灰色系统在工程科技领域的应用分析：基于SATI和CiteSpace文献计量

陶良彦，刘玉阳

（1.南京航空航天大学 灰色系统研究所，江苏 南京 211106；2.南京航空航天大学 经济与管理学院，江苏 南京 211106）

一、引言

由邓聚龙教授创立的灰色系统理论（GST）40年来，其理论、方法、模型在经济管理、工程技术和自然科学众多领域得到广泛应用，产生了积极的推动作用，如农业科技领域［1-3］，信息科技领域［4-6］，基础科学领域［7-8］，经济与管理领域［9-11］。

工程科技涉及石油天然气工业，材料力学，矿业工程，船舶工业，水利水电工程等多学科多领域，是推动经济社会发展的主要力量。工程科技实践中存在大量“贫信息”不确定性系统，为灰色系统理论提供了丰富的研究资源和广阔的发展空间。本课题聚焦灰色系统理论在工程科技领域的应用，旨在通过计量分析系统地梳理灰色系统理论在该领域的知识结构和发展脉络，识别趋势和潜在研究方向。

二、数据来源及方法

1.数据来源

本文文献数据来源于中国知网（CNKI）工程科技I辑和工程科技II辑的学术期刊数据库，其中工程科技I辑包括化学、无机化工、有机化工、燃料化工、一般化学工业、石油天然气工业、材料力学、矿业工程等14个学科1 037种期刊；工程科技II辑包括汽车工业、船舶工业、水利水电工程、建筑科学与工程、动力工程、核料学技术、新能源、电力工业等15个学科1 230种期刊。检索主题为“灰色系统”+“灰色预测”+“灰色关联”+“灰色决策”+“灰靶”+“灰色模型”+“灰色算子”。选择数据库为核心库。设置检索时间区间为1982年1月—2022年8月，经过筛选去重后共得到22 422篇文献。

2.研究方法

由于文献篇数较多，本文采用文献题录信息统计分析工具（Statistical Analysis Toolkit for Informetrics，以 下 简 称SATI）和CiteSpace进 行 分 析。CiteSpace通过基于共现、共引和网络算法对相关领域文献进行分析，绘制可视化图谱作为结果，分析具体的变化过程并探测其进一步发展趋势。［12］SATI旨在通过对期刊全文数据库题录信息的处理，利用一般计量分析、共现分析、聚类分析、多维尺度分析、社会网络分析等数据分析方法，挖掘和呈现可视化数据结果，揭示研究领域结构的内部联系及其特征。［13］两种计量分析软件功能相近又各具优势，虽然郑娜等认为CiteSpace具有更强大的功能［14］，但是考略到SATI可以更清晰的呈现出图谱和对中文文献更强的适用性，因此本文综合使用这两种工具进行分析。本文使用的CiteSpace版本为6.1.R3，SATI版本为Web版SATI 4.0。

三、文献计量分析

1.发文趋势

发文量以及发表时间是判断某研究领域受到关注度的判断依据之一。图1展示了从1985—2022年的发文量，其中2022年的1 254篇由中国知网根据趋势预测。

图1 发文量时间序列

从图中可以看出发文量整体呈现出上升的趋势，在1982—1990年间，整体处于起步阶段，年发文量低于100篇；1991—2004年间，年发文量平均在200篇左右；2005—2011年，年发文量快速增长，6年间发文量翻了一番；2012—2022年，年发文量稳定在1 100篇以上。

2.科研力量分布

（1）作者

在核心期刊上发表论文总数在一定程度上代表了作者在该领域的学术影响力。本文研究主题共涉及2万余位学者，其中发文量排名前20位的高产作者见表1。依据普莱斯定律：若设该领域内发文量最多作者的论文数为nmax，则在该领域发表［m］（m=nmax/2）以上论文的作者被认为是领域内的核心作者。在本研究中nmax=29，m=14.5。所以，在表中排名靠前的13位的作者均属于普莱斯定律下的高产作者。

表1 作者发文量排名

同时，我们利用SATI工具对所涉及的作者进行共现图谱分析，并利用CiteSpace计算出网络密度，将分析的结果去除噪点（即合作关系较弱的点或没有合作关系的点），获得结果如图2所示。图中的圆表示作者，作者间连线表示合作强度，圆越大表明该作者发文越多，线越粗表明两者合作越密切。

图2 作者合作网络

从图2我们发现，虽然本次研究涉及了两万多篇文章，但能够形成稳定合作关系的不足100人，且经CiteSpace计算出网络密度只有0.0011。导致这一结果的主要原因是本文分析的对象是工程科技领域，涉及主题和作者非常多，因此合作关系相对稀疏。

图中最大的网络是以华北电力大学牛东晓教授为核心的13位作者构成的合作网络，团队研究主要集中在应用灰色预测模型、灰色关联模型解决电力负荷预测、电建方案优选等方面［15-17］。兰州交通大学土木工程王起才教授团队的研究侧重于将灰色关联分析应用于建筑科学，特别是工程新材料，预应力混凝土技术等新兴技术领域［18-20］。西安石油大学的宋子齐教授团队以及中南大学的陈建宏教授团队的研究重心分别是石油天然气工业［21-22］，矿业工程［23-24］。

（2）主要研究机构

本文研究主题下发文量排名靠前的10家机构见表2，其中华北电力大学和河海大学以410和409篇的发文量遥遥领先，中南大学、长安大学、中国矿业大学分别以333篇、294篇、283篇发文数量分列3至5位。

表2 机构发文量排序

利用SATI工具对所涉及的合作机构进一步细化并进行共现图谱分析，去掉噪点后得到机构共现网络（如图3所示）。

图3中最大的网络是以河海大学水利水电学院为中心，包括河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室、中科院大学、河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心等5所机构的网络。经过对该网络进一步研究可以发现河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室在承担的973、863、国家科技攻关计划、国家科技支撑计划和国家自然科学基金重点项目等多项国家重大科研项目研究过程中成功运用灰色系统模型和方法。如吴中如院士关于大坝服役状态及其对环境危害程度的量化评估研究［25］，郭海庆和吴中如院士等关于堆石坝变形监测的灰色非线性时序组合模型研究［26］，杨杰和吴中如院士等关于冯家山土石坝竖向位移拟合与预测的灰色非线性模型研究［27］，崔伟杰和包腾飞关于小湾拱坝某测点的径向位移监测的研究［28］，郑雪琴和秦栋关于陈村大坝变形预测的研究［29］，巫德斌和徐卫亚关于某水电站坝址附近的马步坎岩石边坡变形预测的研究等［30］。

图3 机构合作网络

长安大学和西安建筑科技大学相关学院也能形成相对较大规模的合作网络，经过进一步研究发现该网络中机构的研究侧重于将灰色关联度分析和灰色预测模型应用于公路与水路运输方向，并取得了一系列高水平研究成果。［31］例如，王利将灰色预测模型应用于大坝变形监测预报［32］；姚玉玲结合灰色关联分析建立了路面使用性能综合评价指标体系［33］；于江霞采用改进的灰色关联度综合评价方法进行了公路交通适应性评价［34］。

此外，对发文量前10的机构利用SATI进行“频次时间序列（1992—2022年）”分析后可以得到图4，从图4中可以发现2007年以后参与研究的机构明显增加。

图4 机构发文频次时间序列（1992-2022年）

3.学科领域

本研究中样本文献涉及最多的10个学科分布如图5所示，其中公路与水路运输最多达到了3 103篇，环境科学与资源利用、建筑科学与工程、电力工业、矿业工程，分别以2 962篇、2 837篇、2 414篇、2 099篇紧随其后，说明灰色系统相关理论和方法在工程科技领域应用广泛，具有较高的研究热度。

图5 学科分布

4.期刊分布

本领域发文量排名前10的期刊（见表4），其中排名前三的分别是《电力系统保护与控制》《电网技术》《岩土力学》。

表3 期刊发文量排序

为了探究不同期刊的发文特点，本文绘制了发文量靠前10种期刊的频次时间序列图（如图6所示），可以发现从2000年开始发文量逐渐加大。此外，通过图1显示从2011年开始，本领域年发文量都超过1 000篇，但是图6显示发文量前10的期刊年发量在5篇左右，这说明工程科技领域灰色系统文献的分布范围很广，未集中在某一批期刊。

图6 期刊发文量时间序列

四、关键词图谱分析

通过关键词的简洁表达，分析关键词特征，可以窥探研究主题间的联系。本研究共包含16 094个关键词，其中出现频次最高的10个关键词见表4，以及部分关键词出现的频次时间序列图（如图7所示）。

从表4可以看出，出现次数最多的三个关键词是“灰色关联分析”“灰色理论”“灰色预测”，说明工程科技领域文献使用灰色关联和灰色预测的频次最多。然而仅从频次来分析关键词是不充分的，因此本节将从关键词共现图谱，聚类图谱以及时间线图谱进一步分析。

1.共现图谱

本研究的关键词共现图谱如图7所示，由于本文涉及关键词过多，为了突出重点图中只展示了出现凭此最多的658个关键词（结点）以及他们构成的1 579条边，结点越大表明出现的次数越多。

此外，为了找出各个关键词的重要程度，本研究利用CiteSpace计算了各关键词的中心性（见表5）。中心性大小代表某关键词在所有关键词中的地位高低，或者说是与其他关键词关联的概率。但频次与中心性并不是一一对应的，例如通过对比表4和表5发现，虽然“灰色系统”出现频次仅排到了第8位，但其中心性却仅次于“灰色理论”。“灰色聚类”频次在前十之外，但中心性却达到了0.1，位列第8。

表5 关键词中心性统计

2.聚类图谱

为了进一步了解本领域的知识结构，本文对图7的关键词进行了聚类，结果如图8所示，说明研究以这几个关键词为中心向外拓展，可以认为这些词是本领域研究的基石。其中排名前三的类分别为“灰色模型”“灰色聚类”和“灰色系统”。这说明虽然应用灰色系统的工程科技领域类别众多，但是所采用的灰色系统模型、方法较为集中，主要包括灰色关联、预测、评价和聚类等方法。

图8 关键词聚类

五、趋势分析与研究总结

1.趋势分析

本文通过突发性探测来探索研究趋势，突发性探测的基本含义是一个变量的值在短时间内逐增，突然变成热点。通过突发性探测我们可以发现某一领城的研究呈现从宏观到微观、从单一到多元化的演化趋势，回顾或预测哪些关键分支技术在什么时间段成为了热点，甚至预测界些关键校术能在未来延续续爆发性趋势。本文展示了前25个突现词，如图9所示。横坐标“Year”表示关键词出现的年份；“Strength”表示关键词爆发强度，值越大强度越高说明该词影响越大；“Begin”表示爆发开始年份；“End”表示爆发结束年份。图中深色表示爆发年份。

图9 突发性探测图示

从突现强度来看“灰色系统”（92）、“熵权法”（28.08）、“关联度”（17.22）、“组合赋权”（14.23）、“正交实验”（13.08）分列前五位，说明这5个方面产生了较大的影响受到了广泛的关注。而从持续时间来看“关联分析”“灰色系统”“关联度”“数学模型”“模型”分列前5位，说明这5个方面受到了较长时间的持续关注。此外可以看到近期突现的有“组合赋权”“正交试验”“碳排放”“寿命预测”“组合权重”“熵权法”等，说明这些因素可能成为未来一段时间的研究热点。

近年来，大数据、数据融合等新热点出现，基于小数据挖掘的灰色系统方法异军突起，成为人们从海量工程科技数据中获取有价值信息的有效工具［35］。

2.研究总结

本文运用CiteSpace 6.1.R3和SATI 4.0两种文献计量分析软件对1982—2022年间CNKI数据库中工程科技I辑和工程科技II辑分类下所收录的22 422篇有关灰色系统相关理论和方法文献进行了数据挖掘和分析。具体内容包括：对历史发文量进行趋势分析，宏观感知了研究热度变化；对关键作者，关键机构进行合作网络以及研究方向的分析，分析了研究力量的分布情况和潜力；对关键词进行多种图谱分析共现，聚类研究了过去40年的研究热点和演化过程；最后利用关键词突显来研究为分析了灰色系统相关理论和方法在工程科技领域未来可能的发展趋势。

研究发现：①灰色系统理论在工程科技领域的研究整体呈现快速上升趋势，2011年至今的年发文量都在1 000篇以上；②本领域研究学者人数高达两万多，关键作者、关键机构、学科领域研究表明灰色系统在电力工业、矿业工程、公路与水路运输、矿业工程等领域的研究者较为集中；③关键词图谱分析表明研究热点包括“灰色关联分析”“灰色理论”“灰色模型”“灰色预测”“灰色聚类”等，且“灰色模型”“灰色聚类”和“灰色系统”等关键词是本领域一系列研究的基石；④“组合赋权”“碳排放”“寿命预测”“大数据”“数据融合”等关键主题是未来发展的潜在热点。

本文分析结果发现灰色系统在工程科技领域应用十分广泛，文献达到2万多篇，计量分析的部分聚类和共因效应不是十分明显，未来可以更聚焦于某一细分领域，预计可获得更细致的发现。另外，本文只分析了期刊论文，将来可以深入分析学位论文应用灰色系统理论情况。