中國智慧水利研究知識圖譜分析

劉宇軒 ，位 濤 ，劉仲秋

（1. 山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院，山東 泰安 271000；2. 黃河口水文水資源勘測局，山東 東營 257000）

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，水利呈現(xiàn)出網(wǎng)絡化、智能化和交互性的發(fā)展趨勢。智慧水利便是依托互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算及 3S 等技術(shù)手段，實現(xiàn)水利信息的采集、存儲、管理、應用、共享的標準化及智能化水利應用管理平臺[1]。目前，智慧水利在我國工程管理[2]、洪水預報[3]、引水供水[4]等方面已取得積極成效，提高了水利治理能力的現(xiàn)代化水平。2020 年水利部出臺《智慧水利總體方案》，并在全國范圍開展智慧水利先行先試工作[5]，學界因此出現(xiàn)了智慧水利研究的高潮。為系統(tǒng)梳理近年來中國智慧水利研究進展和熱點剖析，基于 CiteSpace.5.7.R5 軟件分析 2010—2020 年中國智慧水利領域的歷史演變和研究熱點，以期為智慧水利的發(fā)展提供一定的研究方向。

CiteSpace 軟件是目前學者普遍采用的文獻計量分析軟件，借助知識圖譜的形式，全面展現(xiàn)某一領域的研究進展和熱點[6]。本研究以“智慧 + 水利”作為主題詞進行檢索，統(tǒng)計了 2010—2020 年收錄在中國知網(wǎng)（CNKI）上的所有中文期刊與碩博論文，并剔除作者信息不全、關鍵詞缺失、主題明顯不相關的文獻，最終得到 974 篇有效文獻，包含期刊論文 843 篇與碩博論文 131 篇。借助 CiteSpace.5.7.R5 軟件，生成知識圖譜，用以研究中國智慧水利發(fā)展演變。同時本研究結(jié)合了水利部相關文件、重大會議等內(nèi)容，以更為全面地分析我國智慧水利發(fā)展現(xiàn)狀。

1 知識圖譜結(jié)果與分析

1.1 文獻發(fā)表總數(shù)分析

本研究統(tǒng)計了 974 篇有效文獻的時間分布關系，2010—2020 年歷年智慧水利研究文獻發(fā)文量趨勢圖如圖1 所示。2010 年以來我國智慧水利相關文獻發(fā)文量整體呈上升趨勢，經(jīng)過 2010—2012 年和 2013—2016 年 2 個穩(wěn)固發(fā)展階段后，自 2017 年以來，進入快車道，2020 年年發(fā)文量達到 299 篇，是 2016 年的 6.4 倍；同時在相關文件和重大會議方面，2017—2020 年與智慧水利有關的會議共計 17 次，而 2010—2017 有關智慧水利的會議只有 5 次。通過梳理 2017—2020 年相關文獻和重大會議內(nèi)容表明：2017 年以來的快速增長階段，與 2017 年水利部部長陳雷 2 次召開重大會議強調(diào)“要加大水利科技創(chuàng)新力度，積極推進智慧水利建設，以水利信息化帶動水利現(xiàn)代化[7]”，以及 2017 年發(fā)布的《2017 中國水利發(fā)展報告》中關于深化水利改革發(fā)展，加強水利發(fā)展前景的預測[8]等內(nèi)容有關，促進了我國智慧水利研究的爆發(fā)式增長。

圖1 2010—2020 年歷年智慧水利研究文獻發(fā)文數(shù)量趨勢圖

1.2 關鍵詞共現(xiàn)分析

通過關鍵詞可以反映該領域內(nèi)的熱點問題及演進方向。利用 CiteSpace 軟件生成的關鍵詞知識圖譜如圖2 所示，按頻次排序的前 20 項關鍵詞信息如表1 所示。

圖2 中每個十字節(jié)點代表1 個關鍵詞，節(jié)點越大，表示該關鍵詞出現(xiàn)的頻次越高。2010—2020 年智慧水利領域內(nèi)研究熱點主要集中在智慧水利、水利信息化、物聯(lián)網(wǎng)、智慧水務等方面，同時這幾個關鍵詞的頻次均在 40 次以上，且中介中心度均大于 0.1，因此可以反映近年來智慧水利領域研究的核心熱點問題。進一步概括智慧水利領域相關的關鍵詞可知：1）智慧水利的中介中心度最高，與之相關的關鍵詞有水利現(xiàn)代化、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等，解釋了智慧水利運用了物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代的信息通信技術(shù)[9]；2）與智慧水利相關的關鍵詞還表現(xiàn)在感知、共享、智能、管理等方面，這反映了智慧水利的特征表現(xiàn)在感知全面化、互聯(lián)泛在化、數(shù)據(jù)規(guī)范化、共享實時化、應用智能化和服務社會化等方面[10]；3）河長制、湖長制、高質(zhì)量發(fā)展、水利改革發(fā)展等關鍵詞反映了國家政策在智慧水利發(fā)展中起到的關鍵作用。

表1 關鍵詞頻次和中介中心度

圖2 智慧水利關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡知識圖譜

1.3 關鍵詞聚類分析

為進一步研究智慧水利領域的研究熱點，展示研究領域的分布情況，利用 CiteSpace 軟件進行關鍵詞聚類分析，并按照聚類大小提取前 10 項聚類網(wǎng)絡，聚類知識圖譜如圖3 所示，聚類網(wǎng)絡信息如表2 所示。同時聚類圖譜的模塊值（Modularity Q）為 0.87，大于 0.3，說明劃分出來的聚類結(jié)構(gòu)是顯著的，表2 中各項聚類平均輪廓值（Silhouette 值）均大于 0.7，說明聚類合理[11]。

表2 關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡聚類表

圖3 智慧水利研究關鍵詞聚類知識圖譜

根據(jù)得到的 10 項聚類結(jié)果及模塊中的主要關鍵詞，對智慧水利領域的研究熱點進行歸納，現(xiàn)有研究主要包含以下幾類：

1）智慧水利的技術(shù)路線。2020 年全國水利工作會議提出“充分運用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能、5G、BIM、電子簽章、區(qū)塊鏈等技術(shù)，推動信息技術(shù)與水利業(yè)務深度融合[12]”，從頂層設計上提出有關智慧水利的技術(shù)路線，這也一直是學者研究的重點方向。智慧水利的技術(shù)路線主要由聚類 0“大數(shù)據(jù)”、聚類 2“水利工程”、聚類 4“區(qū)塊鏈”組成。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、BIM 等技術(shù)的逐漸完善和普及，利用何種信息技術(shù)與水利工程結(jié)合，進而簡化水利樞紐的管理難度一直是研究的熱點。趙然杭等[13]認為智慧水利是以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、虛擬現(xiàn)實、智慧模型等為代表的新信息技術(shù)，融合數(shù)據(jù)采集、分析、決策、控制、反饋等信息流程為一體，實現(xiàn)自主生存、思考、應對、學習的面向水利應用的規(guī)模信息生態(tài)系統(tǒng)；王雪松[14]認為智慧水利就是利用信息化、智能化、數(shù)據(jù)化幫助傳統(tǒng)水利邁向現(xiàn)代化水利的一個過程；蔡陽[15]認為智慧水利旨在應用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)對水利對象及活動的透徹感知、全面互聯(lián)、智能應用與泛在服務，從而促進水治理體系和能力現(xiàn)代化；王超鋒等[16]認為智慧水利是由物聯(lián)網(wǎng)設備、各類通信網(wǎng)絡和現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)成的水利網(wǎng)絡信息服務環(huán)境。

2）智慧水利的應用方向。智慧水利的應用方向也是學者研究的熱點，由聚類 3“智慧水務”、聚類 5“數(shù)字水利”、聚類 7“水利水電”、聚類 9“智慧城市”組成。2019 年水利部部長鄂竟平指出“要將工作重心轉(zhuǎn)到水利工程補短板，水利工程強監(jiān)管上來，重點補好防洪工程、供水工程、生態(tài)修復工程、信息化工程等方面的短板，加強對江河湖泊、水資源、水利工程、水土保持、水利資金、行政事務工作的監(jiān)管?！苯陙?，部分學者圍繞補短板與強監(jiān)管，將智慧水利與水利工程管理、洪水預報等方面相結(jié)合，并取得一定的成效。羅朝傳等[17]設計了一套智慧灌區(qū)管理系統(tǒng)，通過引入物聯(lián)網(wǎng)、云平臺和人工智能等技術(shù)促進了灌區(qū)水資源的合理配置，保障了灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展；郭曉寧[18]在 BIM 技術(shù)應用的基礎上，應用物聯(lián)網(wǎng)、GIS 及“互聯(lián)網(wǎng) +”等技術(shù)，建立了涔天河智慧水庫管理平臺，提高了庫區(qū)的現(xiàn)代化、智能化水平；陳勝等[19]通過合成語音技術(shù)播報洪水預警信息，將危險區(qū)的預警與防汛責任人和應急響應措施自動關聯(lián)，實現(xiàn)業(yè)務一體化、自動化，從而更好地服務于小流域的防洪減災實際工作；黃強等[20]通過建立水利大數(shù)據(jù)中心和應用智能計算技術(shù)，提高了洪水預報、供水調(diào)度、水質(zhì)污染等方面的科學預判水平，構(gòu)建了智慧城市建設的基礎。2017 年水利部提出“為推進數(shù)字水利向智慧水利轉(zhuǎn)變，要積極推進水利行業(yè)智慧水務、智慧水利建設。”江西省和太湖流域管理局積極探索，在智慧水務方面取得積極成效，構(gòu)建了江西智慧水利和智慧太湖體系。

3）智慧水利的發(fā)展要求。在習近平總書記提出的“節(jié)水優(yōu)先，空間均衡，系統(tǒng)治理，兩手發(fā)力”的治水思路下，2020 年全國水利工作會議提出“要落實大數(shù)據(jù)共治共享任務，啟動國家水利大數(shù)據(jù)中心和水利部綜合監(jiān)管平臺建設，建立信息資源協(xié)同共享與更新機制，實施國家水文數(shù)據(jù)庫建設”的發(fā)展要求。 唐慧慈等[21]通過建立智慧河湖長信息平臺，實現(xiàn)了防汛抗旱、水資源管理、水政執(zhí)法、農(nóng)村供水等水利信息系統(tǒng)資源及數(shù)據(jù)整合共享，達到“直觀展示、實時監(jiān)視、協(xié)同理事、智能考核、安全好用”的總體目標；部分機構(gòu)和學者從新時代水利改革發(fā)展的要求出發(fā)，圍繞“保護與發(fā)展”“水利現(xiàn)代化”等方面進行研究。智慧水利的發(fā)展要求主要由聚類 1“風景園林”、聚類 6“高質(zhì)量發(fā)展”、聚類 8“水利行業(yè)”組成。方子杰等[22]認為通過加快推進覆蓋防汛抗旱、水資源管理、農(nóng)村水利、水土保持、大壩安全監(jiān)測、河湖管理等全方位全過程的智慧水利建設，可以提升行業(yè)強監(jiān)管能力，推動新時代水利高質(zhì)量發(fā)展。

1.4 智慧水利研究熱點演進

為進一步研究智慧水利領域內(nèi)研究熱點隨時間變化的動態(tài)演進，運用 CiteSpace 軟件構(gòu)建智慧水利領域關鍵詞時間線視圖，2010—2020 年中國智慧水利領域內(nèi)前 10 個聚類的演進過程如圖4 所示。

圖4 智慧水利研究關鍵詞時間線視圖

根據(jù)關鍵詞時間線視圖，2010—2020 年智慧水利演進過程可大致劃分為以下 3 個研究階段：

1）2010—2011 年是我國智慧水利研究的起步階段。在 2010 年之前，智慧水利領域研究主要集中在大數(shù)據(jù)、水利工程、高質(zhì)量發(fā)展、水利水電等主題方面。2011 年，中央一號文件《中共中央 國務院關于加快水利改革發(fā)展的決定》的頒布，要求“強化水利科技支撐，推進水利信息化建設，提高水資源調(diào)控、水利管理和工程運行的信息化水平，以水利信息化帶動水利現(xiàn)代化”[23]，帶來了云計算、物聯(lián)網(wǎng)等在數(shù)字水利方面的應用探索?？傮w上看，在這一階段，我國智慧水利研究方向主要以信息技術(shù)與水利工程的結(jié)合為主。

2）2012—2016 年是我國智慧水利穩(wěn)步前進的階段。隨著我國云計算、物聯(lián)網(wǎng)、4G 技術(shù)的廣泛應用，大數(shù)據(jù)在這一階段研究最為活躍，并影響著其他關鍵詞的演進。同時“十六字”治水方針的頒布加快了智慧水務發(fā)展，這一階段主要圍繞水資源管理和體系構(gòu)建方向開展研究。

3）2017 年至今是我國智慧水利研究的爆發(fā)階段。在這一階段我國提出了一系列推動智慧水利快速發(fā)展的要求。2017 年中央經(jīng)濟工作會議要求“積極開展智慧水利建設，引領和帶動水利現(xiàn)代化發(fā)展”，2018 年出臺的《加快推進新時代水利現(xiàn)代化的指導意見》要求“全方位推進智慧水利建設，建設全要素動態(tài)感知的水利監(jiān)測體系、高速泛在的水利信息網(wǎng)絡、高度集成的水利大數(shù)據(jù)中心，大幅提升水利信息化、智能化水平”[24]，催生了如區(qū)塊鏈、智慧工程、安全監(jiān)測等新興的研究熱點。同時《關于全面推行河長制的意見》頒布，要求“加強水資源保護，落實最嚴格水資源管理制度，嚴守水資源開發(fā)利用控制；加強水環(huán)境治理，實現(xiàn)河湖環(huán)境整潔優(yōu)美、水清岸綠”[25]，使得河（湖）長制及水利風景區(qū)成為研究熱點，并推動新時代水利發(fā)展改革進程。綜合來看，在這一階段各項關鍵詞聚類都得到了較快的演進，我國關于智慧水利的研究探討進入快車道。

2 結(jié)語

本研究基于 CiteSpace 軟件，對 2010—2020 年中國知網(wǎng)上有關智慧水利領域的中文期刊與碩博論文進行了梳理，并結(jié)合相關的政策、會議要求等進行分析，得出以下主要結(jié)論：

1）2010—2020 年中國智慧水利的研究熱點主要集中在智慧水利、水利信息化、物聯(lián)網(wǎng)、智慧水務等方面，反映了智慧水利的內(nèi)涵和特征。同時河長制、湖長制、高質(zhì)量發(fā)展、水利改革發(fā)展等關鍵詞也反映了國家政策在智慧水利的發(fā)展中起到關鍵作用。

2）2010—2020 年中國智慧水利的研究方向主要劃分為智慧水利的技術(shù)路線、應用方向和發(fā)展要求。智慧水利的技術(shù)路線一直是最核心的研究方向，時刻影響著智慧水利領域各個方向的演變。而新時代水利發(fā)展改革和高質(zhì)量發(fā)展的要求，使得河長制、水安全保障研究熱度逐漸升高，利用智慧水利監(jiān)測系統(tǒng)提高水資源管理水平，強化水利行業(yè)監(jiān)管，打好節(jié)水攻堅戰(zhàn)，維護水生態(tài)文明，實現(xiàn)水資源高質(zhì)量發(fā)展，成為新階段水利發(fā)展的要求。

3）2010—2020 年中國智慧水利的研究大致分為起步、穩(wěn)步前進、快速演進 3 個階段。未來隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，水資源管理要求不斷提高，如何將先進信息技術(shù)融入水利工程管理，并優(yōu)化管理效率，提高智慧化水平仍將是智慧水利發(fā)展的核心問題。

雖然借助 CiteSpace 軟件可以梳理 2010—2020 年中國智慧水利歷史演變過程和研究熱點，為相關學者提供一定的研究思路，但由于 CiteSpace 軟件無法確切反映關鍵詞的內(nèi)在聯(lián)系和預測研究方向，有關智慧水利的未來研究趨勢仍需進一步完善。