灰色系統(tǒng)在工程科技領(lǐng)域的應(yīng)用分析：基于SATI和CiteSpace文獻計量

陶良彥，劉玉陽

（1.南京航空航天大學(xué) 灰色系統(tǒng)研究所，江蘇 南京 211106；2.南京航空航天大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院，江蘇 南京 211106）

一、引言

由鄧聚龍教授創(chuàng)立的灰色系統(tǒng)理論（GST）40年來，其理論、方法、模型在經(jīng)濟管理、工程技術(shù)和自然科學(xué)眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了積極的推動作用，如農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域［1-3］，信息科技領(lǐng)域［4-6］，基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域［7-8］，經(jīng)濟與管理領(lǐng)域［9-11］。

工程科技涉及石油天然氣工業(yè)，材料力學(xué)，礦業(yè)工程，船舶工業(yè)，水利水電工程等多學(xué)科多領(lǐng)域，是推動經(jīng)濟社會發(fā)展的主要力量。工程科技實踐中存在大量“貧信息”不確定性系統(tǒng)，為灰色系統(tǒng)理論提供了豐富的研究資源和廣闊的發(fā)展空間。本課題聚焦灰色系統(tǒng)理論在工程科技領(lǐng)域的應(yīng)用，旨在通過計量分析系統(tǒng)地梳理灰色系統(tǒng)理論在該領(lǐng)域的知識結(jié)構(gòu)和發(fā)展脈絡(luò)，識別趨勢和潛在研究方向。

二、數(shù)據(jù)來源及方法

1.數(shù)據(jù)來源

本文文獻數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)（CNKI）工程科技I輯和工程科技II輯的學(xué)術(shù)期刊數(shù)據(jù)庫，其中工程科技I輯包括化學(xué)、無機化工、有機化工、燃料化工、一般化學(xué)工業(yè)、石油天然氣工業(yè)、材料力學(xué)、礦業(yè)工程等14個學(xué)科1 037種期刊；工程科技II輯包括汽車工業(yè)、船舶工業(yè)、水利水電工程、建筑科學(xué)與工程、動力工程、核料學(xué)技術(shù)、新能源、電力工業(yè)等15個學(xué)科1 230種期刊。檢索主題為“灰色系統(tǒng)”+“灰色預(yù)測”+“灰色關(guān)聯(lián)”+“灰色決策”+“灰靶”+“灰色模型”+“灰色算子”。選擇數(shù)據(jù)庫為核心庫。設(shè)置檢索時間區(qū)間為1982年1月—2022年8月，經(jīng)過篩選去重后共得到22 422篇文獻。

2.研究方法

由于文獻篇數(shù)較多，本文采用文獻題錄信息統(tǒng)計分析工具（Statistical Analysis Toolkit for Informetrics，以 下 簡 稱SATI）和CiteSpace進 行 分 析。CiteSpace通過基于共現(xiàn)、共引和網(wǎng)絡(luò)算法對相關(guān)領(lǐng)域文獻進行分析，繪制可視化圖譜作為結(jié)果，分析具體的變化過程并探測其進一步發(fā)展趨勢。［12］SATI旨在通過對期刊全文數(shù)據(jù)庫題錄信息的處理，利用一般計量分析、共現(xiàn)分析、聚類分析、多維尺度分析、社會網(wǎng)絡(luò)分析等數(shù)據(jù)分析方法，挖掘和呈現(xiàn)可視化數(shù)據(jù)結(jié)果，揭示研究領(lǐng)域結(jié)構(gòu)的內(nèi)部聯(lián)系及其特征。［13］兩種計量分析軟件功能相近又各具優(yōu)勢，雖然鄭娜等認為CiteSpace具有更強大的功能［14］，但是考略到SATI可以更清晰的呈現(xiàn)出圖譜和對中文文獻更強的適用性，因此本文綜合使用這兩種工具進行分析。本文使用的CiteSpace版本為6.1.R3，SATI版本為Web版SATI 4.0。

三、文獻計量分析

1.發(fā)文趨勢

發(fā)文量以及發(fā)表時間是判斷某研究領(lǐng)域受到關(guān)注度的判斷依據(jù)之一。圖1展示了從1985—2022年的發(fā)文量，其中2022年的1 254篇由中國知網(wǎng)根據(jù)趨勢預(yù)測。

圖1 發(fā)文量時間序列

從圖中可以看出發(fā)文量整體呈現(xiàn)出上升的趨勢，在1982—1990年間，整體處于起步階段，年發(fā)文量低于100篇；1991—2004年間，年發(fā)文量平均在200篇左右；2005—2011年，年發(fā)文量快速增長，6年間發(fā)文量翻了一番；2012—2022年，年發(fā)文量穩(wěn)定在1 100篇以上。

2.科研力量分布

（1）作者

在核心期刊上發(fā)表論文總數(shù)在一定程度上代表了作者在該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)影響力。本文研究主題共涉及2萬余位學(xué)者，其中發(fā)文量排名前20位的高產(chǎn)作者見表1。依據(jù)普萊斯定律：若設(shè)該領(lǐng)域內(nèi)發(fā)文量最多作者的論文數(shù)為nmax，則在該領(lǐng)域發(fā)表［m］（m=nmax/2）以上論文的作者被認為是領(lǐng)域內(nèi)的核心作者。在本研究中nmax=29，m=14.5。所以，在表中排名靠前的13位的作者均屬于普萊斯定律下的高產(chǎn)作者。

表1 作者發(fā)文量排名

同時，我們利用SATI工具對所涉及的作者進行共現(xiàn)圖譜分析，并利用CiteSpace計算出網(wǎng)絡(luò)密度，將分析的結(jié)果去除噪點（即合作關(guān)系較弱的點或沒有合作關(guān)系的點），獲得結(jié)果如圖2所示。圖中的圓表示作者，作者間連線表示合作強度，圓越大表明該作者發(fā)文越多，線越粗表明兩者合作越密切。

圖2 作者合作網(wǎng)絡(luò)

從圖2我們發(fā)現(xiàn)，雖然本次研究涉及了兩萬多篇文章，但能夠形成穩(wěn)定合作關(guān)系的不足100人，且經(jīng)CiteSpace計算出網(wǎng)絡(luò)密度只有0.0011。導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因是本文分析的對象是工程科技領(lǐng)域，涉及主題和作者非常多，因此合作關(guān)系相對稀疏。

圖中最大的網(wǎng)絡(luò)是以華北電力大學(xué)牛東曉教授為核心的13位作者構(gòu)成的合作網(wǎng)絡(luò)，團隊研究主要集中在應(yīng)用灰色預(yù)測模型、灰色關(guān)聯(lián)模型解決電力負荷預(yù)測、電建方案優(yōu)選等方面［15-17］。蘭州交通大學(xué)土木工程王起才教授團隊的研究側(cè)重于將灰色關(guān)聯(lián)分析應(yīng)用于建筑科學(xué)，特別是工程新材料，預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)等新興技術(shù)領(lǐng)域［18-20］。西安石油大學(xué)的宋子齊教授團隊以及中南大學(xué)的陳建宏教授團隊的研究重心分別是石油天然氣工業(yè)［21-22］，礦業(yè)工程［23-24］。

（2）主要研究機構(gòu)

本文研究主題下發(fā)文量排名靠前的10家機構(gòu)見表2，其中華北電力大學(xué)和河海大學(xué)以410和409篇的發(fā)文量遙遙領(lǐng)先，中南大學(xué)、長安大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)分別以333篇、294篇、283篇發(fā)文數(shù)量分列3至5位。

表2 機構(gòu)發(fā)文量排序

利用SATI工具對所涉及的合作機構(gòu)進一步細化并進行共現(xiàn)圖譜分析，去掉噪點后得到機構(gòu)共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（如圖3所示）。

圖3中最大的網(wǎng)絡(luò)是以河海大學(xué)水利水電學(xué)院為中心，包括河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室、中科院大學(xué)、河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心等5所機構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過對該網(wǎng)絡(luò)進一步研究可以發(fā)現(xiàn)河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室在承擔(dān)的973、863、國家科技攻關(guān)計劃、國家科技支撐計劃和國家自然科學(xué)基金重點項目等多項國家重大科研項目研究過程中成功運用灰色系統(tǒng)模型和方法。如吳中如院士關(guān)于大壩服役狀態(tài)及其對環(huán)境危害程度的量化評估研究［25］，郭海慶和吳中如院士等關(guān)于堆石壩變形監(jiān)測的灰色非線性時序組合模型研究［26］，楊杰和吳中如院士等關(guān)于馮家山土石壩豎向位移擬合與預(yù)測的灰色非線性模型研究［27］，崔偉杰和包騰飛關(guān)于小灣拱壩某測點的徑向位移監(jiān)測的研究［28］，鄭雪琴和秦棟關(guān)于陳村大壩變形預(yù)測的研究［29］，巫德斌和徐衛(wèi)亞關(guān)于某水電站壩址附近的馬步坎巖石邊坡變形預(yù)測的研究等［30］。

圖3 機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)

長安大學(xué)和西安建筑科技大學(xué)相關(guān)學(xué)院也能形成相對較大規(guī)模的合作網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過進一步研究發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)中機構(gòu)的研究側(cè)重于將灰色關(guān)聯(lián)度分析和灰色預(yù)測模型應(yīng)用于公路與水路運輸方向，并取得了一系列高水平研究成果。［31］例如，王利將灰色預(yù)測模型應(yīng)用于大壩變形監(jiān)測預(yù)報［32］；姚玉玲結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析建立了路面使用性能綜合評價指標體系［33］；于江霞采用改進的灰色關(guān)聯(lián)度綜合評價方法進行了公路交通適應(yīng)性評價［34］。

此外，對發(fā)文量前10的機構(gòu)利用SATI進行“頻次時間序列（1992—2022年）”分析后可以得到圖4，從圖4中可以發(fā)現(xiàn)2007年以后參與研究的機構(gòu)明顯增加。

圖4 機構(gòu)發(fā)文頻次時間序列（1992-2022年）

3.學(xué)科領(lǐng)域

本研究中樣本文獻涉及最多的10個學(xué)科分布如圖5所示，其中公路與水路運輸最多達到了3 103篇，環(huán)境科學(xué)與資源利用、建筑科學(xué)與工程、電力工業(yè)、礦業(yè)工程，分別以2 962篇、2 837篇、2 414篇、2 099篇緊隨其后，說明灰色系統(tǒng)相關(guān)理論和方法在工程科技領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有較高的研究熱度。

圖5 學(xué)科分布

4.期刊分布

本領(lǐng)域發(fā)文量排名前10的期刊（見表4），其中排名前三的分別是《電力系統(tǒng)保護與控制》《電網(wǎng)技術(shù)》《巖土力學(xué)》。

表3 期刊發(fā)文量排序

為了探究不同期刊的發(fā)文特點，本文繪制了發(fā)文量靠前10種期刊的頻次時間序列圖（如圖6所示），可以發(fā)現(xiàn)從2000年開始發(fā)文量逐漸加大。此外，通過圖1顯示從2011年開始，本領(lǐng)域年發(fā)文量都超過1 000篇，但是圖6顯示發(fā)文量前10的期刊年發(fā)量在5篇左右，這說明工程科技領(lǐng)域灰色系統(tǒng)文獻的分布范圍很廣，未集中在某一批期刊。

圖6 期刊發(fā)文量時間序列

四、關(guān)鍵詞圖譜分析

通過關(guān)鍵詞的簡潔表達，分析關(guān)鍵詞特征，可以窺探研究主題間的聯(lián)系。本研究共包含16 094個關(guān)鍵詞，其中出現(xiàn)頻次最高的10個關(guān)鍵詞見表4，以及部分關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次時間序列圖（如圖7所示）。

從表4可以看出，出現(xiàn)次數(shù)最多的三個關(guān)鍵詞是“灰色關(guān)聯(lián)分析”“灰色理論”“灰色預(yù)測”，說明工程科技領(lǐng)域文獻使用灰色關(guān)聯(lián)和灰色預(yù)測的頻次最多。然而僅從頻次來分析關(guān)鍵詞是不充分的，因此本節(jié)將從關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜，聚類圖譜以及時間線圖譜進一步分析。

1.共現(xiàn)圖譜

本研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜如圖7所示，由于本文涉及關(guān)鍵詞過多，為了突出重點圖中只展示了出現(xiàn)憑此最多的658個關(guān)鍵詞（結(jié)點）以及他們構(gòu)成的1 579條邊，結(jié)點越大表明出現(xiàn)的次數(shù)越多。

此外，為了找出各個關(guān)鍵詞的重要程度，本研究利用CiteSpace計算了各關(guān)鍵詞的中心性（見表5）。中心性大小代表某關(guān)鍵詞在所有關(guān)鍵詞中的地位高低，或者說是與其他關(guān)鍵詞關(guān)聯(lián)的概率。但頻次與中心性并不是一一對應(yīng)的，例如通過對比表4和表5發(fā)現(xiàn)，雖然“灰色系統(tǒng)”出現(xiàn)頻次僅排到了第8位，但其中心性卻僅次于“灰色理論”?！盎疑垲悺鳖l次在前十之外，但中心性卻達到了0.1，位列第8。

表5 關(guān)鍵詞中心性統(tǒng)計

2.聚類圖譜

為了進一步了解本領(lǐng)域的知識結(jié)構(gòu)，本文對圖7的關(guān)鍵詞進行了聚類，結(jié)果如圖8所示，說明研究以這幾個關(guān)鍵詞為中心向外拓展，可以認為這些詞是本領(lǐng)域研究的基石。其中排名前三的類分別為“灰色模型”“灰色聚類”和“灰色系統(tǒng)”。這說明雖然應(yīng)用灰色系統(tǒng)的工程科技領(lǐng)域類別眾多，但是所采用的灰色系統(tǒng)模型、方法較為集中，主要包括灰色關(guān)聯(lián)、預(yù)測、評價和聚類等方法。

圖8 關(guān)鍵詞聚類

五、趨勢分析與研究總結(jié)

1.趨勢分析

本文通過突發(fā)性探測來探索研究趨勢，突發(fā)性探測的基本含義是一個變量的值在短時間內(nèi)逐增，突然變成熱點。通過突發(fā)性探測我們可以發(fā)現(xiàn)某一領(lǐng)城的研究呈現(xiàn)從宏觀到微觀、從單一到多元化的演化趨勢，回顧或預(yù)測哪些關(guān)鍵分支技術(shù)在什么時間段成為了熱點，甚至預(yù)測界些關(guān)鍵校術(shù)能在未來延續(xù)續(xù)爆發(fā)性趨勢。本文展示了前25個突現(xiàn)詞，如圖9所示。橫坐標“Year”表示關(guān)鍵詞出現(xiàn)的年份；“Strength”表示關(guān)鍵詞爆發(fā)強度，值越大強度越高說明該詞影響越大；“Begin”表示爆發(fā)開始年份；“End”表示爆發(fā)結(jié)束年份。圖中深色表示爆發(fā)年份。

圖9 突發(fā)性探測圖示

從突現(xiàn)強度來看“灰色系統(tǒng)”（92）、“熵權(quán)法”（28.08）、“關(guān)聯(lián)度”（17.22）、“組合賦權(quán)”（14.23）、“正交實驗”（13.08）分列前五位，說明這5個方面產(chǎn)生了較大的影響受到了廣泛的關(guān)注。而從持續(xù)時間來看“關(guān)聯(lián)分析”“灰色系統(tǒng)”“關(guān)聯(lián)度”“數(shù)學(xué)模型”“模型”分列前5位，說明這5個方面受到了較長時間的持續(xù)關(guān)注。此外可以看到近期突現(xiàn)的有“組合賦權(quán)”“正交試驗”“碳排放”“壽命預(yù)測”“組合權(quán)重”“熵權(quán)法”等，說明這些因素可能成為未來一段時間的研究熱點。

近年來，大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)融合等新熱點出現(xiàn)，基于小數(shù)據(jù)挖掘的灰色系統(tǒng)方法異軍突起，成為人們從海量工程科技數(shù)據(jù)中獲取有價值信息的有效工具［35］。

2.研究總結(jié)

本文運用CiteSpace 6.1.R3和SATI 4.0兩種文獻計量分析軟件對1982—2022年間CNKI數(shù)據(jù)庫中工程科技I輯和工程科技II輯分類下所收錄的22 422篇有關(guān)灰色系統(tǒng)相關(guān)理論和方法文獻進行了數(shù)據(jù)挖掘和分析。具體內(nèi)容包括：對歷史發(fā)文量進行趨勢分析，宏觀感知了研究熱度變化；對關(guān)鍵作者，關(guān)鍵機構(gòu)進行合作網(wǎng)絡(luò)以及研究方向的分析，分析了研究力量的分布情況和潛力；對關(guān)鍵詞進行多種圖譜分析共現(xiàn)，聚類研究了過去40年的研究熱點和演化過程；最后利用關(guān)鍵詞突顯來研究為分析了灰色系統(tǒng)相關(guān)理論和方法在工程科技領(lǐng)域未來可能的發(fā)展趨勢。

研究發(fā)現(xiàn)：①灰色系統(tǒng)理論在工程科技領(lǐng)域的研究整體呈現(xiàn)快速上升趨勢，2011年至今的年發(fā)文量都在1 000篇以上；②本領(lǐng)域研究學(xué)者人數(shù)高達兩萬多，關(guān)鍵作者、關(guān)鍵機構(gòu)、學(xué)科領(lǐng)域研究表明灰色系統(tǒng)在電力工業(yè)、礦業(yè)工程、公路與水路運輸、礦業(yè)工程等領(lǐng)域的研究者較為集中；③關(guān)鍵詞圖譜分析表明研究熱點包括“灰色關(guān)聯(lián)分析”“灰色理論”“灰色模型”“灰色預(yù)測”“灰色聚類”等，且“灰色模型”“灰色聚類”和“灰色系統(tǒng)”等關(guān)鍵詞是本領(lǐng)域一系列研究的基石；④“組合賦權(quán)”“碳排放”“壽命預(yù)測”“大數(shù)據(jù)”“數(shù)據(jù)融合”等關(guān)鍵主題是未來發(fā)展的潛在熱點。

本文分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)灰色系統(tǒng)在工程科技領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，文獻達到2萬多篇，計量分析的部分聚類和共因效應(yīng)不是十分明顯，未來可以更聚焦于某一細分領(lǐng)域，預(yù)計可獲得更細致的發(fā)現(xiàn)。另外，本文只分析了期刊論文，將來可以深入分析學(xué)位論文應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論情況。