基于知識(shí)圖譜的飛行仿真研究可視化分析*

張 原，李 超，王江南

(海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001)

0 引言

飛行模擬是指根據(jù)飛行器的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，對(duì)飛行器進(jìn)行系統(tǒng)、全面、復(fù)雜的研究和分析的過(guò)程.首先，通過(guò)飛行原理、飛機(jī)性能工程和空氣動(dòng)力學(xué)的基本理論建立模型，其次根據(jù)建立的模型進(jìn)行相關(guān)的模擬試驗(yàn)和研究.飛行仿真研究主要關(guān)注飛機(jī)研發(fā)、制造和運(yùn)行的總周期.分行仿真根據(jù)研究著重點(diǎn)不同和方法差異，分為半實(shí)物仿真、實(shí)物仿真和數(shù)字仿真三種.前兩種仿真方式通過(guò)對(duì)配置一些外接設(shè)備，例如操作桿，方向舵，油門桿，等等，來(lái)構(gòu)造類似于真實(shí)空中飛行的駕駛艙操作環(huán)境，常常用于飛行員的模擬訓(xùn)練和事故征候的分析.數(shù)字仿真主要通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)備建立模型，編寫(xiě)代碼從而實(shí)現(xiàn)飛行模擬仿真的目的，往往用于對(duì)飛機(jī)飛行過(guò)程中的性能分析和改進(jìn)研究.縱觀飛行仿真的發(fā)展進(jìn)程，飛行仿真先后經(jīng)過(guò)了物理仿真、模擬機(jī)仿真、數(shù)字機(jī)仿真、基于圖形工作站的三維可視多媒體交互式仿真和虛擬環(huán)境(VE)與虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)等五個(gè)階段[1].

科學(xué)知識(shí)圖譜常用于研究某一領(lǐng)域知識(shí)發(fā)展過(guò)程和該領(lǐng)域前后發(fā)展知識(shí)之間關(guān)系，一方面可以梳理按照時(shí)間順序的知識(shí)間的聯(lián)系，并以可視化的方式展現(xiàn)出來(lái)，另一方面可以對(duì)所研究領(lǐng)域的研究者和研究機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)系進(jìn)行聚類分析，將大量的期刊文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖的形式展現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)一步的研究期刊作者之間、期刊研究機(jī)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)期刊文獻(xiàn)的可視化分析，從而輔助研究者開(kāi)展該領(lǐng)域的研究工作[2].科學(xué)知識(shí)圖譜隨著深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及人工智能的發(fā)展更加火熱[3]，當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，例如管理科學(xué)[4]、醫(yī)療護(hù)理[5]、新聞教育[6]等領(lǐng)域.

基于CiteSpace V[7]可視化軟件，以中國(guó)知網(wǎng)CNKI上的核心期刊為數(shù)據(jù)源，對(duì)飛行仿真研究領(lǐng)域科學(xué)知識(shí)圖譜進(jìn)行分析.檢索飛行仿真領(lǐng)域近31年(1992—2022年)刊登期刊，分析論文產(chǎn)出時(shí)間圖譜，學(xué)科、作者、機(jī)構(gòu)合作關(guān)系，關(guān)鍵詞突變，等等；通過(guò) CiteSpace V 分析軟件對(duì)飛行仿真研究領(lǐng)域的相關(guān)研究成果關(guān)系、發(fā)展歷程以及各學(xué)科之間的分布狀況進(jìn)行分析，從而對(duì)飛行仿真領(lǐng)域的前沿技術(shù)、核心期刊源進(jìn)行全面的熟悉.

1 飛行仿真研究成果可視化分析

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2022年3月，以“飛行仿真”為主題在CNKI 上檢索最近31年(1992-2022)的文獻(xiàn)，共得到3 065 條文獻(xiàn)，根據(jù)相關(guān)研究表明，大量飛行仿真領(lǐng)域高質(zhì)量論文更多地集中在少數(shù)核心期刊，因此在高級(jí)檢索中，將“SCI 源期刊、EI 源期刊、北京大學(xué)核心期刊、CSSCI、CSCD”列為檢索條件，同時(shí)關(guān)鍵詞選擇精確，得到1 031篇論文.經(jīng)過(guò)濾、剔除無(wú)關(guān)會(huì)議、聲明等無(wú)效數(shù)據(jù)，得到有關(guān)飛行仿真期刊1 013篇.將其導(dǎo)為Refworks文本文件，通過(guò)CiteSpace V對(duì)下載的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整格式，“Time Slicing”選擇分析時(shí)間自1992-2022年，“Years Per Slice”設(shè)為1，選擇“Top N Per Slice”的數(shù)值為50，代表統(tǒng)計(jì)一年時(shí)間段內(nèi)頻數(shù)最高的50個(gè)節(jié)點(diǎn)，并根據(jù) 1992 年至2022年期間的分析繪制研究者和研究機(jī)構(gòu)之間的合作關(guān)系圖譜，從而對(duì)飛行仿真研究領(lǐng)域進(jìn)行深層次、可視化的研究.

1.2 論文產(chǎn)出時(shí)間圖譜

論文產(chǎn)出是衡量某一領(lǐng)域研究成果的數(shù)量和質(zhì)量的重要指標(biāo).將飛行仿真31年的核心期刊論文進(jìn)行時(shí)間圖譜的分析，分析結(jié)果如圖1所示.1992-2002年，我國(guó)飛行仿真研究發(fā)文量較低，均在20篇/年以下，處于我國(guó)飛行仿真領(lǐng)域研究的萌芽期，符合普賴斯曲線緩慢增長(zhǎng)的初級(jí)階段特點(diǎn)；2003-2009年，七年時(shí)間內(nèi)，我國(guó)飛行仿真領(lǐng)域的研究突飛猛進(jìn)，發(fā)文量不斷增多，呈現(xiàn)震蕩增長(zhǎng)趨勢(shì)，并于2009年達(dá)到巔峰，發(fā)文量高達(dá)82篇/年，占總研究成果的7.95%；2010-2017年，八年時(shí)間里，該領(lǐng)域論文發(fā)文量趨于平穩(wěn)，發(fā)文量也大致維持在54篇/年的平均水平，2018-2022年，該領(lǐng)域發(fā)文量呈現(xiàn)小幅下降趨勢(shì).

圖1 1992-2022年飛行仿真研究論文產(chǎn)出時(shí)間圖譜Fig.1 1992-2022 flight simulation research paper output time map

通過(guò)統(tǒng)計(jì)歷年飛行仿真領(lǐng)域的高水平文獻(xiàn)來(lái)源，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明文獻(xiàn)來(lái)源居于前列的分別是《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》(165篇)、《計(jì)算機(jī)仿真》(108篇)、《飛行力學(xué)》(82篇)、《導(dǎo)彈與制導(dǎo)學(xué)報(bào)》(38篇)、《北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)》(37篇)、《航空學(xué)報(bào)》(31篇)、《火力與指揮控制》(30篇)、《電光與控制》(25篇)、《航天控制》(22篇)、《測(cè)控技術(shù)》(21篇).根據(jù)上述分析可以看出，飛行仿真領(lǐng)域居于重要地位的期刊發(fā)文量占比超50 %，說(shuō)明我國(guó)飛行仿真領(lǐng)域已形成了以《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》《計(jì)算機(jī)仿真》和《飛行力學(xué)》為中心的核心期刊群.其中，《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》為核心期刊和CSCD，《計(jì)算機(jī)仿真》和《飛行力學(xué)》為核心期刊.可以看出，由以上三個(gè)期刊組成的核心期刊群可以代表飛行仿真領(lǐng)域研究的最新前沿成果，為從事該領(lǐng)域研究的工作人員提供了重要的方向指導(dǎo).此外，對(duì)《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》、《計(jì)算機(jī)仿真》和《飛行力學(xué)》三個(gè)高水平期刊進(jìn)行時(shí)序分析，結(jié)果如圖2所示.

圖2 飛行仿真領(lǐng)域核心期刊群時(shí)序分析圖Fig.2 Time sequence analysis diagram of core journal groups in the field of flight simulation

由圖2可知，我國(guó)飛行仿真研究成果，《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》期刊于2006年和2009年發(fā)文量達(dá)到峰值，分別是28和29篇.根據(jù)2021年CNKI統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》期刊的復(fù)合影響因子為1.279，綜合影響因子為0.862.《計(jì)算機(jī)仿真》在2017年發(fā)文量達(dá)到峰值，為13篇，《計(jì)算機(jī)仿真》期刊的復(fù)合影響因子為0.757，綜合影響因子為0.589.《飛行力學(xué)》于2008年達(dá)到峰值，為7篇，《飛行力學(xué)》期刊的復(fù)合影響因子為0.738，綜合影響因子為0.541.整體來(lái)看，核心期刊群發(fā)文量最高年度為2009年，達(dá)到40篇，發(fā)文量此高年度為2006年，達(dá)到32篇；而根據(jù)影響因子和發(fā)文數(shù)量來(lái)看，《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》是我國(guó)飛行仿真領(lǐng)域最具權(quán)威性的核心期刊.

1.3 學(xué)科分布

通過(guò)對(duì)飛行仿真領(lǐng)域近30年的研究果分析，對(duì)全部的期刊的所屬學(xué)科進(jìn)行匯總分類，其分類結(jié)果表1所示.其中居于首位的是航空航天科學(xué)與工程方向，該方向文獻(xiàn)數(shù)量為613篇，占全部飛行仿真研究成果的60.51 %；其次是計(jì)算機(jī)軟件及計(jì)算機(jī)應(yīng)用方向成果居于第二位，為313篇，占比為30.90 %；武器工業(yè)與軍事技術(shù)方向數(shù)量為127篇，占比12.54 %；自動(dòng)化技術(shù)方向發(fā)文數(shù)量為105篇，占比10.36 %；安全科學(xué)與災(zāi)害防治方向發(fā)文數(shù)量18 篇，占比1.40 %.

表1 飛行仿真研究成果學(xué)科分布

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析論文創(chuàng)作的基金支持，結(jié)果表明在所檢索的核心期刊中受到國(guó)家自然科學(xué)基金支持的居于首位，數(shù)量為154篇，占比15.20 % ；航空科學(xué)基金支持的期刊數(shù)量為65篇，占比6.42 %；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃支持的期刊數(shù)量為30篇，占比2.96 %.

2 飛行仿真研究合作圖譜分析

2.1 作者合作圖譜

在圖3中，作者節(jié)點(diǎn)之間的連接線粗細(xì)程度表示兩者之間合作次數(shù)，密度為0.02，表明研究者之間的合作較弱.即飛行仿真領(lǐng)域還尚未形成合作密切的關(guān)系網(wǎng).但是，從圖3可以看出，小規(guī)模、小范圍的合作較多，而這些網(wǎng)絡(luò)大多發(fā)生在同院校師生之間的小范圍之間，如中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉偉、劉一鳴等組成的最大關(guān)系網(wǎng)如圖4所示.在飛行仿真領(lǐng)域，該關(guān)系網(wǎng)中的研究者平均產(chǎn)文數(shù)量約為2 篇，研究者之間的合作關(guān)系有17 條.通過(guò)分析表明，我國(guó)飛行仿真領(lǐng)域的研究者該加強(qiáng)相互之間的合作關(guān)系，打破信息孤島，通過(guò)合作促發(fā)展，此外還應(yīng)加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)之間的合作，以前序研究成果為載體，發(fā)展飛行仿真領(lǐng)域相關(guān)研究.

圖3 飛行仿真研究作者合作關(guān)系Fig.3 Cooperative relationship between authors of flight simulation research

圖4 飛行仿真研究作者合作關(guān)系子圖Fig.4 Sub-graph of cooperation relationship between authors of flight simulation research

2.2 機(jī)構(gòu)合作圖譜

機(jī)構(gòu)合作圖譜表征的是某一特定領(lǐng)域中的科研機(jī)構(gòu)的分布以及相互之間的合作關(guān)系，深層次的分析本領(lǐng)域的科研機(jī)構(gòu)，增進(jìn)本領(lǐng)域的研究發(fā)展.通過(guò)CiteSpace V軟件對(duì)1992-2022年的研究者所屬機(jī)構(gòu)進(jìn)行可視化分析，其結(jié)果如圖5所示，其中有537個(gè)節(jié)點(diǎn)，43對(duì)合作關(guān)系，關(guān)系圖密度為0.000 3.

圖5 飛行仿真領(lǐng)域機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Institutional cooperation network in the field of flight simulation

飛行仿真研究領(lǐng)域發(fā)文量居于前5的機(jī)構(gòu)包括中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(32篇)、中國(guó)商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心(31篇)、北航航空科學(xué)與工程學(xué)院(30篇)、國(guó)防科大智能科學(xué)學(xué)院(27篇)、西工大自動(dòng)化學(xué)院(19篇)，上述機(jī)構(gòu)發(fā)文量較多.

2.3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

關(guān)鍵詞是一篇文章內(nèi)容和看法的核心，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析可深層次的研究某領(lǐng)域的本質(zhì)關(guān)系.對(duì)1 013篇核心期刊統(tǒng)計(jì)分析得到關(guān)鍵詞頻次分布，居于前10的分別為：飛行仿真(185次)，仿真(87次)、飛行控制(44 次)、無(wú)人機(jī)(38 次)、飛行模擬(36次)、飛行模擬器(29次)、直升機(jī)(29次)、飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)(25次)、視景仿真(21次)、實(shí)時(shí)仿真(19次)、虛擬仿真(16次).經(jīng)CiteSpace V分析的關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識(shí)圖譜如圖6所示，閾值設(shè)為10.

圖6 飛行仿真領(lǐng)域關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析Fig.6 Keyword co-occurrence analysis in the field of flight simulation

由圖6可以看出，關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析圖節(jié)點(diǎn)數(shù)為759個(gè)，連接線1283條，網(wǎng)絡(luò)密度0.004 5.該圖譜中，字體大小代表關(guān)鍵詞出現(xiàn)次數(shù)多少.根據(jù) CiteSpace的中心度指標(biāo)，從圖譜中可知，關(guān)鍵詞中飛行仿真(0.47)、仿真(0.22)、飛行模擬(0.15)等重要關(guān)鍵詞在該網(wǎng)絡(luò)中起到了樞紐功能.經(jīng)過(guò)分析關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次和每一關(guān)鍵詞的中心度指標(biāo)，上述節(jié)點(diǎn)可看作共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)，表征了飛行仿真領(lǐng)域的主要方向.

2.4 飛行仿真文獻(xiàn)共引分析

表2為被引文獻(xiàn)次數(shù)排名前5的文獻(xiàn)，平均被引用次數(shù)約106次，平均下載次數(shù)1 499次，說(shuō)明該類文獻(xiàn)具有較高的學(xué)習(xí)作用.被引次數(shù)較高的文獻(xiàn)涉及仿真技術(shù)、飛行仿真、飛行視景和實(shí)時(shí)仿真等，文獻(xiàn)均來(lái)源于該領(lǐng)域權(quán)威性的重點(diǎn)期刊.其中，在期刊《宇航學(xué)報(bào)》上，李尚義發(fā)表的《三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)》，被引次數(shù)達(dá)到了130次，在高被引文獻(xiàn)TOP5中占比24.48%，1 016次的下載量，提出的飛行轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案為后續(xù)研究者對(duì)飛行仿真研究工作提供了重要啟發(fā).

表2 飛行仿真研究成果共引分析

2.5 關(guān)鍵詞突變分析

科學(xué)知識(shí)圖譜可以反映研究成果的發(fā)展過(guò)程，通過(guò) CiteSpace V 軟件對(duì)關(guān)鍵詞突變分析掌握當(dāng)下飛行仿真研究領(lǐng)域熱點(diǎn)和前沿動(dòng)態(tài).突變?cè)~分析結(jié)果如圖7所示.突變?cè)~“視景仿真”的突變強(qiáng)度最大，達(dá)到6.02，其突變時(shí)間段為2005-2009年，說(shuō)明該時(shí)間段學(xué)者們集中關(guān)注“虛擬環(huán)境”和“虛擬現(xiàn)實(shí)”階段下的飛行仿真研究；2000年以前，主要圍繞飛行仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究[7]；2000-2005年期間，研究方向主要為直升機(jī)非線性運(yùn)動(dòng)方程分析[8]、飛機(jī)飛行所處三維空間大氣紊流場(chǎng)的研究[9]、軍機(jī)視景仿真的建模優(yōu)化[10]等的研究問(wèn)題上，故在該階段“飛行控制系統(tǒng)”和“視景仿真”突變強(qiáng)度變得較大；2006—2010年，“飛行模擬器”[11]相關(guān)的半實(shí)物或者實(shí)物仿真成為研究熱點(diǎn)，“半實(shí)物仿真”和“飛行模擬器”突變強(qiáng)度達(dá)到4.5以上；2011—2019年，研究熱點(diǎn)又演變?yōu)榻换ナ椒抡骐A段的“飛行試驗(yàn)”[12]、“無(wú)人機(jī)”[13]以及虛擬現(xiàn)實(shí)的“可視化”[14]方向.

圖7 飛行仿真領(lǐng)域關(guān)鍵詞突變分析Fig.7 Keyword mutation analysis in flight simulation field

3 結(jié)論

通過(guò)CiteSpace V對(duì)飛行仿真領(lǐng)域核心期刊進(jìn)行可視化分析，分析結(jié)果有助于幫助該領(lǐng)域研究者把握重點(diǎn)文獻(xiàn)和前沿動(dòng)態(tài).

(1) 我國(guó)飛行仿真研究期刊發(fā)展符合科技文獻(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律，其中航空航天科學(xué)與工程方向論文產(chǎn)出最高，研究成果主要刊載在《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》《計(jì)算機(jī)仿真》和《飛行力學(xué)》上；根據(jù)影響因子和發(fā)文量，《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》是我國(guó)飛行仿真領(lǐng)域最具代表性的期刊.

(2) 作者以萬(wàn)志強(qiáng)、周洲和呂毅等為核心，機(jī)構(gòu)集中于中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心和北京航空航天大學(xué)，且作者、機(jī)構(gòu)之間的關(guān)系較弱.

(3) 飛行仿真，仿真和飛行控制等是該領(lǐng)域的核心關(guān)鍵詞，突變?cè)~“無(wú)人機(jī)”和“可視化”代表當(dāng)前飛行仿真研究的熱點(diǎn)和前沿.