我國直升機研究領域的學科交叉特征分析

姜春林+戚萬磊+魏慶肖

摘要：[目的/意義] 《中國制造2025》計劃中提出推進干支線飛機、直升機、無人機和通用飛機產(chǎn)業(yè)化。分析我國直升機研究中的學科交叉現(xiàn)象，對我國直升機的科學研究與產(chǎn)業(yè)化提供參考。[方法/過程]從直升機研究中論文的自身學科屬性與關鍵詞兩個角度出發(fā)，對直升機研究的學科交叉進行分析。通過關聯(lián)網(wǎng)絡的繪制，分析多個學科交叉下學科共現(xiàn)，關鍵詞與學科共現(xiàn)，得到直升機研究中學科交叉的主題與特征。[結果/結論]我國直升機研究呈現(xiàn)多學科互相交叉但交叉程度不同的特點，不同學科在直升機研究中占據(jù)不同地位，且學科與關鍵詞共現(xiàn)也體現(xiàn)了學科之間存在交叉關系，控制理論與方法是直升機研究中的關鍵。

關鍵詞：學科交叉；學科共現(xiàn)；直升機；中心性；學科與關鍵詞共現(xiàn)

中圖分類號：G350 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-8256.2017.05.004

Abstract： [Purpose/Significance] The plan of 《Made in China 2025》 proposes the industrialization of main-branch planes， helicopters， unmanned plane and general-purpose plane. This paper analyzes the discipline-cross phenomenon of Chinese helicopter research， and provides reference for the scientific research and industrialization of Chinese helicopter. [Method/Process] From the viewpoint of thesis's disciplinary attribute and keywords， this paper analyzes the discipline-cross of helicopter research. Through drawing the network mapping， the paper analyzes discipline co-occurrence under discipline-cross as well as discipline-keywords co-occurrence， as a result， it gets the themes and characteristics of discipline-cross in helicopter research. [Result/Conclusion] The Chinese helicopter research presents the characteristics of multidisciplinary intersect each other but different levels of discipline-cross， different disciplines occupy different positions in helicopter research， and discipline-keywords co-occurrence reflects the intersect relationship between disciplines， thus， control theory and method are the key to helicopter research.

Keywords： Discipline-cross； Discipline co-occurrence； Helicopter； Centricity； Discipline-keywords co-occurrence

0 引言

1956年中國從蘇聯(lián)引進米-4及其發(fā)動機“阿什82比”（АШ-82В）制造技術，決定分別由哈爾濱飛機制造廠（代號：122廠）和哈爾濱東安發(fā)動機廠（代號：320廠）進行仿制，拉開了中國直升機工業(yè)發(fā)展的序幕，到現(xiàn)在我國直升機工業(yè)已經(jīng)走過了61年的發(fā)展歷程。2015年3月5日，李克強總理在全國兩會上作《政府工作報告》時首次提出“中國制造2025”的宏大計劃，2015年5月8日，國務院正式印發(fā)《中國制造2025》。關于直升機的發(fā)展，在《中國制造2025》中明確提出推進干支線飛機、直升機、無人機和通用飛機產(chǎn)業(yè)化。

多年來，直升機在世界經(jīng)濟與軍事發(fā)展和人民日常生活中發(fā)揮了不可代替的作用，不僅有力地推動了全球經(jīng)濟與軍事的快速發(fā)展，而且極大改善了人們的生活品質?？梢哉f，直升機的應用程度已成為衡量一個國家現(xiàn)代化程度的重要標志[1]。然而我國直升機的發(fā)展要步入國際先進行列尚需做出許多努力。首先，成熟的市場和旺盛的需求是推動直升機快速發(fā)展的動力，國家需要出臺相關政策；其次，產(chǎn)業(yè)化是我國直升機快速發(fā)展的必由之路；再次，先進的技術是推動直升機快速發(fā)展的基礎；最后，國際合作是加速我國直升機快速發(fā)展的有效途徑[2]。

然而直升機結構與原理復雜，涉及電子電氣工程、機械工程、控制科學與工程、材料科學與工程、數(shù)學、計算機科學與技術等諸多學科，且這諸多學科中存在學科之間的相互交叉。學科交叉是伴隨社會和學科自身發(fā)展需求而出現(xiàn)的一種綜合性科學活動，是形成交叉學科的途徑和過程[3]。當今世界，全球變暖、能源危機等問題的研究已超越了原來的單一學科范疇，跨學科與學科交叉已成研究與解決此類問題的必然趨勢。

1 國內外研究回顧

在國內研究中，關于學科交叉的概念，許海云等認為學科交叉是伴隨社會和學科自身發(fā)展需求而出現(xiàn)的一種綜合性科學活動，是一個動態(tài)過程，是形成交叉學科的途徑，而交叉學科是學科交叉的結果，是一種學科形態(tài)[3]。金薇吟認為學科交叉是指學科間因橫向有機聯(lián)系而出現(xiàn)的綜合化現(xiàn)象，對于研究者主體來說，這是一種科學活動[4]。在關于學科交叉的研究中，吳菲菲等運用引文分析工具、文獻計量工具、文本挖掘工具，依據(jù)科學文獻數(shù)據(jù)對學科交叉性進行了探究[5]。付秀穎等以專利為視角，利用網(wǎng)絡分析方法和UCINET工具研究學科交叉情況[6]。侯海燕等借助科學計量學方法和信息可視化工具，通過期刊學科領域共現(xiàn)分析對學科交叉特征進行研究[7]。章成志等從引文內容分析的角度探測不同學科的專業(yè)知識交叉情況[8]。李長玲等通過E-I指數(shù)對情報學、圖書館學、計算機科學、科學學、管理學5個學科之間的交叉程度進行分析[9]。endprint

在國外研究中，關于學科交叉的概念最初是“跨學科”，它是在discipline（學科、訓練）的形容詞disciplinary的基礎上加前綴inter構成。1926年哥倫比亞大學著名心理學家吳多士（R. S. Woodorth）最早公開使用“跨學科”一詞，他認為跨學科是幾個學科的集合，要促進不止一個學科的研究與發(fā)展[10]。Morillo F闡述了學科交叉、跨學科和多學科等概念的不同[11]。在關于學科交叉的研究中，Small H通過共引分析驗證和探討了跨學科鏈接的意義[12]。Chang YW引用Zipf定律測定最小努力原則在交叉學科中的影響[13]。Valentin， F等以轉化醫(yī)學為例從微觀層面進行了跨學科的研究[14]。Chen SJ等通過研究得出了跨學科的發(fā)展主要來自于包括從鄰近領域到遙遠的知識領域等多領域中[15]。

綜上所述，學科交叉應是兩個或兩個以上學科由于橫向距離較近或以某個學科為媒介，而在某些方面有共同的研究內容并相互融合產(chǎn)生了交叉，是一個動態(tài)的有機整合過程。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

首先從上述學科交叉釋義的角度出發(fā)，以學科共現(xiàn)和學科與關鍵詞共現(xiàn)為切入點，通過科學計量的方法對數(shù)據(jù)進行篩選與處理，將檢索結果中的Web of Science中的WC學科分類映射到我國的一級學科分類（國務院學位委員會2011年《學位授予和人才培養(yǎng)學科目錄》），再將每一個一級學科對應的若干WC分類精煉后分別下載，得到對應后的每個一級學科的發(fā)文量和每個一級學科下的關鍵詞及詞頻，然后利用UCINET軟件對數(shù)據(jù)分別進行中心性分析與交叉網(wǎng)絡的繪制，展現(xiàn)出學科之間如何進行交叉，進而得出直升機研究中學科交叉的主題。以學科為出發(fā)點對直升機研究進行分析是本次研究的創(chuàng)新之處。

數(shù)據(jù)來源于Web of Science TM核心合集數(shù)據(jù)庫，在檢索過程分別使用過直升機、直升機科學與技術、直升機與機翼、直升機和直升機螺旋機翼和螺旋主軸等關鍵詞進行檢索，其中直升機科學與技術、直升機與機翼作為檢索詞時，數(shù)據(jù)中會包含一些與直升機無關的噪音數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)的對比分析后，并向領域專家咨詢，最后使用關鍵詞直升機和直升機獨有的四翼、三翼、雙翼等螺旋機翼和螺旋主軸作為檢索詞，在Web of Science TM核心合集高級檢索中輸入檢索式ts=（helicopters or copters or （helicopters and（quad-rotors or three rotor wings or two rotor wings or rotor spindle））） and cu=（Peoples R China）進行檢索，經(jīng)過篩選過濾掉無關文獻后共得到我國直升機領域的論文1377篇，檢索日期為2017年3月13日。

3 發(fā)文視角下的學科交叉

3.1 外部學科總體分布

由于直升機領域的研究具有高度綜合性，一篇英文文獻可能對應多個不同領域的WC學科類別。數(shù)據(jù)中1377篇論文分別屬于100個WC分類，將大多數(shù)的WC劃分為我國的一級學科，以便于理解學科的屬性。通過統(tǒng)計分析，100個WC對應歸屬到我國55個一級學科下（部分學科見表1，一些發(fā)文量較少的學科限于篇幅未展示）。

通過發(fā)文數(shù)量可以看出，控制科學與工程、電氣電子工程、計算機科學與技術、機械工程和航天科學與技術等學科存在交叉現(xiàn)象，而由具體的WC類別來看，物理學科下的多學科物理（Physics， Multidisciplinary）與學科工程（Engineering， Multidisciplinary）存在交叉，物理、原子、分子和化學（Physics， Atomic， Molecular & Chemical）與化學（Chemistry）存在交叉。此外，直升機領域中還包含了管理學、臨床醫(yī)學、生物學、公共衛(wèi)生與預防醫(yī)學、特種醫(yī)學、教育學等學科，這是由于在直升機飛行路徑規(guī)劃中涉及運籌學，且直升機應用于各類搶險救援。也與一些高校開設了與直升機相關的課程（例如西北工業(yè)大學的飛行器設計學）等有關。在一些發(fā)文量較少的學科類別中，往往由于直升機技術在某些具體方面的具體應用而致，例如《Remote sensing application to grassland monitoring》一文中涉及了動物科學、作物科學、生態(tài)學三個學科，這是由于在草原監(jiān)測中有動物和作物研究，同時還涉及生態(tài)問題，文中使用直升機攜帶窄帶帶通濾波器對草原進行監(jiān)測，這也屬于直升機的一種應用。

3.2 中心性分析

中心性是一個重要的個人結構位置指針，評價一個人重要與否，衡量他/她的職務的地位優(yōu)越性或特權性，以及社會聲望等常用這一指針。在學科交叉中，借用中心性這一指標可以分析各個學科在整個學科交叉的網(wǎng)絡中的地位，以及不同學科相互之間的聯(lián)系緊密程度。

中介性是衡量一個人作為媒介者的能力，也就是占據(jù)在其他兩人快捷方式上重要位置的人，他拒絕媒介，這兩人就無法溝通，占據(jù)這樣的位置愈多，就愈代表它具有很高的中介性，愈多的人發(fā)生聯(lián)絡就必須要經(jīng)過他。具體到學科交叉方面就是中介中心度可以衡量基于學科交叉網(wǎng)絡中，任意學科對網(wǎng)絡內其他學科相互間知識吸收和傳播效率的影響力[16]。

在UCINET中，選擇Network→Centrality→Betweenness，得到學科共現(xiàn)之間的中介性分析結果（部分結果如圖1所示）。中間中心度超過100的學科有3個，分別是計算機科學與工程、電子電氣工程、測繪。這說明在學科之間的相互聯(lián)系中，這3個學科是重要媒介，各個小團體之間和小團體內部的聯(lián)系很大程度上都需要依賴這3個學科。

接近中心性是以距離為概念來計算一個節(jié)點的中心程度，衡量了某節(jié)點到網(wǎng)絡中其他所有節(jié)點的最短距離之和，與別人距離越近則中心性越高，值越??；與別人距離越遠則中心性越低，值越大。其中兩點的距離即是兩點之間的最短路徑的長度。如果一個節(jié)點與網(wǎng)絡中所有其它節(jié)點的距離都很短，就稱該點為整個網(wǎng)絡的整體中心點。在網(wǎng)絡中，這樣的節(jié)點與許多其它節(jié)點都“接近”[17]。在學科交叉中，接近中心度越高，學科之間的距離越近，學科之間重疊的領域越大，學科之間的交叉內容越多，即如前面在學科交叉定義中描述的那樣，學科之間的交叉程度越高。endprint

在UCINET中，選擇Network→Centrality→closeness，得到的接近中心性分析部分結果如圖2所示。計算機科學與技術、電子電氣工程、機械工程等三個學科的接近中心度最低，說明這三個學科與其他學科的距離更近，是整個網(wǎng)絡結構中的核心部分，與其他學科之間的交叉內容也更多。

通過中間中心度和接近中心度的分析可以看出計算機科學與技術和電子電氣工程在直升機研究的學科交叉中占據(jù)重要地位。

3.3 學科共現(xiàn)視角下的交叉分析

共現(xiàn)分析是利用共同出現(xiàn)的特征項之間的關聯(lián)程度揭示出它們之間的關系，通過學科共現(xiàn)分析可以得出學科之間的交叉關系和關于直升機研究中的重要學科。按照前面研究方法與數(shù)據(jù)來源中所述的方法，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到學科共現(xiàn)矩陣，并將矩陣導入UCINET中并使用netdraw繪圖，選擇閾值為1，并點擊analysis→centrality measures→betweenness，properties→lines→size→tie strength，得到學科交叉共現(xiàn)圖（如圖3所示）。

圖中紅色節(jié)點代表各個學科，節(jié)點大小代表該節(jié)點對學科之間相互聯(lián)系的影響力的大小，學科之間相互聯(lián)系需要通過該節(jié)點的學科數(shù)目越多則該學科的節(jié)點就越大。節(jié)點之間的連線的粗細由共現(xiàn)強度決定，如兩個學科之間的連線較粗，則兩個學科之間的共現(xiàn)強度較高。在核心部分，電子電氣工程和控制科學與工程之間的連線最粗，則這兩個學科之間的共現(xiàn)強度最高。機械工程和電子電氣工程兩個學科的節(jié)點最大，即與兩個學科存在學科共現(xiàn)的其他學科數(shù)量最多。在邊緣部分，學科不僅節(jié)點較小且連線較細，說明這些學科與其他學科不僅共現(xiàn)少而且共現(xiàn)強度低。整個學科交叉共現(xiàn)圖中雖然交叉關系比較復雜，但還是可以看出電子電氣工程、機械工程占據(jù)重要地位。

在圖中還可以看出，核心部分既是其他學科之間相互聯(lián)系和產(chǎn)生交叉的媒介，也是與學科之間產(chǎn)生交叉的重要領域和研究內容。在整個網(wǎng)絡中，除核心部分外，邊緣部分雖有交叉，但總體較少，大部分交叉都是與核心部分的交叉，或者通過核心部分作為媒介而產(chǎn)生的交叉。就具體學科看，核心部分多是計算機科學與技術、電子電氣工程、機械工程、力學、控制科學與工程等工學學科，這也是由于直升機本身就屬于一個工業(yè)發(fā)展的產(chǎn)品所致。而邊緣上的一些學科多為數(shù)學、地球物理學、地理學、生態(tài)學等一些社科類和理學學科，這種學科分布的原因與直升機在一些軍事與民生上的應用有關。從核心到邊緣，學科種類從工學變?yōu)樯缈祁悓W科和理學學科，正體現(xiàn)了直升機從內部技術到外部應用的一個漸進發(fā)展過程，涉及直升機技術的學科是整個網(wǎng)絡結構的核心，而外部應用是技術發(fā)展體現(xiàn)的價值，是外延拓展部分，故在圖中就呈現(xiàn)出以工學為核心，社科類學科和理學學科分散分布的網(wǎng)絡結構。

由于圖3中的學科交叉的網(wǎng)絡比較復雜，故使用Jaccard系數(shù)對學科共現(xiàn)矩陣進行標準化后再使用netdraw繪圖。使用Jaccard系數(shù)標準化不僅可以比較數(shù)據(jù)中的相似性，去除一些重復數(shù)據(jù)，方便計算學科交叉之間的距離，便于數(shù)據(jù)分析，還可以使學科交叉共現(xiàn)分析圖中的聚類效果更加明顯[18]。將標準化后的矩陣導入UCINET中并使用netdraw繪圖，選擇閾值為0.07，并點擊analysis→centrality measures→betweenness，properties→lines→size→tie strength，得到學科交叉共現(xiàn)圖（如圖4所示）。

圖4中總共存在8個小團體，整體聚類效果明顯，比較大的團體有A和B這2個，同時對比前面的發(fā)文量也可以發(fā)現(xiàn)團體A和B是最主要的小團體。在團體A中，從學科的角度來看，控制科學與工程、計算機科學與技術、管理科學與工程三個節(jié)點是主要節(jié)點，且控制科學與工程和電子電氣工程之間連線最粗，即這2個學科之間的交叉最多，聯(lián)系最密切。從它們的交叉內容來看，電子電氣工程和控制科學與工程主要交叉在魯棒控制、姿態(tài)控制、自適應控制、飛行控制等4個方面，而計算機科學與技術、控制科學與工程2個學科和管理科學與工程主要交叉在魯棒控制、姿態(tài)控制、自適應控制等3個方面。通過學科和交叉內容可以明顯看出控制科學與工程占據(jù)重要地位，無論是學科之間的交叉還是交叉產(chǎn)生的內容都是圍繞控制為核心而展開。在團體B中，從學科角度來看，機械工程、航天科學與技術占據(jù)主要地位，地球物理學和圖像科學與技術交叉最為密切。從交叉內容來看，機械工程和航天科學與技術主要交叉在自適應控制、飛行控制、數(shù)值模擬等方面，而整個團體B主要交叉在自適應控制方面。在其他小團體中，雖然發(fā)文量較少，但也存在交叉程度較高的現(xiàn)象，如團體G連線也較粗，這是由于海洋科學和船舶與海洋工程2個學科在發(fā)表的為數(shù)不多的論文中都是同時存在的，故兩者的交叉程度很高。

綜上所述，在直升機方面的研究中，計算機科學與技術、管理科學與工程、控制科學與工程、電子電氣工程、機械工程、航天科學與技術等學科占據(jù)重要地位，從交叉內容來看，各個團體中都在控制方面有所交叉，故控制科學與工程是直升機研究中的核心學科，是推動直升機技術發(fā)展的關鍵。以控制科學與工程為核心，同時結合計算機科學與技術、管理科學與工程、電子電氣工程、機械工程、航天科學與技術等學科在控制等方面的技術發(fā)展與研究，是推動直升機快速發(fā)展的正確途徑。

4 學科與關鍵詞共現(xiàn)視角下的交叉分析

關鍵詞作為論文的重要組成部分，可以呈現(xiàn)學術論文的核心理念。通常，我們可以通過對某一領域文章的關鍵詞共現(xiàn)分析來實現(xiàn)對某一領域文章的深入分析[19]。在前面的學科分布表中可以看到每一個學科對應若干個WC，將每一個一級學科下對應的WC分類進行精煉后并下載，得到55個一級學科下的對應的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過數(shù)據(jù)的篩選與處理后得到55個一級學科下不同關鍵詞的詞頻和所有學科與所有關鍵詞的對應關系，然后構建學科與關鍵詞共現(xiàn)矩陣，通過繪制共現(xiàn)網(wǎng)絡來展現(xiàn)直升機研究中不同技術方法、熱點問題與各個學科之間相互關系的強弱，體現(xiàn)學科交叉中的特點與內容。endprint

部分學科的不同關鍵詞詞頻如表2所示。

每個學科對應的關鍵詞詞頻有所不同，在此設定2為關鍵詞詞頻的閾值，忽略詞頻低于2的關鍵詞。并且為了突出學科與關鍵詞共現(xiàn)下的主題，刪除掉了檢索式中包含的主要關鍵詞Helicopter， Unmanned helicopter， Helicopters， Quadrotor， Rotor， Rotors。通過表中可以看出魯棒控制（robust control）， 姿態(tài)控制（attitude control）， 自適應控制（adaptive Control）， 飛行控制（flight control）等關鍵詞在各個學科中都占有相當大的比例。

為進一步探究學科與關鍵詞之間的關系，在UCINET中使用netdraw繪制出學科與關鍵詞共現(xiàn)的網(wǎng)絡結構圖，閾值設定為2，節(jié)點之間連線的粗細由連接強度決定，連線越粗，表明相互之間的聯(lián)系越密切，也就代表了學科與關鍵詞共現(xiàn)下的主題，即學科交叉的內容。結果如圖5所示。

其中藍色方形節(jié)點代表學科，紅色圓形節(jié)點代表關鍵詞。首先，通過網(wǎng)絡結構圖體現(xiàn)了學科之間的交叉，展現(xiàn)了學科交叉的具體內容。其次，可以明顯看出計算機科學與技術、控制科學與工程、電子電氣工程是核心學科，機械工程學科也占據(jù)一定的地位。而在學科與關鍵詞共現(xiàn)的主題中，魯棒控制（robust control）、姿態(tài)控制（attitude control）、自適應控制（adaptive control）占據(jù)主要地位，飛行控制（flight control）占據(jù)重要地位，這與前面分析呈現(xiàn)的結果一致。另外，從關鍵詞詞頻來看，計算機科學與技術、控制科學與工程、電子電氣工程三個學科和邊緣的學科關聯(lián)到的關鍵詞詞頻完全處在2個不同的層級上，也進一步驗證了在直升機研究的學科交叉網(wǎng)絡結構中，計算機科學與技術、控制科學與工程、電子電氣工程是核心學科。然而圖中一些邊緣的關鍵詞表面看似不是學科與關鍵詞共現(xiàn)下的主題（例如H—infinity 控制理論），但他們與三大核心學科都有一定的聯(lián)系，這就說明他們正是直升機領域新興的主題，有可能就是未來發(fā)展的方向。

5 結論與不足

本文運用科學計量和社會網(wǎng)絡分析方法，以Web of Science TM核心合集數(shù)據(jù)庫中的論文型文獻為研究對象，從發(fā)文的學科共現(xiàn)和學科與關鍵詞共現(xiàn)兩個角度對直升機研究的學科交叉進行了研究。利用社會網(wǎng)絡分析方法對我國直升機研究進行探究，繪制出學科共現(xiàn)網(wǎng)絡結構圖和學科與關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡結構圖，展現(xiàn)了不同學科、不同主題對直升機發(fā)展的影響力，以及它們之間的相互關系，可為推動我國直升機技術的發(fā)展和科技政策的制定提供參考。

研究發(fā)現(xiàn)，我國直升機研究的學科交叉呈現(xiàn)如下特點：

第一，從學科共現(xiàn)的角度來看，直升機研究的學科交叉中，計算機科學與技術、管理科學與工程、控制科學與工程、電子電氣工程、機械工程、航天科學與技術等學科占據(jù)重要地位，其中控制科學與工程又是這些學科的核心。

第二，從學科與關鍵詞共現(xiàn)的角度來看，學科之間交叉的主題主要集中在控制方面（魯棒控制、姿態(tài)控制、自適應控制、飛行控制）。

第三，從總體來看，直升機研究要以控制方面為主，然后結合學科各自的特色對控制理論與方法加以細化并豐富其內容，尤其是魯棒控制、姿態(tài)控制、自適應控制、飛行控制等4個方面，并將之應用到直升機制造與技術中以推動直升機的快速發(fā)展。

上述交叉特點的啟示是，未來可以圍繞計算機科學與技術、控制科學與工程、電子電氣工程等核心學科同時兼顧其他關聯(lián)學科，并以控制理論與方法為突破點來推動直升機的研究與發(fā)展，以達到《中國制造2025》所提出的目標，為我國邁入世界直升機大國的行列打下堅實的基礎。

本研究不足之處體現(xiàn)如下。第一，在我國學科分類體系中，電氣工程與電子科學與技術均屬于一級學科，Web of Science卻將其劃分在同一學科類別下。這一差異對電氣電子工程的分析造成一定影響，數(shù)據(jù)上會有所出入，也無法對電氣、電子兩學科進行單獨分析。第二，由于涉密等因素限制，一些直升機技術無法收集到詳實數(shù)據(jù)，故而Web of Science數(shù)據(jù)庫中的文獻分類能否代表整個直升機研究現(xiàn)狀有待研究；第三，在數(shù)據(jù)清洗過程中，盡管有部分領域專家介入，但問題的復雜性難免影響解讀的深度。

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（編輯：張萌）endprint