基于知识图谱的城市生活垃圾研究前沿分析

陈海滨，杨 禹，姜 维，杨 龑

（华中科技大学环境科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

作为一个世界性难题，城市生活垃圾困扰着世界上许多国家的城市管理者。2011年，仅中国的城市生活垃圾产生量就达1.64亿t［1］，大量垃圾若不妥善有效处理，将给地方城市的发展带来极大的环境压力和负面形象影响。鉴于此，近几十年来，国内外众多学者从不同方面对城市生活垃圾的处理展开了多方位的研究，大体来说，这些方面主要集中在生活垃圾的优化管理［2］、生活垃圾处理技术的改进开发［3-4］、生活垃圾环境影响［5］等研究上，并取得了一系列卓有成效的研究结果，极大地提高和改善了区域生活垃圾污染的治理水平和区域环境卫生状况。针对这些研究，部分学者进行了系统的回顾和总结，如生活垃圾处理决策研究综述［6］、生活垃圾处理系统优化技术回顾［7］等，但是从现有各类出版物来看，鲜有学者从文献计量学的角度系统、综合地展开研究。

文献计量学是以文献体系和文献计量特征为研究对象［8］，广泛用于测量科学家、学术机构及科学出版物［9］，进而对科学的发展现状和水平做出客观的评价。笔者引入文献计量学中的引文共引分析法展开城市生活垃圾研究领域的计量学研究，并借助科学文献分析与知识图谱可视化软件CiteSpace，利用引文分析可视化技术，试图探测和分析本研究领域的主要学术期刊、研究热点、研究前沿及其演变路径。

1 数据来源与研究方法

研究数据来源于美国科学情报所（Institute for Scientific Information，ISI）出版的Web of Science（WoS）数据库，该数据库是科学界中文献计量学最为重要的数据来源［10］。检索数据库为WoS下Science Citation Index（SCI）及Social Science Citation Index（SSCI）2个子数据库，检索词为“Municipal Solid Waste*”，检索时间跨度为1998—2013年。

研究方法涉及文献计量学及其共引分析方法。文献计量学（bibliometric） 是一系列定量分析科学和技术文献的方法集合［11］。共引（co-citation） 表述的是2篇文献同时被另外一篇文献引用的一种关系。共引可以用来测度文献之间在主题内容上的相关度，共引强度越高，文献相关度越高［12］。共引分析（co-citation analysis） 是以具有一定学科代表性的一批文献为分析对象，利用聚类分析、多维尺度等多元统计分析方法，借助计算机，把众多的分析对象之间错综复杂的共引网状关系简化为数目相对较少的若干类群之间的关系并直观地表示出来，在此基础上分析研究分析对象所代表的学科及文献的结构和特点［13］。

根据检索策略所得检索结果共5 693条，文献类型较多，包括期刊文献（article，5 335，所占比例 93.7%）、会议论文 （proceeding，446）、评论（review，260），以及少量其他类型的出版物，如编辑资料（editorial material，45）、会议摘要（meeting abstract，35）、校正 （correction，12）、简讯期刊（letter，4）、书目 （book chapter，3）、新闻条目（newsitem，1） 和再版资料（reprint，1） 等。一般来说，科学界最为重要的知识来源是经过严格的同行评审（peer-reviewed） 程序的、发表在科学期刊上的期刊文献［14］，因此，本研究的后续内容均基于所检索出的期刊文献（article）分析。为更好地表现和理解检索结果，本文引入CiteSpace软件［15-16］进行可视化研究并对生成的文献计量图深入解释说明。

2 结果与讨论

2.1 期刊分布

城市生活垃圾相关研究的文章在各个期刊中的分布基本符合布拉德福定律（Bradford’s Law），布拉德福定律是文献计量学经典定律之一，用于描述科技论文在期刊中的分布规律，该定律指出在某个研究领域的文献计量学中，少数的期刊登载着大量的相关文章，而大部分的期刊仅仅只有少数的相关文章登载量，并且包含着大量的只刊登1篇文章的期刊［17］。在本次搜索结果中，载文量超过100的期刊总共有8种，如表1所示，这8种期刊载文量占据着文章总数的39.7%，而期刊数量仅占总期刊数的0.01%。

载文量最大的期刊为Waste Management，主要收录各种固体废弃物，包括生活垃圾、农业垃圾和特种垃圾的产生、防治、特征、监测、处理及处置、再利用等相关研究的研究成果，其载文量几近是第2位Waste Management&Research的2倍，占总量的12.43%。Waste Management&Research及Bio-resource Technology载文量也较多，载文比例均超总量的5%。表1中同时也列出了各个期刊的影响因子，从中可以看出各期刊的影响因子与该期刊的载文量并无直接关系，而与ATGCS表现出一定的正相关性。在某种意义上，一篇文献ATGCS可以通过被引数来说明该文献的总体质量，被引数越高则代表该文越有价值，期刊中文章整体质量则反映着该期刊的质量。从期刊的IF及ATGCS来看，Environmental Science&Technology、Chemosphere及Bioresource Technology排名较高，显示着这3种期刊在城市生活垃圾研究领域中的重要地位。

表1 文章发表数前8位的期刊

2.2 研究前沿及其演进

本节利用CiteSpace软件进行文献共引分析，时间区间为 2 a，阈值选择为 （3，3，18）、（4，3，20）、 （7，4，20），分别在前、中、后 3个时间区间中设定引文数量、共引频次和共引系数3个层次的阈值，其中具体每个时间区间的阈值由线性内插值确定。术语来源范围为题名、摘要、关键词，节点类型为被引文献（Cited Reference），术语类型为突现词（Burst Terms）。使用pathfinder修剪网络，静态显示可视化图并显示合并网络，最后获得包含785个节点，2 908条连线，25个聚类的城市生活垃圾引文共引网络聚类图，如图1所示。

图1 城市生活垃圾引文共引网络聚类示意

在图1中，每个节点代表1篇文献，节点上环绕的不同颜色的圆圈代表该文献在不同年份的引文时间序列，颜色所代表的年份与图片上方时间轴所显示的年份保持一致，圆圈的厚度与相应年份的引文数成正比。带有紫色外圈的节点表示聚类之间相互关联的关键节点，红色节点则表示该节点突现值较高，短时间内被大量引用［19］。从各聚类的关键成员、聚类特征以及突现词的深入分析中，可探测到城市生活垃圾研究的研究热点、研究前沿及其演进特点。

2.2.1 研究前沿

研究前沿是指突现的动态概念和潜在的研究问题，是研究的新趋势和新动态，常以施引文献中的短词术语来表现［16］，其特征通常用趋势（Emergency）和突现（Burst）来表现。CiteSpace可通过检测突现词（Burst Terms）和突现文献，形成突现文献的施引文献聚类（Citing Articles Cluster），进而探寻某个科学领域的研究前沿。

本研究在Burst Terms和Cited Reference共现网络图谱的基础上，进行聚类分析，并使用LLR算法对聚类网络进行标注［20］。通过研究聚类名及高突现值的突现词可确定主要的研究前沿。此外各个聚类中活跃的施引文献是学科知识领域研究前沿问题的突出代表，要探测该学科知识领域在一定时期内前沿研究问题，有必要结合此类施引文献进行分析。

在生成的共现网络图谱中，聚类图Q值（模块性Modularity） 为0.740 5，模块性较大，说明单个聚类内节点联系较多而聚类间节点联系较少。从聚类的结果来看，城市生活垃圾共被引网络共形成25个聚类，各聚类大小差别较大，最大的聚类为聚类13，成员数202个，最小的为聚类8，成员数仅1个，不均匀的聚类大小反映出研究前沿问题集中化研究。表2列出了成员数最多的前4个聚类，以及由LLR算法得出的每个聚类的聚类名称、剪影度（Silhouette）、平均年份、主要的3篇施引文献等。剪影度用于评价聚类质量，剪影度越高说明该聚类成员相似度越高。

聚类13为主题相关研究，聚类名为城市生活垃圾（MSW），较高的剪影度表明该聚类成员之间的相似性程度也较高，研究方向比较集中。最为活跃的3篇施引文献研究的内容分别为MSW管理尤其是填埋中的甲烷等温室气体的产生于排放、有机生活垃圾与污泥联合厌氧堆肥产气研究、有机生活垃圾的厌氧及好氧条件下的模拟填埋等。这3篇文章中的2篇研究对象均是针对生活垃圾中的有机成分，这与突现词“有机组分”相互呼应，表明MSW的有机组分研究是相关研究的一个研究前沿。

表2 共引网络聚类中的四大聚类

第二大聚类为聚类22，其聚类主题为生活垃圾焚烧（炉）（Municipal Solid WasteIncineration（Incinerator），MSWI）。最为活跃的3篇施引文献均出自S.V.Vassilev，他的系列文章关注于生活垃圾热解后的垃圾衍生炭的理化特性分析，包括衍生炭的矿相、化学成分，痕量元素的分布、来源、富集等，以及垃圾衍生炭燃烧时痕量元素的行为、捕捉、固化等方面。作为一种主流的垃圾处理方式［21］，垃圾焚烧相关研究一直保持着较高的热度。垃圾的焚烧过程会产生大量的灰尘，这些灰尘通常含有各种重金属和盐类而被归为危险废物［22］，如何有效处理焚烧所产生的灰尘受到人们的普遍关注。垃圾焚烧灰尘包括飞灰和底灰［23］，本聚类中其他较为活跃的施引文献多关注于生活垃圾焚烧所产飞灰与底灰的处理研究。同时聚类21也与垃圾焚烧相关。聚类21主要是针对焚烧所产生飞灰的重金属（Heavy Metal）污染与治理相关，如该聚类中最为活跃的施引文献为E.Bontempi（2010）［24］，该研究提出了一种新的生活垃圾焚烧飞灰固化法，该法以硅溶胶作为重金属的固化剂对飞灰进行无害化处理。除此之外，第四大聚类聚类19也是垃圾焚烧相关研究。聚类19的研究前沿主题词为土壤（Soil），从3篇活跃的施引文献来看，主要是指通过土壤来监测生活垃圾焚烧所造成的环境影响，包括土壤和植物中PCDD/F的含量水平［25-26］。这些聚类及其所代表的研究表明生活垃圾研究前沿的一个重要的方向就是生活垃圾焚烧相关研究，包括垃圾热解产生的垃圾衍生炭、垃圾焚烧飞灰处理、垃圾焚烧的环境影响等。

聚类16剪影度也较高，表明聚类中的研究方向较为集中。聚类16表现出的研究前沿为MSW的堆肥（Composting） 处理。相应于该聚类名称，主要的施引文献研究方向也集中于堆肥研究。作为三大垃圾处理处置的基本技术（填埋、焚烧、堆肥），生活垃圾堆肥处理的应用十分普遍。垃圾堆肥（MSW-Compost）也是该聚类中出现的一个突现词。

在文献计量中，研究前沿最大的表现特征就是突现性，利用CiteSpace提供的突现词，可进一步确认和补充城市生活垃圾研究前沿。表3为突现值最高的10个突现词。对突现词的分析可以得出，这些研究前沿的主题主要分布在3个方面，其一为垃圾的管理方面，如城市生活垃圾管理（Municipal-Solid-Waste-Management），这些研究包括生活垃圾综合管理［2］，生活垃圾生命周期管理［27］等；其次为生活垃圾的处理处置相关研究，如垃圾填埋中甲烷的生产（Methane-Production）、垃圾焚烧（Waste-Incineration）及焚烧中的烟气（Flue-Gas）处理等；第三为处理对象的研究，如城市生活垃圾（Municipal-Solid-Wastes）、生活垃圾中的有机成分（Organic-Matter）、市政污泥（Sewage-Sludge，与生活垃圾联合处理）等。此外，生活垃圾及生活垃圾处理的环境影响，全球变暖（Global-Warming）影响、发展中国家（Developing-Countries）的生活垃圾污染及处理问题也颇受关注。

表3 突现值最高的10个突现词

2.2.2 研究前沿的演进

CiteSpace使用中心度衡量节点在网络中的重要性，中心度高的节点是聚类之间相互连接的重要枢纽。研究2个聚类间的节点文献，结合聚类的时间分布特征以及内部关键节点出现的时间，利用CiteSpace中的时间轴视图（图2），可以较为清晰地梳理出研究前沿的演进路径。

图2 生活垃圾引文共被引网络聚类的时间演进示意

整体来看，各个聚类长度（时间跨度）不一，共引关系及节点、关键节点分布也不尽一致。有些聚类出现的时间很短，且比较独立，与其他聚类联系较少，也没有出现转折意义的关键节点，出现一段时间很快就消失了，如视图上方的聚类0到聚类9及聚类24、25，涉及生活垃圾的特性、预处理研究、聚乙烯垃圾的焚烧、垃圾焚烧底灰处理、有机组分的土壤修复效果等，说明这些方面的研究未能引起其他研究者的注意而无后续研究。另外有一部分聚类长度不是很长，但聚类内联系紧密，且从共被引发生的时间来看，聚类出现的年代较早，如聚类15（好氧填埋）、聚类19（土壤）、聚类20（二苯并呋喃）、聚类21（生活垃圾焚烧炉飞灰）、聚类23（好氧生物降解）等，上述方面研究较为成熟但仍缺乏后来研究者的持续研究。时区图中值得注意的是部分研究出现时间较近的聚类，包括聚类10（不确定性）、聚类16（堆肥）、聚类18（生命周期评价）、聚类22（垃圾焚烧） 等，这些聚类内部及聚类间联系均十分紧密，代表着现今城市生活垃圾研究的最新方向和热点。其中不确定性研究始于20世纪60年代中期出现的文献L.A.Zadeh（1965），蓬勃发展于90年代初期；垃圾堆肥贯穿于整个研究区间，但早期研究较为零星，经A.Tessier（1979） 的推动和R.T.Haug（1993） 的发展步入迅速发展期，并自21世纪来涌现众多研究前沿如生活垃圾与市政污泥的联合堆肥、有机垃圾堆肥及最近的微生物活性研究等；相对来说，生命周期评价发展较晚，出现于20世纪末，对于其发展，ISO 14040—2006功不可没；图中反映出生活垃圾焚烧相关研究始于20世纪70年代末80年代初，经过近10 a的缓慢发展，于90年代步入快速发展阶段，关键研究成果包括C.S.Kirby（1993）、T.T.Eighmy（1995） 和 J.A.Meima（1997） 等。

3 结论

利用CiteSpace，应用文献计量学中的文献共被引分析来深入探讨特定领域的研究前沿及其演进路径，研究结果表明在该法中，通过聚类分析及对关键词及关键文献的共被引频次、突现值、中心度等的分析可以有效地探测研究领域的前沿问题，对把握该领域的曾经的热点问题、最新研究进展及发展轨迹等方面意义重大。此外，本研究中的数据来源、研究方法和研究结果在城市生活垃圾研究中也有一定的现实启发意义。总体来说，本研究探索性较强，初始条件的设定和结果的解读均具有一定的主观性。另外结果中关键文献的分析仍需要通过各文献作者及相关方面专家的进一步验证判读，后续研究中需展开进一步深入的研究。

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