隧道火灾研究的知识图谱分析

周 雨 汪金辉副教授 张少刚

(上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306)

0 引言

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式，可分为交通隧道、水工隧道、市政隧道、矿山隧道[1]。近年来，隧道工程在建设规模与数量上大幅增加，隧道火灾事故发生的频率也在增加[2-3]。根据统计资料显示，隧道火灾的发生频率为10-17次/(亿车·km)[4]。从上世纪 60 年代开始，国外学者开始了对隧道火灾的研究工作[5]，我国的隧道火灾研究虽起步较晚，但发展速度较快[6-8]。伴随着国际隧道协会(International Tunneling Association)、国际道路协会(World Road Association)、荷兰应用科学研究组织(Netherlands Organization for Applied Scientific Research)、瑞典国家检测研究所(Swedish National Testing and Research Institute)、地下交通设施研究协会(Research Association for Underground Transportation Facilities)等协会的成立，国内外学者和科研工作者在隧道火灾的发展规律、隧道烟气蔓延、数值模拟、隧道通风、隧道火灾救援与疏散等方面取得了丰富的成果[9-15]，但是很少有学者研究隧道火灾科学的整体格局，对隧道火灾长期积淀的成果没有进行全面分析。因此，为了客观了解当前隧道火灾研究的概况，有必要开展隧道火灾研究的知识图谱分析工作。

为了研究某学科的发展情况，国内外很多学者采用可视化软件对该学科开展了知识图谱绘制，如李杰等[16-17]以《Safety Science》期刊数据为例进行了安全科学知识图谱的初步研究，并且绘制了CNKI数据库中有关安全科学与工程的硕博学位论文的知识图谱；文宏[18]基于CNKI数据库，利用科学计量软件CiteSpace构建了灾害管理的知识图谱；王春雪等[19]以CNKI数据库为基础，采用CiteSpace软件对我国火灾探测研究现状开展了可视化分析；索晓等[20]以《Fire Safety Journal》1980-2013年发表的论文数据为基础，利用CiteSpaceⅢ和VOSviewer对火灾科学进行全面可视化分析；Jin R等[21]以Scopus数据为基础，采用VOSviewer软件对建筑安全进行了可视化研究。现阶段，对于系统梳理国内外隧道火灾的研究内容、热点及发展趋势的综述极少。本文以Web of Science核心合集和CNKI数据库为数据源，利用VOSviewer技术，绘制隧道火灾领域研究的知识图谱。通过分析数据库中文献的关键词共现、作者合作网络及国家发文量，以可视化的方式展现隧道火灾领域主题的整体分布和时序演变，明确该领域的主要研究人员及合作关系，探究该领域的研究在全球的活跃地区，以期为隧道火灾的后续研究提供参考和理论基础。

1 数据来源与分析方法

本文基于Web of Science 核心合集和CNKI数据库中的期刊论文，时间跨度为2000-2018年，分别以“Tunnel Fire”和“隧道火灾”作为关键词进行相关论文检索[22-23]。获取的论文数量分别为453篇和1250篇，并在记录输出中以全记录形式导出，形成文本文件[24-25]。本文采用的VOSviewer是荷兰莱顿大学Van Eck与Waltman研发的一个构建可视化计量网络的软件工具[26]。

发文量是衡量一个学科或研究领域发展状况的重要指标[16]，在隧道火灾研究方面，Web of Science核心合集和CNKI数据库中的期刊论文发表量，如图1。2000-2005是国际上隧道火灾研究的萌芽阶段，该阶段论文的年产出不足10篇。2006-2015是缓慢增长时期，发文量在2013年首次突破30篇。2016-2018年，国外隧道火灾论文呈线性增长趋势。国内发文量一直保持较快的增长速度，近期开始有所回落，但仍处于较高水平。总体上看，Web of Science核心合集中收录的论文数量低于CNKI，在现阶段该领域的研究仍处于较快发展阶段。

2 数据结果与可视化分析

2.1 主题整体分布与演化

2.1.1 主题整体分布

国际上隧道火灾研究主题的可视化结果，如图2。节点和关键词的标签越大，则对应关键词的词频越高[18]。从图2的结果来看，国际上隧道火灾的研究内容主要集中在Longitudinal Ventilation(纵向通风)、Natural Ventilation(自然通风)、Simulation(数值模拟)、Flow Velocity(运动速度)、Ceiling Extraction(顶棚排烟)、Behavior(行为)、Safety(安全)、Blockage(阻塞物的影响物)、Burning Rate(燃烧速率)、Smoke Temperature(烟气温度)、Smoke Movement(烟气流动)、CFD(计算流体动力学)等方面，这些高频主题组成了国际隧道火灾研究的热点内容。从关键词类团分布来看，国际隧道火灾3大核心主题是Simulation(数值模拟)、Tunnel Ventilation Temperature and Smoke(隧道通风、温度与烟气)、Tunnel Fire Safety(隧道火灾安全)。其中Simulation(数值模拟)研究主题中，核心关键词包括Model(模型)、Velocity(速度)、Flow(流动)、Ventilation(通风)、Smoke Temperature(烟气温度)、Smoke Movement(烟气流动)、CFD(计算流体动力学)、FDS(火灾动力学模拟)、Gases(气体)、Plume(羽流)等；Tunnel Ventilation Temperature and Smoke(隧道通风、温度与烟气)研究主题中，核心关键词是Longitudinal Ventilation(纵向通风)、Natural Ventilation(自然通风)、Ceiling Extraction(顶棚排烟)、Blockage(阻塞物)、Vertical Shaft(竖井)、Critical Velocity(临界速度)、Gas Temperature(气体温度)、Maximum Temperature(最大温度)、Burning Rate(燃烧速率)、Heat Release Rate(热释放速率)、Smoke Movement(烟气流动)、Smoke Layer(烟气层)、Maximum Smoke Temperature(最大烟气温度)等。Tunnel Fire Safety(隧道火灾安全)研究主题中，核心关键词包括System Tests(系统测试)、Behavior(行为)、Safety(安全)、Concrete(混凝土)、Fire Safety(火灾安全)、High-temperature(高温)、Evacuation(疏散)、Accident(事故)、Risk(风险)、Impact(影响)、Water Mist(细水雾)等。

国内隧道火灾研究主题的可视化结果，如图3。研究内容主要集中在公路隧道、地铁隧道、数值模拟、人员疏散、隧道工程、临界风速、火灾报警、消防设计、安全疏散、温度场、灭火救援、自然通风、纵向通风等方面。从关键词类团分布来看，国内研究的核心主题是数值模拟、隧道救援与疏散、隧道的消防灭火、火灾探测报警、隧道结构。其中数值模拟研究主题中，核心关键词包括模型试验、CFD、FDS、场模拟、烟气特性、排烟、最高温度、自然通风与纵向通风。隧道救援与疏散的核心关键词是灭火与防灾救援、火灾事故、预防措施、排烟系统、火灾通风、监控、纵向疏散、安全疏散、逃生等。隧道消防灭火的关注点集中在火灾扑救、灭火系统、隧道防火、消防技术、灭火剂、防火与扑救、防灾减灾、安全措施、通风系统等关键词。火灾探测报警主要集中在火灾探测器、火灾报警系统、自动报警系统、火灾检测、监控系统、响应时间、双波长火灾探测器、光纤传感技术等方面。隧道结构包括了拱顶、衬砌结构、混凝土、电缆等。国内外对隧道火灾研究都集中在火灾模拟方面，不同之处是如下两点：在火灾模拟方面，国际上开展的研究趋向于火灾特征与规律预测，国内则是运用模拟软件进行模拟；相比于国际而言，国内在纵向通风和自然通风方面的研究略显不足，但是国内更偏重于工程应用的研究，如隧道救援与疏散、火灾探测报警、隧道结构等方面。

2.1.2 主题演化分析

将2000-2018年隧道火灾的论文数据分为2000-2005年、2006-2010年、2011-2015年以及2016-2018年4个阶段。依次对4个阶段的数据进行关键词分析，得出国内外的隧道火灾主题演变情况，如图4、图5。在2000-2005阶段国际研究主题集中在数值模拟、隧道火灾安全方面；2006-2010年在数值模拟的基础上扩展了FDS、湍流、回流层现象的研究，在隧道火灾安全方面注重了对烟气行为、公共汽车、生命安全、决策制定的研究，新增研究热点是自然通风、临界速度、烟气温度、烟气分布、烟气测试等；2011-2015年风险、疏散、人员行为、虚拟现实、事故、疏散速度、紧急疏散、疏散模型、风险感知成为热门的研究话题；2016-2018由于时间跨度较短，研究热点没有突出的变化。国内在2000-2005年的研究主题是数值模拟、隧道救援与疏散、隧道的消防灭火；2006-2010年火灾探测报警成为新增加的主题，并且隧道结构开始被关注；2011-2015年开展的研究中新的突出主题是排烟(包括集中排烟、排烟量、排烟效果、单向排烟和排烟阀)，数值模拟方面新增对烟气运动、排烟、温度、大涡模拟的研究，开始关注隧道的风险评估和评价模型，沉管隧道的研究也逐渐显现。2016-2018年灭火系统和隧道的衬砌结构成为新的研究热点，火灾探测报警主题中新增自动灭火系统和低压细水雾灭火。整体上看国内研究主题演变略快于国外，且趋于多样化。

图5 隧道火灾的主题演变(2000-2018年)(CNKI期刊论文)Fig.5 The theme evolution of tunnel fire(2000-2018)(CNKI Journal Article)

2.2 作者分析

国际上作者之间的合作网络图谱，如图6。节点的大小表示作者发文量的多少，颜色的变化代表作者近些年的活跃程度[26]。国际隧道火灾研究中高产的作者依次是Ji Jie(28篇)、Ingason Haukur(25篇)、Li Yingzhen(22篇)、Fan C.G.(14篇)、Hu L.H.(14篇)、Sun J.H.(12篇)、Cheng Xuedong(12篇)、Gao Z.H.(10篇)等，近些年较为活跃的作者是Zhang Shaogang、Zhou Yang、Fan Chuangang、Guo Xinxin、Wang Jie、Zhang Zijian等。国际上从事该领域的主要科研团队有：Cheng Xuedong、Zhang Shaogang、Zhang Heping、Wang Jie和Yao Yongzheng团队，Ingason Haukur和Lonnermark Anders团队，Ji Jie、Sun Jinhua和Li Kaiyuan团队、Jiang Juncheng、Wu Fan和Guo Xinxin团队，Hu Longhua、Ding Huang、ZhangYuchuan和Sun Qiang团队等。

国内作者的合作网络图谱，如图7。国内高产作者主要有徐志胜(35篇)、彭立敏(27篇)、闫治国(25篇)、姜学鹏(23篇)、杨其新(23篇)、杨高尚(21篇)、安永林(21篇)等。近期较为活跃的作者是石晓龙、李国辉、王涛、王子云和梁天水等。国内主要的科研团队有：徐志胜、姜学鹏、吴德兴团队，胡隆华、彭伟、霍然团队，杨其新、王明年、于丽团队，闫治国、张培红、田野团队，冯炼、李炎锋、王婉娣团队，茅靳丰、蒋军成、王彦富、胡彦杰团队。

图6 隧道火灾研究的作者合作网络(2000-2018年) (WoS)Fig.6 Cooperative network of authors of tunnel fire research (2000-2018)(WoS)

2.3 国家发文量统计分析

国家发文量统计，如图8，图中圆圈的大小代表发文量多少，可以很直观的看出隧道火灾研究在全球

的分布情况，大部分国家都位于欧洲。在该领域做出贡献大小的国家依次是中国(Peoples R Chin)、澳大利亚(Australia)、美国(USA)、加拿大(Canada)和瑞士(Sweden)，这些国家为满足自身运输的需求，都修建了大量的隧道，对隧道火灾开展的研究较多。

图7 隧道火灾研究的作者合作网络(2000-2018年) (CNKI期刊论文)Fig.7 Cooperative network of authors of tunnel fire research (2000-2018年)(CNKI Journal Article)

图8 隧道火灾研究的国家发文量统计(2000-2018年) (WoS)Fig.8 Issued papers of tunnel fire research in different countries (2000-2018年)(WoS)

3 结论

(1)从隧道火灾的发文量来看，隧道火灾科学作为一门交叉学科仍处于较快发展阶段。主题的整体分布表明，国际上隧道火灾研究的3大核心主题是Simulation(数值模拟)、Tunnel Ventilation Temperature and Smoke(隧道通风、温度与烟气)、Tunnel Fire Safety(隧道火灾安全)。国内研究的核心主题是数值模拟、隧道救援与疏散、隧道的消防灭火、火灾探测报警、隧道结构。国际上开展的研究趋向于火灾特征与规律预测，国内更偏重于工程应用的研究。由主题演化分析得到，国内研究主题演变略快于国外，研究内容更趋于多样化。

(2)通过分析作者之间的合作网络图谱得出，国内外高产的作者有Ji Jie、Ingason Haukur、Li Yingzhen、徐志胜和彭立敏，近些年较为活跃的作者是Zhang Shaogang、Zhou Yang、石晓龙和李国辉。从事隧道火灾领域研究的主要团队是Cheng Xuedong、Zhang Shaogang、Zhang Heping、Wang，Jie、Yao Yongzheng团队和徐志胜、姜学鹏、吴德兴团队。

(3)国家发文量的统计来看，开展隧道火灾研究的国家多位于欧洲，中国(Peoples R Chin)、澳大利亚(Australia)、美国(USA)、加拿大(Canada)和瑞士(Sweden)等发文量较多。

需要提及的是由于时间和精力有限，本文研究的时间跨度为2000-2018，选取的文章来源是Web of Science核心合集和CNKI数据库的论文，在条件允许的情况下可扩展时间区间，并扩展隧道火灾(Tunnel Fire)之外的主题词，进行更大范围的相关文献分析。