高速鐵路軌道工程的研究熱點(diǎn)與演化路徑分析

蔡超勛 鄭俊巍 楊笛晗 謝洪濤

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京100081；2.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明650500；3.昆明理工大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院，昆明650093

近年來我國高速鐵路快速發(fā)展，通過引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新，掌握了高速鐵路CRTSⅠ、CRTSⅡ型板式及雙塊式無砟軌道設(shè)計(jì)、工程材料、建造技術(shù)等成套技術(shù)，自主研發(fā)了CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)及配套扣件，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無砟軌道成套技術(shù)體系，并應(yīng)用于印尼雅萬高速鐵路。

與此同時(shí)，高速鐵路軌道工程技術(shù)的研究也呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，成為高速鐵路領(lǐng)域中的學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)。對(duì)高速鐵路軌道工程中學(xué)術(shù)群體和合作關(guān)系、研究熱點(diǎn)與其演化規(guī)律進(jìn)行深入剖析，有助于厘清高速鐵路軌道工程的研究脈絡(luò)。因此，本文以2010—2020年高速鐵路軌道工程領(lǐng)域中英文期刊論文為樣本，采用文獻(xiàn)計(jì)量與知識(shí)圖譜方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)上述問題展開研究，探究高速鐵路軌道工程近10年的研究熱點(diǎn)與演化路徑。研究結(jié)果可為高速鐵路軌道工程領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究提供參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法與分析工具

本文運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量的方法對(duì)檢索的有效文獻(xiàn)題錄數(shù)據(jù)展開分析，繪制與解讀知識(shí)圖譜結(jié)果。文獻(xiàn)計(jì)量就是運(yùn)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)知識(shí)對(duì)某一研究領(lǐng)域進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)分析，從而揭示研究領(lǐng)域分布與發(fā)展的宏觀規(guī)律，并預(yù)測(cè)其研究前沿［1］。知識(shí)圖譜是一種基于網(wǎng)絡(luò)的可視化技術(shù)，通過引文分析、共被引分析、共詞分析等技術(shù)顯示某一研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)、動(dòng)態(tài)與圖景［2］。目前可用于文獻(xiàn)計(jì)量和繪制知識(shí)圖譜的工具有很多，本文使用CiteSpace軟件作為主要的分析工具，展開研究機(jī)構(gòu)的合作分析，以表征研究機(jī)構(gòu)的合作關(guān)系，同時(shí)通過關(guān)鍵詞共現(xiàn)和聚類分析探究研究熱點(diǎn)，最后結(jié)合關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析研究領(lǐng)域的前沿變遷過程。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文統(tǒng)計(jì)的英文數(shù)據(jù)以Web of Science核心合集為數(shù)據(jù)庫，對(duì)文章標(biāo)題（TI）中包含“high-speed rail*”或“high speed rail*”和“track”的文獻(xiàn)進(jìn)行搜索，確定檢索式為TI=（high speed rail*or high-speed rail*and track*），共檢索到2010—2020年文獻(xiàn)147篇，最終剔除重復(fù)的、與高速鐵路軌道不相關(guān)及會(huì)議論文文獻(xiàn)等，得到與高速鐵路軌道相關(guān)的英文文獻(xiàn)139篇。

本文統(tǒng)計(jì)的中文數(shù)據(jù)來源主要來自中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫，同樣以篇名中包含“高速鐵路”或“高鐵”且包含“軌道”進(jìn)行組合搜索，限定文獻(xiàn)來源為EI來源、核心期刊、CSCD數(shù)據(jù)庫，初步得到2010—2020年文獻(xiàn)388篇。經(jīng)篩選與剔除重復(fù)的、實(shí)際內(nèi)容與高速鐵路軌道不符的文獻(xiàn)，且去除會(huì)議摘要、綜述、述評(píng)等不相關(guān)的文獻(xiàn)，最終得到與高速鐵路軌道相關(guān)的中文文獻(xiàn)373篇。

2 高速鐵路軌道工程領(lǐng)域論文數(shù)量及分布

2.1 學(xué)術(shù)論文發(fā)表趨勢(shì)

2010—2020年國內(nèi)外期刊高速鐵路軌道研究領(lǐng)域發(fā)表論文趨勢(shì)見圖1。可知，2010—2020年中文期刊關(guān)于高速鐵路軌道的研究持續(xù)穩(wěn)定在30～40篇∕年；國際期刊關(guān)于高速鐵路軌道的相關(guān)研究在2017年以前的發(fā)表數(shù)量低于10篇∕年，在2017年以后有了較快增長(zhǎng)，主要體現(xiàn)為中國學(xué)者在國際期刊發(fā)文數(shù)量快速增長(zhǎng)，至2020年仍在持續(xù)增加，說明中國學(xué)者已經(jīng)成為高速鐵路軌道工程領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的核心力量。

圖1 2010—2020年國內(nèi)外期刊高速鐵路軌道研究領(lǐng)域發(fā)表論文趨勢(shì)

2.2 研究機(jī)構(gòu)合作與分布

機(jī)構(gòu)之間的合作與交流，有利于推動(dòng)研究的深入。本文針對(duì)高速鐵路軌道相關(guān)的中英文文獻(xiàn)分別展開研究機(jī)構(gòu)的合作關(guān)系分析，得到高速鐵路軌道領(lǐng)域中的科研合作網(wǎng)絡(luò)，見圖2。在高速鐵路軌道研究領(lǐng)域，就中文文獻(xiàn)而言，西南交通大學(xué)、中南大學(xué)和北京交通大學(xué)三所高校均具有較高的發(fā)文量。除高校之外，一些實(shí)驗(yàn)室與科研機(jī)構(gòu)在高速鐵路軌道研究領(lǐng)域具有顯著的影響力。在英文文獻(xiàn)中，高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室（National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction）發(fā)文量排名第四；在中文文獻(xiàn)中，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司與中國國家鐵路集團(tuán)有限公司分別排名第二與第五。

圖2 高速鐵路軌道研究機(jī)構(gòu)的合作網(wǎng)絡(luò)

中心度反映了節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度及關(guān)鍵位置［3］。其中，西南交通大學(xué)、中南大學(xué)具有較高的中心度，說明西南交通大學(xué)、中南大學(xué)在高速鐵路軌道研究的合作與交流較為突出，且大多與其他高校展開合作。中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司在中文文獻(xiàn)中的中心度同樣較高（0.21），主要與鐵路相關(guān)的各單位展開合作，如中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院、中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司等?？梢?，近10年來，在高速鐵路軌道研究領(lǐng)域，研究機(jī)構(gòu)主要集中于中國，學(xué)術(shù)合作也集中于中國各大高校或科研機(jī)構(gòu)之間。

2.3 國際合作與分布

以高速鐵路軌道英文文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，運(yùn)用R程序繪制合作地理視圖，見圖3。顏色深淺代表發(fā)表數(shù)量的多少，紅色曲線代表各國之間的合作關(guān)系。其中中國發(fā)表高速鐵路軌道的文獻(xiàn)數(shù)量最多，為103篇。美國9篇，伊朗4篇，英國3篇。中國與美國、加拿大、英國等國家的學(xué)者之間存在合作關(guān)系。在英文文獻(xiàn)中被引次數(shù)較多的國家有中國（被引786次），葡萄牙（124次）、美國（73次）、西班牙（37次）。由此可見，中國學(xué)者在高速鐵路軌道研究領(lǐng)域具有較高程度的影響力，在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

圖3 高速鐵路軌道研究領(lǐng)域的合作地理視圖

3 高速鐵路軌道工程技術(shù)研究熱點(diǎn)

研究熱點(diǎn)是指某一時(shí)期內(nèi)學(xué)者們共同關(guān)注的主題、議題或焦點(diǎn)［3］。關(guān)鍵詞是對(duì)研究主題的高度性概括，其頻次反映了這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［4］。通過對(duì)高速鐵路軌道中英文文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析及聚類分析，可以呈現(xiàn)高速鐵路軌道工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及相應(yīng)知識(shí)結(jié)構(gòu)。

3.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

高速鐵路軌道研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)見圖4。

圖4 高速鐵路軌道研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖

由圖4可見：

1）在中文文獻(xiàn)高速鐵路軌道研究中，無砟軌道、不平順性、板式無砟軌道、路基、動(dòng)力響應(yīng)等關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次均在10次以上，其中無砟軌道與不平順性的中介中心性較高，體現(xiàn)了其在國內(nèi)高速鐵路軌道研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵地位。這表明在國內(nèi)高速鐵路軌道研究領(lǐng)域中，針對(duì)高速鐵路無砟軌道的研究最多，如針對(duì)CRTSⅡ型和CRTSⅢ型無砟軌道的研究、雙塊式或板式無砟軌道的研究等。針對(duì)高速鐵路軌道不平順性的研究居其次，如基于軌道不平順的動(dòng)力響應(yīng)問題、軌道控制網(wǎng)測(cè)量問題、軌道平順性評(píng)價(jià)等。

2）在英文文獻(xiàn)高速鐵路軌道研究中，train（列車）、ground vibration（地面振動(dòng)）、slab track（板式軌道）、load（荷載）等關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次較高，且performance（性能）、ground vibration（地面振動(dòng)）、behavior（行為）、system（系統(tǒng)）等關(guān)鍵詞的中介中心性較高，體現(xiàn)了國際上高速鐵路軌道研究領(lǐng)域側(cè)重高速鐵路軌道的動(dòng)力性能、振動(dòng)影響、動(dòng)力響應(yīng)行為等方面的研究，尤其是關(guān)于地震影響模型、動(dòng)力響應(yīng)、性能變化、車輛荷載影響等方面的研究。

3.2 關(guān)鍵詞聚類分析

運(yùn)用CiteSpace軟件對(duì)高速鐵路軌道研究進(jìn)行關(guān)鍵詞聚類分析。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)中文文獻(xiàn)關(guān)于高速鐵路軌道研究主要圍繞無砟軌道、不平順性、鐵路橋、路基、有砟軌道等12個(gè)聚類。主題按熱點(diǎn)分為：①高速鐵路無砟軌道，包括無砟軌道、板式無砟軌道、CRTSⅢ型板式無砟軌道、CRTSⅡ型板式無砟軌道等聚類，主要探討板式無砟軌道的動(dòng)力學(xué)特性，CRTSⅠ型［5］、CRTSⅡ型［6-7］、CRTSⅢ型板式無砟軌道［8］的受力性能均有涉及；②軌道不平順性，包括不平順性、軌道隨機(jī)不平順等聚類，主要探討高速鐵路軌道平順性的檢測(cè)［9］、評(píng)估或綜合評(píng)價(jià)［10-11］，以及軌道不平順對(duì)高速列車運(yùn)行的影響［12］；③檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)，包括解析模型、軌道電路、有限元分析、磨耗檢測(cè)等聚類，主要針對(duì)高速鐵路軌道的養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)［13］、檢測(cè)監(jiān)測(cè)方法［14］，以及運(yùn)用有限元方法分析溫度場(chǎng)、高溫問題［15］，對(duì)高速鐵路鋼軌變形的原因解析［16］；④鐵路橋軌系統(tǒng)，包括鐵路橋、路基等聚類，主要探討高速鐵路路基動(dòng)力響應(yīng)［17］，以及不同類型鐵路橋梁對(duì)軌道的影響［18］。

在英文文獻(xiàn)高速鐵路軌道研究中，同樣有針對(duì)ballastless track（無砟軌道）、track irregularities（軌道不平順性）、track-bridge system（橋軌系統(tǒng)）等與國內(nèi)高速鐵路軌道一致的聚類，另外還有curved track（曲線軌道）、high speed train（高速列車）、structural health monitoring（結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)）等聚類。主題按熱點(diǎn)分為：①高速鐵路無砟軌道及不平順性，包括high-speed（高速）、track irregularities（軌道不平順性）、high speed train（高速列車）、ballastless track（無砟軌道）等聚類，如高速列車在無砟軌道上行駛引起的振動(dòng)對(duì)軌道不平順性的影響［19］；②高速鐵路橋軌系統(tǒng)，包括rotation friction damper（旋轉(zhuǎn)摩擦阻尼器）、optimal modulus（最佳模數(shù)）、track-bridge system（橋軌系統(tǒng)）、simple support bridge（簡(jiǎn)支橋梁）等聚類，如對(duì)高速列車、橋梁與軌道之間的相互作用影響展開探討［20］；③軌道檢測(cè)監(jiān)測(cè)，包括track geometry data（軌道幾何數(shù)據(jù)）、computer vision（計(jì)算機(jī)視覺）、structural health monitoring（結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)）等聚類，尤其是探討運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)高速鐵路軌道進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)測(cè)［21］；④軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括curved track（曲線軌道）、model test（模型檢驗(yàn)）、railway optimization（鐵路優(yōu)化）、absolute stress（絕對(duì)應(yīng)力）等聚類，如高速鐵路板式軌道路基性能的改善［22］。

4 研究熱點(diǎn)演化趨勢(shì)分析

研究前沿是研究領(lǐng)域中突然出現(xiàn)或正在發(fā)酵的新研究趨勢(shì)或方向，不同時(shí)期的研究前沿能夠體現(xiàn)研究領(lǐng)域的演進(jìn)路徑。運(yùn)用CiteSpace軟件進(jìn)行“突現(xiàn)詞”檢測(cè)，探究高速鐵路軌道研究前沿及研究路徑。

4.1 中英文文獻(xiàn)中研究熱點(diǎn)的演化趨勢(shì)

關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖譜見圖5。

圖5 高速鐵路軌道中英文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞突現(xiàn)對(duì)比（Top 20）

由圖5可見：

1）中文文獻(xiàn)高速鐵路軌道研究領(lǐng)域得到換填厚度、軌道基準(zhǔn)網(wǎng)、板式無砟軌道、動(dòng)力響應(yīng)等突現(xiàn)詞，依據(jù)突現(xiàn)時(shí)間排列，國內(nèi)高速鐵路軌道研究的突現(xiàn)時(shí)間可分為：①在2010—2012年，軌道基準(zhǔn)網(wǎng)的突現(xiàn)程度為4.49，換填厚度與板式無砟軌道的突現(xiàn)程度也均大于2，可見這些關(guān)鍵詞是這時(shí)期關(guān)注程度較高的研究主題；②2012—2016年，突現(xiàn)程度較高的關(guān)鍵詞有精度評(píng)定、動(dòng)力響應(yīng)、地震反應(yīng)等，尤其是與高速鐵路軌道不平順性相關(guān)的精度評(píng)定的研究受到關(guān)注；③2016—2020年，鐵路橋、試驗(yàn)研究、軌道精調(diào)等關(guān)鍵詞的突現(xiàn)程度均在2以上，可見高速鐵路軌道不平順性的研究仍然在持續(xù)，同時(shí)高速鐵路橋軌系統(tǒng)以及試驗(yàn)研究引起了重視，側(cè)重關(guān)注高速鐵路不同系統(tǒng)之間的相互影響。

2）英文文獻(xiàn)高速鐵路軌道研究領(lǐng)域中關(guān)于train（列車）、dynamic analysis（動(dòng)態(tài)分析）、ground vibration（地面振動(dòng)）等關(guān)鍵詞的關(guān)注度較高，結(jié)合突現(xiàn)時(shí)間可分為：①2010—2014年，train（列車）的突現(xiàn)程度為3.62，dynamic analysis（動(dòng)態(tài)分析）、vibration（振動(dòng)）等關(guān)鍵詞在高速鐵路軌道英文文獻(xiàn)中的突現(xiàn)程度也較高，這一時(shí)期學(xué)者們較為注重高速列車、振動(dòng)與軌道之間的相關(guān)性研究；②2015—2017年，突現(xiàn)程度較高的關(guān)鍵詞有g(shù)round vibration（地面振動(dòng)）、soil medium（巖土介質(zhì)）、wave propagation（波傳播）、critical speed（臨界速度）等，與國內(nèi)高速鐵路軌道研究同樣關(guān)注軌道不平順性的問題，以及振動(dòng)對(duì)軌道的影響：③2018—2020年，track geometry（軌道幾何）、fatigue（疲勞）等關(guān)鍵詞引起關(guān)注，更多地探究高速鐵路軌道檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

4.2 不同機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)對(duì)比

運(yùn)用“突現(xiàn)詞檢測(cè)”技術(shù)對(duì)高速鐵路軌道研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合突現(xiàn)時(shí)間先后，在英文高速鐵路軌道研究相關(guān)文獻(xiàn)中，早期Heriot Watt University關(guān)注新型材料在鐵路軌道中的應(yīng)用［23］。2014—2018年高速鐵路軌道平順性受到Tongji University關(guān)注［19］；對(duì)于高速鐵路軌道與路基系統(tǒng)受到的振動(dòng)影響問題先后引起Zhejiang University和Tongji University的共同關(guān)注［24］；隨后有關(guān)高速鐵路軌道動(dòng)力響應(yīng)的問題引起重視，如橋墩差異沉降、地面分層沉降等引發(fā)的影響［25］。2017—2020年，Iran University of Science and Technology主要關(guān)注環(huán)境對(duì)于高速鐵路軌道運(yùn)行的影響，如飛石、側(cè)向風(fēng)［26］等。Shijiazhuang Tiedao University側(cè)重運(yùn)用不同的先進(jìn)方法對(duì)高速鐵路軌道性能進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估［27］。Southwest Jiaotong University關(guān)注高速鐵路橋軌系統(tǒng)，如地震對(duì)橋軌系統(tǒng)的影響［28］、軌道的檢測(cè)監(jiān)測(cè)方法［29］及軌道的動(dòng)力性能［30］等。

從高速鐵路軌道研究的中文文獻(xiàn)可以看出，早期高校對(duì)于高速鐵路軌道的問題較為關(guān)注，如中南大學(xué)關(guān)注高速鐵路無砟軌道路塹基床的動(dòng)應(yīng)力問題［31］；河海大學(xué)則關(guān)注高速鐵路無砟軌道基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量問題及處理方法［32］；東南大學(xué)更為關(guān)注高速鐵路無砟軌道的結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能、溫度荷載問題［33］；浙江大學(xué)側(cè)重列車移動(dòng)荷載對(duì)于高速鐵路軌道性能的影響［34］。隨著高速鐵路軌道研究的發(fā)展，一些單位從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題出發(fā)展開探討，如中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司探討嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基無砟軌道的設(shè)計(jì)；中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司同樣針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)探討高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)選型問題；中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司（原鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司）則關(guān)注高速鐵路軌道的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，并有針對(duì)性地對(duì)高速鐵路軌道的技術(shù)問題提出解決方案。中國國家鐵路集團(tuán)有限公司關(guān)注路基凍脹對(duì)高速鐵路軌道受力、平順性等的影響，以及高速鐵路鋼軌波磨問題［35］。

5 結(jié)論

本文采用文獻(xiàn)計(jì)量與知識(shí)圖譜方法對(duì)高速鐵路軌道工程領(lǐng)域2010—2020年間的中英文學(xué)術(shù)論文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到如下結(jié)論：

1）目前我國學(xué)者已經(jīng)成為高速鐵路軌道工程領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的核心力量，中國學(xué)者在高速鐵路軌道工程研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

2）近10年高速鐵路軌道工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要包括：高速鐵路無砟軌道及不平順性、高速鐵路橋軌系統(tǒng)、軌道檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)、軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。研究熱點(diǎn)演化趨勢(shì)分析表明：橋軌系統(tǒng)、軌道疲勞與損傷是最近3年的研究熱點(diǎn)，而試驗(yàn)研究與數(shù)值分析是該領(lǐng)域當(dāng)前主要的研究方法。