虚拟仿真在安全科学领域应用的知识图谱可视化研究

邹全乐 赵佳佳 陈结 刘莹 田世祥 郭正超

關键词：安全科学；虚拟仿真；CiteSpace；可视化；文献计量学

安全是社会生产和发展的基本保障条件，安全科学渗透在众多工程技术领域，涵盖应急救援、灾害控制、事故分析等多方面[1]。安全科学领域的信息化、自动化学术研究逐渐受到国内外学者的广泛关注。大批学者纷纷将信息科学运用到安全科学领域的研究中，借助云计算、物联网、大数据等信息技术推动安全科学领域的发展和进步。其中，虚拟仿真以其独特的沉浸性、交互性和多感性为安全科学领域的研究提供了多种创新思维与模式。安全科学与虚拟仿真的结合以其前沿性、交叉性和挑战性，已经逐步发展成为一个特色鲜明，充满生机和活力的工程科学领域[2-3]。近年来，虚拟仿真在安全科学领域应用的相关文献大量涌现，这些文献中包含的信息能够有效地展现安全科学领域中虚拟仿真的应用现状和发展趋势。

文献计量学是采用数学和统计学方法分析各类学科发展中存在的数学规律，能客观有效地反映学科领域中的发展动态[4]。目前，已有学者利用CiteSpace 探究虚拟仿真在实验教学、职业教育、现代化矿山等领域的发展趋势[5]，但目前还鲜有学者利用可视化技术对虚拟仿真在安全科学所涉及的各领域进行系统而全面的分析。这方面的研究对于了解该领域的发展历程，掌握其研究热点意义重大。本文旨在采用CiteSpace对近24年以来虚拟仿真在安全科学领域的发文量、研究学者、研究机构、关键词等进行综合分析，阐述该领域的研究现状，重点探讨该领域的主要研究内容和研究方向等方面的发展演化，进而提出该领域的未来研究重点，以期为安全科学的信息化研究提供参考。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本次研究数据来自CNKI，初步筛查1998—2021 年间收录的包含虚拟仿真、安全科学为主题的期刊文献2 464篇，硕博论文812篇。通过人工剔除书评、简报等，最终得到2 842篇文献作为本文的研究对象，极大程度上保障了数据来源的代表性。

1.2 分析方法

将筛选出的文献以Refworks 格式导出，采用CiteSpace 6.1.R2绘制知识图谱。首先将Refworks文档导入CiteSpace软件进行相应的转化，然后设置可视化时间段，调节时间段切片长度，设置g-index、Top N、Top N%等不同的演算方式和阈值，最后从研究学者与研究机构合作网络拓扑、关键词共现图谱、关键词聚类与演化图谱、关键词突显情况等多方面对该领域进行综合分析。

2 发文量时空序列分布规律

2.1 文献发表趋势分析

虚拟仿真在安全科学领域的发文量时序特征能反映出该领域的发展历程。虚拟仿真在安全科学领域发文量时序分布特征如图1 所示。由图1 可知，1998—2005年年度发文量呈现逐步增加趋势，但增势较缓且数量较低，该阶段可视为研究起步阶段；2006—2015年整体发文量较起步阶段有所提升，增长趋势较缓，年度发文量日益增加，该阶段可视为基本发展阶段；2016年以后，整体发文量较基本发展阶段又得到了量的飞跃，该阶段发文数量大且波动明显，可视为快速发展阶段。

图2为虚拟仿真在安全科学领域研究学者的知识图谱，图中网络节点的颜色与时间轴颜色相对应。根据Price定律[6]，该领域内的核心作者最低发文量为：

将虚拟仿真在安全科学领域发文量大于2的学者定义为该领域的核心作者，图2仅展示出部分具有代表性的核心作者。据不完全统计，核心作者共计347 名，累计发文量为1 287篇，占总发文量的45.3%，非常接近Price 提出的50% 的阈值，说明核心作者群已突显。

从发文量来看，朱群雄、陈涛等学者具有较高的发文量；从学者合著群网络复杂程度来看，网络复杂程度：A1>A2>A3>A4>A5>其他合著群网络。随着时间的推移，合著群网络复杂程度有逐渐增加趋势；从图谱的整体情况来看，网络图谱节点数为360，线路251条，网络密度为0.003 9，整体网络复杂度较低，说明该领域作者合著强度较低。因此，研究学者之间需加强合作以促进该领域的发展。

2.3 机构可视化分析

图3为虚拟仿真在安全科学领域研究机构的知识图谱。由图3可知，虚拟仿真在安全科学领域的研究机构类型是多元化的，包含高等院校、研究所、企业等。从研究机构合作共现网络来看，网络图谱节点数为304，路线为42条，网络密度为0.000 9。研究机构可视化合作网络整体上零星分散，仅存在少数节点联系密切，整体网络结构简单，基本上没有体现出复杂的闭环网络，这表明我国在该领域研究机构之间的合作与交流还有很大的提升空间。权威机构之间的相互合作是促进科学领域发展的关键因素[7]，其中以中国矿业大学等为核心的研究机构合作图谱较为紧密；中国地震局工程力学研究所、中国科学技术大学等机构和其他科研机构也存在一些合作，但网络结构相对简单；另外还存在一些合作网络不太显著但具有较大的节点的机构，如华中科技大学等，它们也是推动该领域发展的不可或缺的力量。

3 热点主题与未来研究趋势分析

3.1 研究热点分析

图4为虚拟仿真在安全科学领域的相关研究文献的关键词共现图谱。结合图谱网络与可视化界面数据可知，共现频次较大的关键词有虚拟现实（728 次）、虚拟仿真（293次）、应用（95次）、实验教学（92） 、安全培训（83次）等。中介中心性较大的关键词有虚拟现实（0.66） 、虚拟仿真（0.23） 、应用（0.23） 、煤矿安全（0.14） 、安全管理（0.13） 等。基于关键词共现图谱网络、共现频次、中介中心性等可视化信息，提出虚拟仿真在安全科学领域的研究热点主要体现在虚拟仿真应用、矿山安全、安全管理、应急管理等方面。为便于观察该领域研究热点的分布情况，对关键词网络进行聚类分析。图5为关键词聚类图谱。可视化界面参数显示聚类模块值（Q） 与聚类平均轮廓值（S） 分别为0.56与0.866 8。一般认为：Q＞0.3，说明聚类结果显著；S>0.5，聚类结果是合理的；若S>0.7，意味着聚类结果令人高度信服[5]。综上所述，图谱聚类效果显著且聚类结果是高度可信的。聚类标签显示了该领域的研究热点主要为虚拟现实（#0） 、虚拟仿真（#1） 、安全培训（#2） 、应急演练（#3） 、应用（#4） 、可视化（#5） 、安全管理（#6） 、仿真（#7） 、物联网（#8） 、建筑施工（9） 。聚类结果表明，虚拟仿真在安全科学领域的研究热点主要聚焦于安全培训、应急演练、虚拟仿真应用等方面。

3.2 研究热点演进分析

利用CiteSpace对关键词进行基于时间序列的聚类分析，得到了虚拟仿真在安全科学领域的10类研究热点随时间序列的分布特征，如图6所示，从中提取主要聚类类团及其主题如表1所示。

基于图6和表1的关键信息，通过归纳分析得出虚拟仿真贯穿于安全科学领域的各方面。在宏观上表现为以下三个方面：第一，虚拟仿真在安全科学领域的理论基础研究，如虚拟仿真数学模型研究；第二，虚拟仿真系统的构建，如人员培训系统的构建；第三，虚拟仿真的实际工程应用，如漫堤预警。

3.3 前沿热点分析

选取CiteSpace的burstness模块对关键词突显情况进行分析，如表2所示。表2中虚线框标注的时间轴代表了对应年份关键词有突显且在红色段关键词较为活跃。关键词的突显强度越大，其影响力越大，突顯起始年份越早，该方向越早受到人们的关注。由关键词突显时间分布情况可知，煤矿安全突显的时间最长，其次是突发事件，而煤矿、安全评价、应急演练等关键词具有相同的持续时长。安全教育、实验教学、新工科、数字孪生等是近期突显的关键词；根据关键词突显强度来看，实验教学突显强度最大，其次为突发事件、安全教育、煤矿安全等。

基于关键词共现、关键词聚类以及关键词突显的分析结果，归纳总结虚拟仿真在安全科学领域的未来研究重点主要体现在两个方面。第一，安全培训方面。一般传统的安全培训模式在理论教学内容上抽象化，在实践教学上单一化、高成本，导致传统的安全培训模式已经无法满足新工科背景下实践型和创新型人才的培养要求，而虚拟培训带来了一种全新的视野。第二，数字孪生方面。数字孪生是虚拟仿真的升级。虚拟仿真的重点强调高仿真度，而数字孪生则是要达到虚实结合，甚至是以虚控实。在安全科学领域，数字孪生在安全监测监控、动态仿真、故障诊断等方面具有很大的应用潜力。

4 结论

虚拟仿真在安全科学领域的应用研究经历了起步阶段、基本发展阶段、快速发展阶段等三个阶段。随着时间的推移，该领域发文量显著提升，该领域具有较大的研究价值和潜力。合著群网络复杂程度随时间的推进逐渐增加，但整体网络复杂度较低。科研机构呈现多元化，但网络结构整体较为分散且简单。研究学者、研究机构之间的相互合作与密切交流仍有较大提升空间。虚拟仿真在安全科学领域应用的热点聚焦在安全培训、应急演练、VR技术运用等方面，未来研究趋势主要体现在安全培训、数字孪生两个方面。