在矿业工程领域具有较高的理论价值与科研贡献。

3 矿山粉尘研究的热点主题与前沿趋势

3.1 热点关键词共现及聚类主体分析

3.1.1 高频热点关键词

文献的关键词体现了论文的研究主题与核心，分析关键词可以探索研究领域的热点主题与前沿趋势。采用VOSviewer对所筛选的文献进行统计分析，发现共有9 859个关键词，共现频次大于15的矿山粉尘研究关键词共有48个，图5为关键词共现网络图。图5中节点的大小反映了关键词频次大小，节点颜色的深浅反映了关键词的平均共现时间长短，连线的粗细反映了关键词的连接强度。

图5 矿山粉尘研究关键词共现网络图

由图5可知，随着研究技术手段的迭代更新，矿山粉尘研究在不同的时期，研究的主题是不同的，按照2.1节划分的3个阶段的主题分别为：尘肺致病机理(2001—2007年)、矿尘除降尘技术(2008—2015年)、矿尘运移规律(2016—2021年)。

利用Citespace对矿山粉尘研究领域的高频关键词进行提取，如表4所示。共现频次大于45的高频关键词按照频次大小依次为：粉尘、数值模拟、粉尘浓度及粉尘防治。不同的研究者混合使用“粉尘防治、粉尘治理、综合防尘”“尘肺病、尘肺”“降尘(效率)、除尘(效率)”等含义相近的术语，一方面表明业内的研究者对矿山粉尘研究术语尚无统一的定义，另一方面表明这些术语具有较强的学科性、时代性与主观性。“煤层注水”“喷雾降尘”“综合防尘”等高频关键词的运用亦表明，越来越多的研究者更关注从矿山粉尘产尘源头、扩散过程中对粉尘的控制方法与手段，推动着粉尘防治朝自动化、智能化等多元化的方向发展。

表4 高频关键词统计结果

3.1.2 聚类主体分析

在高频关键词统计的基础上进行矿山粉尘研究的聚类主体分析，选择K值(关键词)提取15个聚类团，如图6所示。

图6 矿山粉尘研究关键词聚类图谱

模块值(ModularityQ，Q>0.3)与平均剪影度(Weighted Mean SilhouetteS，S>0.7)分别反映了关键词聚类边界的清晰度和聚类规模[20]。对图6中648个聚类节点进行分析，得到Q=0.884 1、S=0.969，均通过了聚类检验，表明聚类结构显著。由聚类结果可知，近20年我国矿山粉尘的研究包含了矿山粉尘的产生(粉尘浓度、分散度等)、运移(数值模拟、作业环境等)、防治(除尘、降尘等)，以及致灾后果(尘肺病、粉尘污染、煤尘爆炸等)等全过程；从节点分布时间可知，粉尘、数值模拟、除尘效率、分散度是目前矿山粉尘研究的主题；不同的时期对关键词的术语表达也不同，如以2010年为节点，尘肺与尘肺病为同一含义在不同时期的2种表述。

3.2 关键词的时区演化趋势分析

3.2.1 关键词聚类的时区演化

为进一步分析国内期刊发表的矿山粉尘研究论文的研究热点，利用Citespace内置的LLR算法，对时间轴进行聚类分析，得到矿山粉尘研究的15类热点时间轴，如图7所示，并提取聚类类团所含主题如表5所示。

图7 矿山粉尘研究热点时间轴

表5 高频关键词统计结果

由图7、表5可以看出，国内学者对矿山粉尘的研究主题包含着矿山粉尘治理的各个方向：微观上表现为研究矿山采运工序的产运机理与雾化特性；宏观上表现为探索粉尘的降尘技术及治理防护措施。

3.2.2 关键词共现的时区演化趋势

为进一步探明2001—2007年、2008—2015年、2016—2021年3个时期的矿山粉尘防治的演化趋势，利用Citespace分别对收集的文献进行关键词共现关系分析，参数设置如表6所示，共现关系如图8所示。

表6 矿山粉尘关键词共现关系参数设置

(a)波动增长期

1)波动增长期(2001—2007年)。热点关键词主要有：粉尘、尘肺、粉尘浓度、综合防尘、除尘系统等，具有较高的中心性。这一时期我国矿山粉尘研究呈现研究领域广而不深的特点，奠定了矿山粉尘防治的总体研究格局。

2)快速上升期(2008—2015年)。热点关键词有：粉尘、粉尘浓度、煤矿、数值模拟、除尘、降尘、粉尘防治、尘肺病等。这一时期的研究主要围绕现场测定粉尘质量浓度、采用数值仿真软件模拟粉尘运移规律，利用喷雾降尘、抑尘剂抑尘、通风排尘、除尘器除尘等技术保证作业人员的健康，以满足日益增长的矿产资源需求。

3)缓慢过渡期(2016—2021年)。这一时期的热点关键词有：粉尘、数值模拟、粉尘防治、粉尘浓度、除尘效率、降尘效率、尘肺病、煤层注水等。随着数值仿真模拟软件的逐渐成熟与完善，越来越多的研究者倾向于分析粉尘的分散度(如PM1、PM2.5、PM10等)、各产尘工序粉尘的产运规律、各种隔降尘技术的降尘效率等，以保证作业环境空气的清洁、保障健康。

3.3 突显关键词的前沿趋势分析

矿山粉尘研究关键词的突显反映了2001—2021年关键词的频次变化，可分析正在兴起的理论趋势和新主题的出现。利用Citespace对其进行突显关键词分析，具体的参数分别为：α1/α0=2，αi/αi-1=2，γ=0.7，States与Minimum Duration分别设置为2、4，分析结果如图9所示。从图9中可见，在早期阶段，矿山粉尘防治的技术还不够成熟，研究更加关注尘肺的罹患环境及除尘技术；随着矿山资源的大力开采，出现了一系列有针对性的矿山粉尘防控技术及措施，如润湿剂、高压喷雾、泡沫剂等；近年来，随着数值仿真软件的不断完善与我国综合防尘体系的初显，研究重点更倾向于采用数值模拟手段分析矿山粉尘的时空运移规律，多种防、控、降尘技术的联动控制，以确保矿山作业人员的职业健康与环境清洁。

注：①Keywords为突显关键词；②Year为关键词出现的年份；③Strength为关键词的突显强度，强度越高表示影响力越大；④Begin与End为关键词突显开始与结束的时间。

图9 矿山粉尘研究突显关键词

4 结论与展望

1)以CNKI数据库收录的1 863篇矿山粉尘研究的文献为研究对象，基于文献计量学与知识图谱可视化技术，系统回顾并分析了近20年国内矿山粉尘领域的时空分布特征、热点主题与前沿趋势。我国矿山粉尘研究主要分为波动增长期(2001—2007年)、快速上升期(2008—2015年)及缓慢过渡期(2016—2021年)3个阶段；载文期刊与学科主要集中在矿业工程与安全科学与工程领域；在粉尘研究领域已经初步形成了较为稳定的核心作者群与机构；研究的主题包含了矿山粉尘的产生、运移、防治，以及致灾后果的全过程。

为保证我国矿山作业场所的清洁与健康，近年来国内学者对矿山粉尘开展了大量的研究并取得了一系列成果，但CNKI数据库收录的文献对矿山粉尘课题研究的深度及广度与刊登在国际期刊上的论文存在差距，这在一定程度与学者倾向于将学术成果投至国际期刊有关。

2)恶劣环境作业场所的通风受阻加剧，增大了细微粉尘悬浮于空气的时间与强度，成为制约矿山安全、清洁与健康生产的重要因素。结合矿山粉尘领域的国际前沿，矿山粉尘研究未来应重点关注复杂地质构造(如高海拔、高地温、大埋深等)的地下矿山与深凹露天矿，对矿山粉尘研究的发展提出如下建议：

①产运机理方面，利用数值模拟技术围绕复杂环境下的地下矿山与深凹露天矿的细微悬浮粉尘的产尘源、产尘机理、运移规律进行分析；

②粉尘防治方面，建立健全矿山粉尘综合防治技术与装备，研制高性能、低成本的环保型抑尘剂，设计雾化性能优的喷雾喷嘴，优化通风风流净化技术，研发高效、低能耗的矿用除尘器，通过多种防、降、排、除尘技术的联动控制，以确保矿山作业人员的职业健康；

③监测预警方面，结合粉尘在线监测、数字化信息控制、动态数据传输系统，建立粉尘作业环境评价体系与监测、预警平台，实时监测监控作业过程中的粉尘浓度；

④加强多机构、跨学科之间的合作与交互，随着大数据、人工智能、数字孪生等信息技术的不断深入融合与应用，学科(如矿业工程、安全科学、环境科学、医学与卫生学、信息技术)之间的不断交汇与互鉴，将使矿山粉尘研究发展呈现智能化、自动化、多样化趋势。