自然基金项目资助虚拟现实科研主题演化分析

张 博,高俊兴,罗 军

(1.吉林省科技资金运行服务中心 综合部,长春 130000;2.吉林省科学技术厅 办公室,长春 130021)

0 引 言

2018年工信部提出“加快我国虚拟现实(VR:Virtual Reality )产业发展,推动虚拟现实应用创新”的意见,虚拟现实是一种能创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统[1-5]。笔者基于中国知网数据库,采用科技文本可视化分析工具ITGInsight[6-8],探究我国自然科学基金项目资助虚拟现实技术科技论文应用研究热点主题、未来发展趋势和主题演化情况,为未来的虚拟现实的科学研究提供数据参考和理论依据。

1 研究对象与方法

数据来源于中国知网期刊库,检索条件设置为,主题包括“虚拟现实”,并且资助项目为国家自然科学基金,检索到文献题录数据1 573条(检索日期2021年6月15日),通过对数据清洗及去掉不相关数据,最终得到有效数据集1 566条作为研究对象。应用Excel软件和科技文献分析工具ITGInsight进行数理统计和可视化分析[9-12]。ITGInsight软件是一款高级的科技文本挖掘与可视化分析工具,主要针对科技文本,如期刊论文、硕博论文、研究报告、报刊等进行可视化的分析与挖掘,可视化挖掘方法有合著关系可视化、同现关系可视化、耦合关系可视化、关联关系可视化、引证关系可视化、演化分析可视化,可视化输出包括网络图、热力图、世界地图、矩阵图、演化图和聚类图[13-15]。

2 结果与分析

2.1 总体趋势分析

文献数量趋势一定程度上可以反映出虚拟现实研究领域的发展状态、热度和趋势。统计我国自然科学基金项目资助的虚拟现实主题历年文献数量、累积文献数量、文献增长率(见表1和图1),总体呈现递增趋势,1996-1998年数量增加较为显著,2019年数量达到顶峰为124篇。数据说明虚拟现实主题目前处于成长期。

表1 我国自然科学基金资助虚拟现实研究论文年份趋势统计表Tab.1 Statistical table of annual trend of research papers on virtual reality supported by NSFC in China

图1 我国自然科学基金资助虚拟现实研究论文年份趋势变化Fig.1 Trend of research papers on virtual reality funded by NSFC in China

2.2 机构关联和演化分析

1) 总体情况。我国自然科学基金资助虚拟现实技术主题机构发文量及其占比,如表2所示,排名前5位的分别为同济大学建筑与城市规划学院、东北大学资源与土木工程学院、北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室、河南理工大学电气工程与自动化学院、中国科学院大学,发文量分别达到12篇、11篇、10篇、10篇、9篇。

表2 我国自然科学基金资助虚拟现实研究主要机构排名前20Tab.2 Top 20 research institutes of virtual reality funded by NSFC in China

2) 机构科研合作分析。发文机构合作关系(见图2),图2中节点大小与发文量成正比,节点颜色有3个深浅度分别表示署名第1、第2、第3及以后的论文文献数量,图2中连线粗细与合著数量成正比。从图2中可以看出,合著关系不明显。

图2 我国自然科学基金资助虚拟现实研究机构合作分析Fig.2 Analysis on cooperation of virtual reality research institutions funded by NSFC in China

3) 机构主题关联分析。进一步分析发文机构的主题关联,计算发文机构间的主题关联强度,揭示发文机构之间的主题竞争(见图3),图3中节点大小与发文量成正比,其中连线粗细与发文机构之间的主题关联强度成正比。节点标注文字为该机构及其应用最多的3个主题词。从主题关联角度看,1) 北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室、合肥工业大学计算机与信息学院、东南大学仪器科学与工程学院、北京理工大学机械与车辆工程学院、大连海事大学轮机工程学院、北京理工大学机械与车辆学院、清华大学心理学系、广东工业大学机电工程学院侧重于虚拟现实、虚拟环境、计算机、机器人和力反馈；2) 东北大学资源与土木工程学院、河南理工大学电气工程与自动化学院、南京航空航天大学自动化学院、浙江大学CAD&CG国家重点实验室侧重于虚拟现实、可视化、实验教学、教学系统和摩擦力；3) 西南交通大学地球科学与环境工程学院、新疆大学机械工程学院、吉林大学管理学院、成都中创五联科技有限公司侧重于虚拟现实、可视化、医科大学、肝功能和三维重建；4) 同济大学建筑与城市规划学院、中国科学院大学、南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室侧重于虚拟现实、可视化、虚拟环境、计算机和结果显示。

图3 我国自然科学基金资助虚拟现实研究机构主题关联分析Fig.3 Theme correlation analysis of virtual reality research institutions funded by NSFC in China

4) 机构期刊交叉分析。发文机构在发表期刊的分布情况(见图4)。

图4 我国自然科学基金资助虚拟现实研究机构与期刊矩阵Fig.4 Research institutions and journals of virtual reality supported by NSFC of China

同济大学建筑与城市规划学院倾向于《计算机工程与应用》、《实验室研究与探索》；北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室倾向于《中国科学:信息科学》、《系统仿真学报》、《计算机辅助设计与图形学学报》；河南理工大学电气工程与自动化学院倾向于《系统仿真学报》、《实验室研究与探索》、《煤矿安全》；中国科学院大学倾向于《计算机学报》。

2.3 期刊关联和演化分析

统计发表期刊论文量及其占比如表3所示,排名前5位的分别为《系统仿真学报》、《现代电子技术》、《中国图象图形学报》、《实验技术与管理》、《计算机工程与应用》,数量分别达到67篇、28篇、18篇、17篇和17篇。

表3 主要期刊论文数量表Tab.3 Number of papers in major journals

进一步分析发表期刊的主题词关联,计算期刊之间的主题词关联强度,揭示期刊之间的主题竞争(见图5),图5中节点大小与文献数量成正比,连线粗细与期刊之间的主题关联强度成正比。节点标注文字为该期刊及其应用最多的3个主题词。从主题关联角度看,《系统仿真学报》、《计算机辅助设计与图形学学报》、《计算机仿真》、《计算机学报》、《计算机技术与发展》、《计算机应用与软件》侧重于虚拟现实、可视化、虚拟环境、真实感和关键技术；《计算机工程与应用》、《小型微型计算机系统》、《科技导报》、《中国科学》:《信息科学》、《微计算机信息》、《计算机应用》侧重于虚拟现实、虚拟空间、虚拟环境、可视化和计算机；《现代电子技术》、《实验技术与管理》、《实验室研究与探索》、《煤矿安全》侧重于虚拟现实、实验教学、真实感、传感器和可视化；《中国图象图形学报》、《计算机应用研究》、《工程图学学报》、《计算机工程》侧重于虚拟现实、计算机、关键技术和碰撞检测。

图5 我国自然科学基金资助虚拟现实研究期刊主题关联分析Fig.5 Subject association analysis of virtual reality research journals funded by NSFC in China

历年主要期刊论文趋势如图6所示,2000年以前主要为《中国图象图形学报》、《软件学报》、《计算机学报》、《小型微型计算机系统》、《工业工程与管理》、《计算机仿真》、《系统仿真学报》、《中国机械工程》、《工程图学学报》、《宇航计测技术》；2001-2005年主要为《系统仿真学报》、《小型微型计算机系统》、《系统工程与电子技术》、《中国图象图形学报》、《计算机辅助设计与图形学学报》、《计算机工程》、《计算机仿真》、《计算机工程与应用》、《武汉理工大学学报(交通科学与工程版)》、《西南民族学院学报(自然科学版)》；2006-2010年主要为《系统仿真学报》、《微计算机信息》、《计算机工程与应用》、《机床与液压》、《计算机仿真》、《计算机应用研究》、《计算机集成制造系统》、《小型微型计算机系统》、《工程图学学报》、《武汉理工大学学报(交通科学与工程版)》；2011-2015年主要为《系统仿真学报》、《金属矿山》、《实验技术与管理》、《北京生物医学工程》、《煤矿安全》、《计算机技术与发展》、《软件导刊》、《中国康复医学杂志》、《云南大学学报(自然科学版)》、《中国组织工程研究》；2016-2020年主要为《现代电子技术》、《实验技术与管理》、《系统仿真学报》、《实验室研究与探索》、《计算机应用与软件》、《中国康复理论与实践》、《中国科学:信息科学》、《计算机辅助设计与图形学学报》、《科技导报》、《无线互联科技》；2021年以后主要为《现代电子技术》、《医学教育研究与实践》、《中国图象图形学报》、《中国远程教育》、《计算机技术与发展》、《煤炭科学技术》、《计算机集成制造系统》、《重庆医学》、《计算机系统应用》、《计算机应用与软件》。

图6 我国自然科学基金资助虚拟现实研究期刊演化分析Fig.6 Evolution analysis of virtual reality research journals funded by NSFC in China

2.4 主题关联和演化分析

研究主题大体围绕以下热点词进行：1) 主题聚类显著的虚拟现实、可视化、关键技术、真实感和数字化；2) 虚拟环境、机器人、碰撞检测、力反馈和动力学；3) 计算机、人工智能、互联网、虚拟空间和多媒体；4) 有效性、可行性、仿真技术、传感器和体系结构；5) 实验教学、个性化、教学效果、实验室和教学系统。

主题演化分析作为新兴趋势探测方法之一,有助于了解领域主题产生、消亡、增强、减弱、聚合和裂变的过程,在文献分析中广泛应用,也得到众多研究者的关注。绘制主题词演化图如图7所示。

图7 我国自然科学基金资助虚拟现实研究主题聚类图Fig.7 Clustering map of virtual reality research topics funded by NSFC of China

2000年以前主要为虚拟现实、测量机、可视化、虚拟环境、关键技术、分布式、计算机、故障诊断、多媒体和层次模型；2001-2005年主要为虚拟现实、可视化、机器人、虚拟环境、计算机、关键技术、虚拟空间、数字化、可行性和膝关节；2006-2010年主要为虚拟现实、可视化、虚拟环境、碰撞检测、计算机、关键技术、仿真技术、数字化、实时性和三维空间；2011-2015年主要为虚拟现实、可视化、机器人、力反馈、虚拟环境、碰撞检测、动力学、不对称性、操作者和数字化；2016-2020年主要为虚拟现实、可视化、机器人、虚拟环境、人工智能、实验教学、关键技术、数据库、计算机和数字化；2021年以后主要为虚拟现实、可视化、碰撞检测、功能障碍、博物馆、工作面、机器人、数字化、对照组和学习效果。

图8 我国自然科学基金资助虚拟现实研究主题演化分析Fig.8 The evolution of the research topic of virtual reality funded by NSFC

3 结 语

对我国自然科学基金资助虚拟现实科研论文特征进行定量和定性分析,通过构建机构合作网络、主题关联、时间演化的二维分析,结合期刊关联和演化分析、主题关联和演化分析,分析结果总结如下：虚拟现实科研处于快速发展期,预计“十四五”期间还会持继增加；同济大学建筑与城市规划学院、东北大学资源与土木工程学院、北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室的学术影响力最大；系统仿真学报、现代电子技术、中国图象图形学报3种期刊论文数量最多；研究主题主要涉及有虚拟现实、可视化、关键技术、真实感、数字化等研究热点；研究主题变化,虚拟现实一直处于热点主题,后期出现了可视化和机器人等新的关注点。