基于文獻(xiàn)計(jì)量的國內(nèi)井下定位研究分析

張情清，王德志，劉 昶，李 威

（1. 華北科技學(xué)院礦山安全學(xué)院，廊坊 065201；2. 華北科技學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廊坊 065201）

0 引言

隨著我國社會的高速發(fā)展，對于礦產(chǎn)資源的需求在不斷增加。雖然我國煤礦的智能化水平越來越高，但是依然無法完全取代人工，仍然需要人員進(jìn)入礦井去工作。但是，煤礦作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜及惡劣，有效保障井下人員及設(shè)備安全、提高生產(chǎn)率是煤礦以及國家都十分重視的問題［1］。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，俄羅斯單個(gè)井下事故造成的人員死亡為0.7 人，而中國2018 年的煤礦安全事故近300 起，造成了近400 人死亡。其中導(dǎo)致人員傷亡的重要原因之一就是礦井的智能化程度較低，無法對礦井中作業(yè)人員進(jìn)行有效定位和監(jiān)控，延誤了救援的時(shí)間，造成了慘痛的人員傷亡［2］。

2016 年修訂的《煤礦安全規(guī)程》指出，煤礦企業(yè)必須建立礦井安全避險(xiǎn)系統(tǒng)，認(rèn)真檢查入井人員的數(shù)量和狀態(tài)，同時(shí)還要對人員的運(yùn)動和位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，充分發(fā)揮系統(tǒng)安全保障作用［3］。

分析國內(nèi)井下定位領(lǐng)域的研究進(jìn)展、研究熱點(diǎn)以及未來的趨勢，對于全面了解井下定位的相關(guān)技術(shù)及其發(fā)展具有重要的意義。此外，還有利于為井下定位的后續(xù)發(fā)展提供參考，為井下人員的精準(zhǔn)定位和減少人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失做出貢獻(xiàn)。

本文利用CiteSpace 對知網(wǎng)CNKI中關(guān)于井下定位研究的相關(guān)文獻(xiàn)分別對作者、機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵詞等進(jìn)行可視化展示并進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對井下定位進(jìn)行研究的作者、團(tuán)隊(duì)以及機(jī)構(gòu)越來越多，但合作較少；射頻識別技術(shù)和超寬帶技術(shù)是井下定位的主要技術(shù)。針對以上發(fā)現(xiàn)的問題，提出合理的建議，以期井下定位在我國的研究水平不斷提高。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

為確保數(shù)據(jù)來源的充分合理，本次研究收集中國知網(wǎng)（CNKI）關(guān)于井下定位的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用高級檢索，以“主題=井下定位”，時(shí)間范圍設(shè)置為“1991-01-01—2022-12-31”，共檢索文獻(xiàn)1250 篇，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，經(jīng)過篩選，去除會議文獻(xiàn)、科技成果、報(bào)紙，以及剔除相關(guān)度較低的文獻(xiàn)，最終得到有效文獻(xiàn)1164篇，檢索時(shí)間為2023年3月14日。

經(jīng)過文獻(xiàn)檢查，發(fā)現(xiàn)有效的文獻(xiàn)發(fā)表時(shí)間為2003—2022 年之間，所以在使用CiteSpace 進(jìn)行文獻(xiàn)可視化時(shí)，將日期設(shè)置為2003-JAN 到2022-DEC。

1.2 研究方法

知識圖譜是近年來新興的用于學(xué)術(shù)科研的工具，在搭建信息網(wǎng)絡(luò)和利用數(shù)據(jù)資源等方面具有十分廣泛的應(yīng)用空間。知識圖譜不僅能定量、客觀、形象、真實(shí)地展示學(xué)科結(jié)構(gòu)，而且還可以把研究熱點(diǎn)、演化路徑以及發(fā)展趨勢更加具體化展現(xiàn)出來［4］。文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)（Bibliometrics）將文獻(xiàn)計(jì)量特征和文獻(xiàn)體系作為研究對象，進(jìn)行定量分析，評價(jià)某個(gè)研究領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和水平，進(jìn)而對未來的發(fā)展趨勢做出預(yù)測［5］。

在知識圖譜的應(yīng)用工具中，CiteSpace 針對文獻(xiàn)的可視化和計(jì)量化分析在科學(xué)統(tǒng)計(jì)方面十分實(shí)用［6］。CiteSpace 是一個(gè)基于Web 的Java 應(yīng)用程序，專注于檢測和分析研究前沿的演變以及作者之間的關(guān)系［7］。它還能被用來捕獲爆發(fā)性的關(guān)鍵字，這些關(guān)鍵字可以被用來研究前沿的預(yù)測因子。

本研究基于科學(xué)文獻(xiàn)計(jì)量的方法，借助CiteSpace 6.1.R6 版本以及Excel 對1164 篇井下定位相關(guān)的有效文獻(xiàn)進(jìn)行知識圖譜的繪制與展示。通過對年度發(fā)文量、作者共現(xiàn)圖、機(jī)構(gòu)共現(xiàn)圖以及關(guān)鍵詞相關(guān)圖分析井下定位領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。

2 發(fā)文數(shù)量分析

根據(jù)發(fā)文數(shù)量隨時(shí)間變化的分布圖可以很直觀地看出不同時(shí)間區(qū)間研究者們對該研究領(lǐng)域的關(guān)注程度。發(fā)文量趨勢分析能夠有效展現(xiàn)一個(gè)研究主題在時(shí)間縱深上的發(fā)展脈絡(luò)，有利于進(jìn)一步把握該研究主題的變化。

經(jīng)過查看與篩選，發(fā)現(xiàn)井下定位有效文獻(xiàn)日期為2003—2022年，所以本文利用Excel對從CNKI 按照時(shí)間區(qū)間2003—2022 年進(jìn)行檢索得到的各年度文獻(xiàn)數(shù)量繪制曲線圖并進(jìn)行分析，以期尋找國內(nèi)井下定位研究發(fā)文數(shù)量變化和時(shí)間的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 2003—2022年年度發(fā)文量

根據(jù)發(fā)文數(shù)量以及曲線的趨勢，可以將發(fā)文量分為三個(gè)階段：

第一階段：2003—2014 上升期，這段時(shí)間是對井下定位研究的快速成長期，越來越多的研究人員和研究團(tuán)隊(duì)涌入，使得井下定位這一領(lǐng)域百花齊放。

第二階段：2014—2016 下降期，這段時(shí)間發(fā)文的數(shù)量明顯減少，但是質(zhì)量和水平卻是在不斷提升。

第三階段：2016—2022 平穩(wěn)期，這段時(shí)間處于平穩(wěn)發(fā)展期，研究人員、研究團(tuán)隊(duì)有了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，研究成果的水平不斷提高。

3 作者共現(xiàn)分析

每個(gè)領(lǐng)域都有自己的核心研究作者和核心研究機(jī)構(gòu)，核心作者和核心機(jī)構(gòu)可以代表該領(lǐng)域的研究水平，對該領(lǐng)域的發(fā)展以及未來方向的確定有著重要的影響，通過對核心作者以及核心機(jī)構(gòu)的分析有助于更加深刻準(zhǔn)確地掌握相關(guān)研究領(lǐng)域的研究動態(tài)以及趨勢。

為了找到井下定位領(lǐng)域研究的中堅(jiān)力量和核心作者群體，本文將國內(nèi)文獻(xiàn)導(dǎo)入CiteSpace軟件， Time Slicing 為From “2003-JAN” To“2022-DEC”，#Years Per Slice 為1，Node Types為“Author”，點(diǎn)擊“Go”，運(yùn)行CiteSpace，繪制井下定位領(lǐng)域的作者共現(xiàn)圖譜。

其中崔麗珍發(fā)文量最高為11 篇，其次是莫樹培（8篇），排在第三的是包建軍（7篇）。

本文使用普萊斯提出的計(jì)算公式來計(jì)算核心作者發(fā)文量［8］。

式中，M為論文篇數(shù)，Nmax為最高產(chǎn)作者的論文數(shù)，把論文發(fā)表數(shù)在M篇以上的作者稱為高產(chǎn)作者。

在井下定位領(lǐng)域，Nmax的值為11，則M的值為2.484，取整數(shù)為3。故將Node Labels 中被引頻次的Threshold 設(shè)置為3，最終的作者合作共現(xiàn)圖，如圖2 所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)文3 篇及3篇以上的作者有46 位，其發(fā)文量之和為189 篇，未超過該領(lǐng)域發(fā)文總量的一半，表明井下定位領(lǐng)域的核心研究作者群還未形成。

在作者共現(xiàn)圖中，通過節(jié)點(diǎn)的大小來表示作者發(fā)文數(shù)量，節(jié)點(diǎn)越大，發(fā)文量越多，反之發(fā)文量越少；顏色代表發(fā)文的年份，顏色越冷表示發(fā)文年份越早，顏色越暖表示發(fā)文年份越晚；節(jié)點(diǎn)之間的連線代表作者間合作關(guān)系，連線的粗細(xì)代表作者之間合作關(guān)系的強(qiáng)度，作者之間的合作越密切，連線越粗。

由圖2 可知，圖譜共含512 個(gè)節(jié)點(diǎn)、283 條連線、網(wǎng)絡(luò)密度0.0022，說明到2022 年底為止該研究領(lǐng)域各作者之間的合作網(wǎng)絡(luò)密度較低，各作者以及團(tuán)隊(duì)之間的聯(lián)系與合作較少，大部分作者處于獨(dú)立研究的一個(gè)狀態(tài)，長期下去，不利于井下定位領(lǐng)域的研究發(fā)展，作者以及團(tuán)隊(duì)間的合作有待加強(qiáng)。

從作者共現(xiàn)圖可以看出，形成了一部分作者之間合作的網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)開始合作年份由遠(yuǎn)及近，合作網(wǎng)絡(luò)包括以陳丹丹、呂明為代表的合作組合，以黃友銳、唐超禮為代表的合作組合，以汪金花、郭云飛為代表的合作組合和以崔麗珍、郭倩倩為代表的合作組合。

圖2 作者共現(xiàn)圖

同時(shí)，利用CiteSpace 6.1.R6軟件的Burstness檢測分析功能分析突現(xiàn)性前13 名的作者，發(fā)現(xiàn)莫樹培（突現(xiàn)強(qiáng)度4.66）形成最高的突現(xiàn)強(qiáng)度，在2019—2020 年影響力較大，緊接著就是發(fā)文量第一的崔麗珍（突現(xiàn)強(qiáng)度2.49），剩下的11 位作者的突現(xiàn)強(qiáng)度都在2附近，說明他們對于井下定位領(lǐng)域也產(chǎn)生了一定的影響。作者突現(xiàn)圖如圖3所示。

圖3 Top13作者突現(xiàn)圖

4 機(jī)構(gòu)共現(xiàn)分析

通過對研究機(jī)構(gòu)的分析，可以幫助學(xué)者對國內(nèi)該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及研究實(shí)力有更為清晰的了解，可以看出哪些機(jī)構(gòu)在井下定位研究領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，哪些機(jī)構(gòu)之間聯(lián)系比較緊密，哪些機(jī)構(gòu)為井下定位研究做出了重要貢獻(xiàn)。

和作者共現(xiàn)圖一樣，時(shí)間范圍、切片大小都不變，Node Types為“Institution”，點(diǎn)擊“GO！”，運(yùn)行CiteSpace，繪制井下定位領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)共現(xiàn)圖譜，如圖4所示，節(jié)點(diǎn)的大小表示發(fā)文數(shù)量，連線代表機(jī)構(gòu)之間有合作，連線的粗細(xì)表示合作的強(qiáng)度。

從機(jī)構(gòu)發(fā)文頻次來看，發(fā)文量最多的機(jī)構(gòu)是中國礦業(yè)大學(xué)（發(fā)文132篇），其次是安徽理工大學(xué)（發(fā)文54 篇），排在第三的是遼寧工程技術(shù)大學(xué)（發(fā)文44篇）。

從發(fā)文機(jī)構(gòu)圖可以看出高校是井下定位領(lǐng)域研究的主要力量，不少的公司等機(jī)構(gòu)也參與到該領(lǐng)域的研究中。

由圖4 可知，圖譜共含413 個(gè)節(jié)點(diǎn)、138 條連線、網(wǎng)絡(luò)密度0.0016，說明到2022 年底為止該研究領(lǐng)域各機(jī)構(gòu)之間的合作網(wǎng)絡(luò)密度較低，反映出研究該領(lǐng)域的機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)系與合作較少，大部分機(jī)構(gòu)處于獨(dú)立研究該領(lǐng)域的一個(gè)狀態(tài)，孤立的機(jī)構(gòu)較多，只有個(gè)別幾個(gè)機(jī)構(gòu)間進(jìn)行過合作。

圖4 機(jī)構(gòu)共現(xiàn)圖

5 關(guān)鍵詞分析

5.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

關(guān)鍵詞是對文章核心內(nèi)容的高度凝練，幾個(gè)詞就可以很好地表征該篇論文的思想內(nèi)容，是文獻(xiàn)計(jì)量研究不可或缺的指標(biāo)，通過分析關(guān)鍵詞共現(xiàn)可以把握領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和研究重點(diǎn)［9］。關(guān)鍵詞的頻次能夠體現(xiàn)該領(lǐng)域內(nèi)最受關(guān)注的熱門詞匯，中心性度量了節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中位置的重要性，反映了其在整個(gè)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的重要程度，通過分析詞頻，可以確定該研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)以及發(fā)展趨勢［10］。

利用CiteSpace對關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)，操作方法和作者共現(xiàn)一樣，只不過Node Types=“Keyword”，點(diǎn)擊“GO！”，生成關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖，并計(jì)算中心性，如圖5 所示，節(jié)點(diǎn)503 個(gè)、連線839 條、密度為0.0066。和前面節(jié)點(diǎn)、連線意義相同，節(jié)點(diǎn)大小表示關(guān)鍵詞頻次，頻次越高則節(jié)點(diǎn)越大；連線代表兩個(gè)關(guān)鍵詞有聯(lián)系，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的連線越多，說明其中心性越強(qiáng)，研究深度和范圍就越廣。關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖線條眾多，連接復(fù)雜，說明在井下定位研究領(lǐng)域中各關(guān)鍵詞之間聯(lián)系密切，井下定位研究涉及的領(lǐng)域廣泛。

從圖5 可以看出，其中人員定位中心性最強(qiáng)，為0.39，圍繞其展開的有定位系統(tǒng)、井下定位、礦井等多個(gè)領(lǐng)域。

將頻次大于10 的關(guān)鍵詞繪制表格，結(jié)果見表1，從而得到排名前十的關(guān)鍵詞，分別為人員定位、煤礦、井下定位、定位、煤礦井下、定位系統(tǒng)、精確定位、礦井、射頻識別和定位算法。其中，人員定位、煤礦、井下定位、定位、煤礦井下和定位系統(tǒng)出現(xiàn)頻次超過50次。

圖5 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖

表1 頻次大于10的關(guān)鍵詞

5.2 關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析

突現(xiàn)關(guān)鍵詞在定義上表示某一時(shí)期內(nèi)，受到學(xué)者大量關(guān)注并且出現(xiàn)頻次突增的關(guān)鍵詞［11］，從一定程度上可以表示該時(shí)期相關(guān)研究的前沿及趨勢。對CNKI 數(shù)據(jù)進(jìn)行突現(xiàn)分析，得到2003—2022 年井下定位相關(guān)研究的關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖，如圖6 所示。將關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖分為兩部分，2003—2012 年為第一部分，2012—2022 年為第二部分。第一部分中，突現(xiàn)強(qiáng)度最大的是射頻識別（強(qiáng)度為6.31），說明這段時(shí)間運(yùn)用射頻識別技術(shù)進(jìn)行井下定位是研究熱點(diǎn)。李靖等［12］介紹了基于RFID 技術(shù)的井下人員定位管理系統(tǒng)在山西高河能源有限公司的應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對井下作業(yè)人員的綜合管理，提高了礦井抵抗災(zāi)害的能力，保障了礦井的安全生產(chǎn)。張鵬［13］設(shè)計(jì)一種基于無線射頻識別技術(shù)（RFID）和控制器局域網(wǎng)（CAN）的井下人員定位系統(tǒng)，可以在發(fā)生礦難后提供井下人員的大概位置，為救援提供幫助，在平時(shí)也可以進(jìn)行人員的考勤。

第二部分中，突現(xiàn)強(qiáng)度最大的是超寬帶（強(qiáng)度為8.77），說明這段時(shí)間井下定位的研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)到了超帶寬技術(shù)。劉書倫等［14］針對目前常用的井下人員定位技術(shù)存在的問題，提出了一種基于到達(dá)時(shí)間差的超寬帶技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)有效提高了井下人員定位精度。張海軍等［15］針對煤礦井下復(fù)雜環(huán)境中非視距（NLOS）干擾影響無線信號傳輸問題，設(shè)計(jì)了一種基于超寬帶（UWB）的井下人員定位系統(tǒng)。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)抗NLOS干擾能力較強(qiáng)，并且可以實(shí)現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)的應(yīng)急通信。

5.3 關(guān)鍵詞聚類分析

為進(jìn)一步挖掘各研究熱點(diǎn)之間的關(guān)系，本文在關(guān)鍵詞共現(xiàn)基礎(chǔ)上將聯(lián)系緊密的關(guān)鍵詞進(jìn)行分組，這一過程稱為聚類，通過聚類能夠?qū)ρ芯繜狳c(diǎn)中的多條線索進(jìn)行解讀和追蹤。關(guān)鍵詞聚類的參數(shù)設(shè)定與共現(xiàn)基本相同，采用LLR算法并以“K”為標(biāo)識來提取聚類標(biāo)簽，經(jīng)過整理后聚類結(jié)果如圖7所示，共得到12個(gè)聚類。

在進(jìn)行聚類以后，聚類圖中有兩個(gè)參數(shù)需要注意，即Q值（Modularity，聚類模塊值）和S值（Silhouette，聚類平均輪廓值），這兩個(gè)用來表示聚類結(jié)果的好壞。當(dāng)Q大于0.3 時(shí)，認(rèn)為聚類結(jié)構(gòu)是顯著的；當(dāng)S大于0.5時(shí)，認(rèn)為聚類是合理的；而當(dāng)S大于0.7則代表這個(gè)聚類結(jié)果是令人信服的。由關(guān)鍵詞聚類圖可知，本次運(yùn)行中，中文關(guān)鍵詞聚類Q=0.6057>0.3，S=0.8835>0.7，由此可見，本次中文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞聚類結(jié)果適用于分析。

可將聚類結(jié)果總結(jié)為五類：第一類：物聯(lián)網(wǎng)，包括#6 物聯(lián)網(wǎng)；第二類：定位，包括#0 人員定位、#1 井下定位、#3 定位、#7 定位算法和#17定位引擎；第三類：煤礦，包括#2煤礦；第四類：礦井，包括#4 煤礦井下、#5 井下巷道和#8 礦井；第五類：自組網(wǎng)，包括#9 分站和#18以太網(wǎng)。

6 結(jié)論與展望

6.1 總結(jié)

本文借助CiteSpace軟件對知網(wǎng)CNKI中關(guān)于井下定位領(lǐng)域的1164 篇文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析，梳理該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)、發(fā)展脈絡(luò)以及研究前沿，使得對井下定位領(lǐng)域有更加全面的認(rèn)識。

圖6 關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖

圖7 關(guān)鍵詞聚類圖

經(jīng)過接近二十年的探索與發(fā)展，我國在井下定位領(lǐng)域的研究與相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用正處于一個(gè)穩(wěn)定發(fā)展的時(shí)期，雖然近幾年發(fā)文數(shù)量有所下降，但是相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用的熱度還是很高；該領(lǐng)域的研究人員和研究機(jī)構(gòu)數(shù)量眾多，但是它們之間的交流合作較少；射頻識別技術(shù)與超寬帶技術(shù)是井下定位的主要技術(shù)，但是近幾年超寬帶技術(shù)的熱度和應(yīng)用次數(shù)超過了射頻識別技術(shù)，可知煤礦井下的情況越來越復(fù)雜，并且對于定位的要求也是越來越高。

6.2 展望

針對以上發(fā)現(xiàn)的問題，提出如下建議，為接下來井下定位的發(fā)展提供一定的參考價(jià)值。

（1）加強(qiáng)研究學(xué)者之間的聯(lián)系。加強(qiáng)研究者們在井下定位領(lǐng)域的交流與合作有利于促進(jìn)知識的交匯融通，從而有效提升該領(lǐng)域的研究水平和拓展研究范圍，創(chuàng)作出更多高質(zhì)量的研究成果，形成更多的核心研究團(tuán)隊(duì)，使得井下定位研究緊跟國際步伐。

（2）拓寬機(jī)構(gòu)之間的合作關(guān)系。高校與公司機(jī)構(gòu)均有寶貴的資源，包括人才與設(shè)備，它們之間加強(qiáng)合作有利于資源的共享，可以提升研究人員的硬件與軟件條件，從而為研究人員創(chuàng)造更好的實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)而產(chǎn)生更多高水平的研究成果，為井下定位的發(fā)展注入更多的動力。

（3）加深對超寬帶技術(shù)的研究與應(yīng)用。煤礦井下情況復(fù)雜，已經(jīng)存在的定位系統(tǒng)在應(yīng)用過程中依然存在一些缺點(diǎn)，例如，信道衰落、穿透力弱以及抗干擾能力不強(qiáng)等。超寬帶技術(shù)（UWB）的優(yōu)點(diǎn)是信道衰落小、信號穩(wěn)定性強(qiáng)并且有較強(qiáng)的穿透力，所以對于復(fù)雜的井下，超寬帶技術(shù)可以很好地發(fā)揮作用，滿足井下定位的需求［16］。因此，加深對于超寬帶技術(shù)的研究與應(yīng)用非常有必要，不僅可以實(shí)時(shí)掌握井下人員的運(yùn)動情況，同時(shí)還可以在災(zāi)害發(fā)生以后為救援提供幫助，最大可能減少人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，提高生產(chǎn)率。