隧道火災(zāi)研究的知識圖譜分析

周 雨 汪金輝副教授 張少剛

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

0 引言

隧道是埋置于地層內(nèi)的工程建筑物，是人類利用地下空間的一種形式，可分為交通隧道、水工隧道、市政隧道、礦山隧道[1]。近年來，隧道工程在建設(shè)規(guī)模與數(shù)量上大幅增加，隧道火災(zāi)事故發(fā)生的頻率也在增加[2-3]。根據(jù)統(tǒng)計資料顯示，隧道火災(zāi)的發(fā)生頻率為10-17次/(億車·km)[4]。從上世紀(jì) 60 年代開始，國外學(xué)者開始了對隧道火災(zāi)的研究工作[5]，我國的隧道火災(zāi)研究雖起步較晚，但發(fā)展速度較快[6-8]。伴隨著國際隧道協(xié)會(International Tunneling Association)、國際道路協(xié)會(World Road Association)、荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織(Netherlands Organization for Applied Scientific Research)、瑞典國家檢測研究所(Swedish National Testing and Research Institute)、地下交通設(shè)施研究協(xié)會(Research Association for Underground Transportation Facilities)等協(xié)會的成立，國內(nèi)外學(xué)者和科研工作者在隧道火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律、隧道煙氣蔓延、數(shù)值模擬、隧道通風(fēng)、隧道火災(zāi)救援與疏散等方面取得了豐富的成果[9-15]，但是很少有學(xué)者研究隧道火災(zāi)科學(xué)的整體格局，對隧道火災(zāi)長期積淀的成果沒有進(jìn)行全面分析。因此，為了客觀了解當(dāng)前隧道火災(zāi)研究的概況，有必要開展隧道火災(zāi)研究的知識圖譜分析工作。

為了研究某學(xué)科的發(fā)展情況，國內(nèi)外很多學(xué)者采用可視化軟件對該學(xué)科開展了知識圖譜繪制，如李杰等[16-17]以《Safety Science》期刊數(shù)據(jù)為例進(jìn)行了安全科學(xué)知識圖譜的初步研究，并且繪制了CNKI數(shù)據(jù)庫中有關(guān)安全科學(xué)與工程的碩博學(xué)位論文的知識圖譜；文宏[18]基于CNKI數(shù)據(jù)庫，利用科學(xué)計量軟件CiteSpace構(gòu)建了災(zāi)害管理的知識圖譜；王春雪等[19]以CNKI數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用CiteSpace軟件對我國火災(zāi)探測研究現(xiàn)狀開展了可視化分析；索曉等[20]以《Fire Safety Journal》1980-2013年發(fā)表的論文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用CiteSpaceⅢ和VOSviewer對火災(zāi)科學(xué)進(jìn)行全面可視化分析；Jin R等[21]以Scopus數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用VOSviewer軟件對建筑安全進(jìn)行了可視化研究?，F(xiàn)階段，對于系統(tǒng)梳理國內(nèi)外隧道火災(zāi)的研究內(nèi)容、熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢的綜述極少。本文以Web of Science核心合集和CNKI數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，利用VOSviewer技術(shù)，繪制隧道火災(zāi)領(lǐng)域研究的知識圖譜。通過分析數(shù)據(jù)庫中文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)、作者合作網(wǎng)絡(luò)及國家發(fā)文量，以可視化的方式展現(xiàn)隧道火災(zāi)領(lǐng)域主題的整體分布和時序演變，明確該領(lǐng)域的主要研究人員及合作關(guān)系，探究該領(lǐng)域的研究在全球的活躍地區(qū)，以期為隧道火災(zāi)的后續(xù)研究提供參考和理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

本文基于Web of Science 核心合集和CNKI數(shù)據(jù)庫中的期刊論文，時間跨度為2000-2018年，分別以“Tunnel Fire”和“隧道火災(zāi)”作為關(guān)鍵詞進(jìn)行相關(guān)論文檢索[22-23]。獲取的論文數(shù)量分別為453篇和1250篇，并在記錄輸出中以全記錄形式導(dǎo)出，形成文本文件[24-25]。本文采用的VOSviewer是荷蘭萊頓大學(xué)Van Eck與Waltman研發(fā)的一個構(gòu)建可視化計量網(wǎng)絡(luò)的軟件工具[26]。

發(fā)文量是衡量一個學(xué)科或研究領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r的重要指標(biāo)[16]，在隧道火災(zāi)研究方面，Web of Science核心合集和CNKI數(shù)據(jù)庫中的期刊論文發(fā)表量，如圖1。2000-2005是國際上隧道火災(zāi)研究的萌芽階段，該階段論文的年產(chǎn)出不足10篇。2006-2015是緩慢增長時期，發(fā)文量在2013年首次突破30篇。2016-2018年，國外隧道火災(zāi)論文呈線性增長趨勢。國內(nèi)發(fā)文量一直保持較快的增長速度，近期開始有所回落，但仍處于較高水平。總體上看，Web of Science核心合集中收錄的論文數(shù)量低于CNKI，在現(xiàn)階段該領(lǐng)域的研究仍處于較快發(fā)展階段。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果與可視化分析

2.1 主題整體分布與演化

2.1.1 主題整體分布

國際上隧道火災(zāi)研究主題的可視化結(jié)果，如圖2。節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵詞的標(biāo)簽越大，則對應(yīng)關(guān)鍵詞的詞頻越高[18]。從圖2的結(jié)果來看，國際上隧道火災(zāi)的研究內(nèi)容主要集中在Longitudinal Ventilation(縱向通風(fēng))、Natural Ventilation(自然通風(fēng))、Simulation(數(shù)值模擬)、Flow Velocity(運(yùn)動速度)、Ceiling Extraction(頂棚排煙)、Behavior(行為)、Safety(安全)、Blockage(阻塞物的影響物)、Burning Rate(燃燒速率)、Smoke Temperature(煙氣溫度)、Smoke Movement(煙氣流動)、CFD(計算流體動力學(xué))等方面，這些高頻主題組成了國際隧道火災(zāi)研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。從關(guān)鍵詞類團(tuán)分布來看，國際隧道火災(zāi)3大核心主題是Simulation(數(shù)值模擬)、Tunnel Ventilation Temperature and Smoke(隧道通風(fēng)、溫度與煙氣)、Tunnel Fire Safety(隧道火災(zāi)安全)。其中Simulation(數(shù)值模擬)研究主題中，核心關(guān)鍵詞包括Model(模型)、Velocity(速度)、Flow(流動)、Ventilation(通風(fēng))、Smoke Temperature(煙氣溫度)、Smoke Movement(煙氣流動)、CFD(計算流體動力學(xué))、FDS(火災(zāi)動力學(xué)模擬)、Gases(氣體)、Plume(羽流)等；Tunnel Ventilation Temperature and Smoke(隧道通風(fēng)、溫度與煙氣)研究主題中，核心關(guān)鍵詞是Longitudinal Ventilation(縱向通風(fēng))、Natural Ventilation(自然通風(fēng))、Ceiling Extraction(頂棚排煙)、Blockage(阻塞物)、Vertical Shaft(豎井)、Critical Velocity(臨界速度)、Gas Temperature(氣體溫度)、Maximum Temperature(最大溫度)、Burning Rate(燃燒速率)、Heat Release Rate(熱釋放速率)、Smoke Movement(煙氣流動)、Smoke Layer(煙氣層)、Maximum Smoke Temperature(最大煙氣溫度)等。Tunnel Fire Safety(隧道火災(zāi)安全)研究主題中，核心關(guān)鍵詞包括System Tests(系統(tǒng)測試)、Behavior(行為)、Safety(安全)、Concrete(混凝土)、Fire Safety(火災(zāi)安全)、High-temperature(高溫)、Evacuation(疏散)、Accident(事故)、Risk(風(fēng)險)、Impact(影響)、Water Mist(細(xì)水霧)等。

國內(nèi)隧道火災(zāi)研究主題的可視化結(jié)果，如圖3。研究內(nèi)容主要集中在公路隧道、地鐵隧道、數(shù)值模擬、人員疏散、隧道工程、臨界風(fēng)速、火災(zāi)報警、消防設(shè)計、安全疏散、溫度場、滅火救援、自然通風(fēng)、縱向通風(fēng)等方面。從關(guān)鍵詞類團(tuán)分布來看，國內(nèi)研究的核心主題是數(shù)值模擬、隧道救援與疏散、隧道的消防滅火、火災(zāi)探測報警、隧道結(jié)構(gòu)。其中數(shù)值模擬研究主題中，核心關(guān)鍵詞包括模型試驗(yàn)、CFD、FDS、場模擬、煙氣特性、排煙、最高溫度、自然通風(fēng)與縱向通風(fēng)。隧道救援與疏散的核心關(guān)鍵詞是滅火與防災(zāi)救援、火災(zāi)事故、預(yù)防措施、排煙系統(tǒng)、火災(zāi)通風(fēng)、監(jiān)控、縱向疏散、安全疏散、逃生等。隧道消防滅火的關(guān)注點(diǎn)集中在火災(zāi)撲救、滅火系統(tǒng)、隧道防火、消防技術(shù)、滅火劑、防火與撲救、防災(zāi)減災(zāi)、安全措施、通風(fēng)系統(tǒng)等關(guān)鍵詞?；馂?zāi)探測報警主要集中在火災(zāi)探測器、火災(zāi)報警系統(tǒng)、自動報警系統(tǒng)、火災(zāi)檢測、監(jiān)控系統(tǒng)、響應(yīng)時間、雙波長火災(zāi)探測器、光纖傳感技術(shù)等方面。隧道結(jié)構(gòu)包括了拱頂、襯砌結(jié)構(gòu)、混凝土、電纜等。國內(nèi)外對隧道火災(zāi)研究都集中在火災(zāi)模擬方面，不同之處是如下兩點(diǎn)：在火災(zāi)模擬方面，國際上開展的研究趨向于火災(zāi)特征與規(guī)律預(yù)測，國內(nèi)則是運(yùn)用模擬軟件進(jìn)行模擬；相比于國際而言，國內(nèi)在縱向通風(fēng)和自然通風(fēng)方面的研究略顯不足，但是國內(nèi)更偏重于工程應(yīng)用的研究，如隧道救援與疏散、火災(zāi)探測報警、隧道結(jié)構(gòu)等方面。

2.1.2 主題演化分析

將2000-2018年隧道火災(zāi)的論文數(shù)據(jù)分為2000-2005年、2006-2010年、2011-2015年以及2016-2018年4個階段。依次對4個階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵詞分析，得出國內(nèi)外的隧道火災(zāi)主題演變情況，如圖4、圖5。在2000-2005階段國際研究主題集中在數(shù)值模擬、隧道火災(zāi)安全方面；2006-2010年在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了FDS、湍流、回流層現(xiàn)象的研究，在隧道火災(zāi)安全方面注重了對煙氣行為、公共汽車、生命安全、決策制定的研究，新增研究熱點(diǎn)是自然通風(fēng)、臨界速度、煙氣溫度、煙氣分布、煙氣測試等；2011-2015年風(fēng)險、疏散、人員行為、虛擬現(xiàn)實(shí)、事故、疏散速度、緊急疏散、疏散模型、風(fēng)險感知成為熱門的研究話題；2016-2018由于時間跨度較短，研究熱點(diǎn)沒有突出的變化。國內(nèi)在2000-2005年的研究主題是數(shù)值模擬、隧道救援與疏散、隧道的消防滅火；2006-2010年火災(zāi)探測報警成為新增加的主題，并且隧道結(jié)構(gòu)開始被關(guān)注；2011-2015年開展的研究中新的突出主題是排煙(包括集中排煙、排煙量、排煙效果、單向排煙和排煙閥)，數(shù)值模擬方面新增對煙氣運(yùn)動、排煙、溫度、大渦模擬的研究，開始關(guān)注隧道的風(fēng)險評估和評價模型，沉管隧道的研究也逐漸顯現(xiàn)。2016-2018年滅火系統(tǒng)和隧道的襯砌結(jié)構(gòu)成為新的研究熱點(diǎn)，火災(zāi)探測報警主題中新增自動滅火系統(tǒng)和低壓細(xì)水霧滅火。整體上看國內(nèi)研究主題演變略快于國外，且趨于多樣化。

圖5 隧道火災(zāi)的主題演變(2000-2018年)(CNKI期刊論文)Fig.5 The theme evolution of tunnel fire(2000-2018)(CNKI Journal Article)

2.2 作者分析

國際上作者之間的合作網(wǎng)絡(luò)圖譜，如圖6。節(jié)點(diǎn)的大小表示作者發(fā)文量的多少，顏色的變化代表作者近些年的活躍程度[26]。國際隧道火災(zāi)研究中高產(chǎn)的作者依次是Ji Jie(28篇)、Ingason Haukur(25篇)、Li Yingzhen(22篇)、Fan C.G.(14篇)、Hu L.H.(14篇)、Sun J.H.(12篇)、Cheng Xuedong(12篇)、Gao Z.H.(10篇)等，近些年較為活躍的作者是Zhang Shaogang、Zhou Yang、Fan Chuangang、Guo Xinxin、Wang Jie、Zhang Zijian等。國際上從事該領(lǐng)域的主要科研團(tuán)隊(duì)有：Cheng Xuedong、Zhang Shaogang、Zhang Heping、Wang Jie和Yao Yongzheng團(tuán)隊(duì)，Ingason Haukur和Lonnermark Anders團(tuán)隊(duì)，Ji Jie、Sun Jinhua和Li Kaiyuan團(tuán)隊(duì)、Jiang Juncheng、Wu Fan和Guo Xinxin團(tuán)隊(duì)，Hu Longhua、Ding Huang、ZhangYuchuan和Sun Qiang團(tuán)隊(duì)等。

國內(nèi)作者的合作網(wǎng)絡(luò)圖譜，如圖7。國內(nèi)高產(chǎn)作者主要有徐志勝(35篇)、彭立敏(27篇)、閆治國(25篇)、姜學(xué)鵬(23篇)、楊其新(23篇)、楊高尚(21篇)、安永林(21篇)等。近期較為活躍的作者是石曉龍、李國輝、王濤、王子云和梁天水等。國內(nèi)主要的科研團(tuán)隊(duì)有：徐志勝、姜學(xué)鵬、吳德興團(tuán)隊(duì)，胡隆華、彭偉、霍然團(tuán)隊(duì)，楊其新、王明年、于麗團(tuán)隊(duì)，閆治國、張培紅、田野團(tuán)隊(duì)，馮煉、李炎鋒、王婉娣團(tuán)隊(duì)，茅靳豐、蔣軍成、王彥富、胡彥杰團(tuán)隊(duì)。

圖6 隧道火災(zāi)研究的作者合作網(wǎng)絡(luò)(2000-2018年) (WoS)Fig.6 Cooperative network of authors of tunnel fire research (2000-2018)(WoS)

2.3 國家發(fā)文量統(tǒng)計分析

國家發(fā)文量統(tǒng)計，如圖8，圖中圓圈的大小代表發(fā)文量多少，可以很直觀的看出隧道火災(zāi)研究在全球

的分布情況，大部分國家都位于歐洲。在該領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)大小的國家依次是中國(Peoples R Chin)、澳大利亞(Australia)、美國(USA)、加拿大(Canada)和瑞士(Sweden)，這些國家為滿足自身運(yùn)輸?shù)男枨螅夹藿舜罅康乃淼?，對隧道火?zāi)開展的研究較多。

圖7 隧道火災(zāi)研究的作者合作網(wǎng)絡(luò)(2000-2018年) (CNKI期刊論文)Fig.7 Cooperative network of authors of tunnel fire research (2000-2018年)(CNKI Journal Article)

圖8 隧道火災(zāi)研究的國家發(fā)文量統(tǒng)計(2000-2018年) (WoS)Fig.8 Issued papers of tunnel fire research in different countries (2000-2018年)(WoS)

3 結(jié)論

(1)從隧道火災(zāi)的發(fā)文量來看，隧道火災(zāi)科學(xué)作為一門交叉學(xué)科仍處于較快發(fā)展階段。主題的整體分布表明，國際上隧道火災(zāi)研究的3大核心主題是Simulation(數(shù)值模擬)、Tunnel Ventilation Temperature and Smoke(隧道通風(fēng)、溫度與煙氣)、Tunnel Fire Safety(隧道火災(zāi)安全)。國內(nèi)研究的核心主題是數(shù)值模擬、隧道救援與疏散、隧道的消防滅火、火災(zāi)探測報警、隧道結(jié)構(gòu)。國際上開展的研究趨向于火災(zāi)特征與規(guī)律預(yù)測，國內(nèi)更偏重于工程應(yīng)用的研究。由主題演化分析得到，國內(nèi)研究主題演變略快于國外，研究內(nèi)容更趨于多樣化。

(2)通過分析作者之間的合作網(wǎng)絡(luò)圖譜得出，國內(nèi)外高產(chǎn)的作者有Ji Jie、Ingason Haukur、Li Yingzhen、徐志勝和彭立敏，近些年較為活躍的作者是Zhang Shaogang、Zhou Yang、石曉龍和李國輝。從事隧道火災(zāi)領(lǐng)域研究的主要團(tuán)隊(duì)是Cheng Xuedong、Zhang Shaogang、Zhang Heping、Wang，Jie、Yao Yongzheng團(tuán)隊(duì)和徐志勝、姜學(xué)鵬、吳德興團(tuán)隊(duì)。

(3)國家發(fā)文量的統(tǒng)計來看，開展隧道火災(zāi)研究的國家多位于歐洲，中國(Peoples R Chin)、澳大利亞(Australia)、美國(USA)、加拿大(Canada)和瑞士(Sweden)等發(fā)文量較多。

需要提及的是由于時間和精力有限，本文研究的時間跨度為2000-2018，選取的文章來源是Web of Science核心合集和CNKI數(shù)據(jù)庫的論文，在條件允許的情況下可擴(kuò)展時間區(qū)間，并擴(kuò)展隧道火災(zāi)(Tunnel Fire)之外的主題詞，進(jìn)行更大范圍的相關(guān)文獻(xiàn)分析。