基于知识图谱的区块链技术及电力行业应用分析

张 艳，杨 芳，杨 蕾，韩奎国，李 辉

(1.北京科慧远咨询有限公司，北京 100191； 2.国家电网有限公司信息通信分公司，北京 100761；3.江西省科学院能源研究所,江西 南昌 330096； 4.江苏大学，江苏 镇江 212013；5.江西师范大学计算机信息工程学院,江西 南昌 330022)

0 引 言

区块链技术起源于2008年由化名为“中本聪”(Satoshi Nakamoto)的学者在密码学邮件组发表的奠基性论文《比特币：一种点对点电子现金系统》[1-2]。关于区块链，目前尚未形成行业公认的定义。狭义来讲，区块链是一种不可篡改和不可伪造的去中心化共享总账(Decentralized shared ledger)。广义的区块链技术则是利用加密链式区块结构来验证与存储数据，利用分布式节点共识算法来生成和更新数据，利用智能合约来编程和操作数据的一种全新的去中心化基础架构与分布式计算范式[3-4]。

随着以比特币为代表的数字加密货币体系的兴起，其关键支撑技术——区块链因去中心化的核心优势引发了学术界和产业界的高度关注[2，5]。尽管尚未有公认定义，但研究者对于区块链技术具有去中心化、不可篡改、全程留痕、可以追溯、集体维护、公开透明等特性已形成共识，围绕区块链技术的研究与应用呈现爆发式增长[6-9]。2019年全球区块链支出约29亿美元，美国规模第一(39%)，其次是西欧(24.4%)、中国(11.2%)、亚太(8.1%)和中东欧(5.2%)[10]。

本文将应用美国德雷塞尔大学学者陈超美博士开发的科学文献可视化分析的软件CiteSpace 5.2.R3[11-12]，以科学引文索引(Science Citation Index， SCI)数据库Web of Science平台为资料来源，绘制相关的可视化图谱，对区块链在国际上的研究现状、研究热点、发展趋势等进行客观全面的展示与分析，为区块链的研究提供指导与参考[13-14]。

1 数据与方法

1.1 数据来源

以SCI数据库Web of Science核心合集为数据来源，检索策略:TS=(blockchain or block-chain or block chain)AND PY=(2000-2020)，检索时间：2020年3月31日。排除重复发表的和与研究无关的文章，共计4349篇，文献类型包括期刊文章(article)、会议论文(proceedings paper)和综述(review)。

1.2 研究方法

将检索并整理后的文献以纯文本形式导出，记录内容包括全记录与引用的参考文献，按照CiteSpace要求的格式导入到CiteSpace软件中。选取关键词进行共现分析，选取作者、机构、国家进行科研合作网络分析，选取被引文献进行文献共被引分析，节点选取方法为g指数法[15-18]。通过可视化的手段呈现科学知识的结构、规律和分布情况，把复杂的知识领域通过数据挖掘、信息处理、知识计量和图形绘制来显示出来，为研究提供切实、有用的参考。

2 研究现状

2.1 年度发文趋势

2000—2020年间，在Web of Science核心合集中检索并筛选得到4349篇符合要求的文章，年度发文量见图1。从图1看出，发文量自2016年开始呈现迅猛增长，2016—2020年的发文量占全部文献的92.2%，2018和2019年2年发文量占全部文献的73.5%，反映出国际上对区块链的研究热度在2016年后急速攀升，这与2016年比特币生态环境成熟，关注焦点开始从最初的加密数字货币转向背后的核心技术——区块链技术在产业的应用密切相关，这一年也被业界认为是中国区块链产业发展元年。

图1 2000—2020年区块链研究年度发文量

2.2 作者

发文量是衡量作者学术水平和科研能力的重要指标之一[19]。美国科学社会学家戴安娜·克兰指出，高产作者能够吸引大量科学家进入该领域，使学科知识呈指数增长[20]。2000—2020年区块链研究发文量前10的作者见表1，从表1看出，发文量前5的分别是ZHANG Y(42篇)、HASHIMOTO T(27篇)、CHOO KKR(26篇)、DU XJ(25篇)和LIU Y(23篇)。但如表2所示，合计引用次数排名前10的文章中，无前述作者为第一作者的文章，但ZHANG Y、DU XJ和GUIZANI M有合作文章。总体而言，目前高产作者的行业影响力仍较为有限。

表1 2000—2020年区块链研究发文量前10的作者

表2 合计引用次数排名前10的文章

利用CiteSpace软件绘制作者合作网络图谱，可以了解区块链文章作者被引情况以及相互合作情况，结果见图2。图2 中每个节点代表一位作者，节点大小代表作者的被引次数，节点间的连线代表了作者间存在合作关系。结合前述发文量，可以看出，区块链全球科研合作网络尚处于初步形成阶段，较为突出的是美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校的CHOO KKR已建立了较为广泛的合作网络。

图2 区块链文章作者合作网络

基于作者合作网络，进一步利用关键词聚类，显示出主要研究方向，见图3和表3。从图3可以看出，研究人员主要研究方向集中在#0联盟区块链、#1隐私保护、#2计算卸载、#3私有云和#6工业物联网。结合表3，依据作者节点中心性排名，可以看出中心性前10的作者主要从事#0联盟区块链和#1隐私保护方面的研究。

图3 作者合作网络关键词聚类

表3 作者合作网络的节点中心性排名

2.3 机构

2000—2020年区块链技术研究发文量前10的机构，见表4，从中可以看出，前10机构中来自中国的高校院所占7家，在区块链领域的学术研究十分活跃，北京邮电大学是发文量最多的机构，中国科学院、电子科技大学、清华大学、北京航空航天大学、上海交通大学、西安电子科技大学发文量排名分别位列第2、3、5、7、8、9名。从国外研究机构来看，澳大利亚联邦科学与工业研究组织、新加坡南洋理工大学和美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校的发文量也位列前10。从引用频次排名前10的文章第一作者所属单位来看，仅上海交通大学的1篇文章入围。

表4 2000—2020年区块链研究发文量前10的机构

利用CiteSpace软件绘制机构合作网络图谱，可以了解各国间区块链技术研究机构的研究成果被引用情况以及机构之间相互合作情况，结果见图4。可以看出，中国、美国、英国、澳大利亚、韩国、德国、加拿大、印度、瑞士、法国、意大利、荷兰、阿联酋等诸多国家的研究机构均在建立全球技术合作网络，但仍处于初期，尚未出现明显的聚集效益。排名前3的中国、美国、英国的机构间合作网络见图5。

图4 研究机构合作网络

基于机构和国家合作网络，进一步利用关键词聚类，显示出主要研究方向，见图6。从图6可以看出，研究机构的研究方向主要集中在#0智慧城市、#1可信硬件、#2数据共享、#3供应链动力学、#5分布式系统、#6比特币、#7博弈论、#8资源分配。

图5 中、美、英3国研究机构合作网络

图6 机构和国家合作网络关键词聚类

3 应用研究——以电力行业为例

鉴于区块链技术已引起诸多行业关注，而数字货币领域已非常成熟，从表2可以看到，区块链技术合计引用次数前10的文章中有3篇与电力行业相关，由此可见，区块链技术在电力行业的应用备受关注，属于新兴热点领域。因此，下面以电力行业为例，开展区块链技术行业应用研究的相关分析。

3.1 应用研究趋势

在Web of Science核心合集收录的4349篇区块链相关论文中，涉及电力行业应用的论文有127篇，占总发文量的2.92%。从图7可看出，最早的论文发表于2017年，2018年呈现快速增长，整体而言，区块链技术在电力行业的应用研究尚处于早期阶段。

图7 区块链在电力行业应用研究年度发文量

3.2 作者和机构

从区块链电力行业应用研究来看，由于属于应用研究且尚处于早期，如表5所示，作者发文量不高，排名前10的作者发文量均为3篇，主要来自新加坡、中国、美国、澳大利亚和英国，其中DAVISON M、SUMMERS T和TOWNSEND C D为合作作者，PIPATTANASOMPORN M和RAHMAN S为合作作者。

表5 区块链能源领域应用研究发文量前10作者

机构和国家合作网络(图8)显示出主要的合作发生在中国、美国、英国、德国、新加坡和澳大利亚，整体合作关系尚处于极早期，学术研究比较活跃的机构包括新加坡的南洋理工大学、澳大利亚的纽卡斯尔大学、英国的剑桥大学、美国的弗吉尼亚理工学院、中国的重庆大学和华北电力大学、德国的慕尼黑大学等。

图8 区块链在电力行业的机构和国家合作网络

结合机构和国家合作网络，进一步利用关键词聚类，显示出主要研究方向，见图9。从图9可以看出，研究机构有关区块链在能源领域的应用的主要研究方向集中在#0能源互联网、#1机器通信、#2交互式能源、#3本地能源市场、#5创新生态体系。区块链电力行业应用研究热点如图10所示。

图9 区块链在电力行业下的机构和国家合作网络关键词聚类

图10 区块链在电力行业应用研究热点

进一步地，按照关键词聚类的时间线，分析区块链在能源领域近年来的研究热点。2017年主要涉及区块链技术、智能合约在能源领域的应用探索，2018年开始逐步深入到电动汽车、可再生能源、微网等细分领域，2019年关于具体算法、机制和案例的探讨较多，2020年则开始侧重电力能源的交易市场、交易机制方面的研究。

4 结束语

本文从国际权威的科学引文索引数据库Web of Science收集区块链技术相关论文，采用文献计量及可视化分析方法，对区块链技术研究的发文趋势、作者、机构、国家、研究方向及热点等进行全球总体研究情况的分析，并选取电力行业作为新兴热点应用领域的代表，进行了区块链在行业应用研究方面的分析。

从总体研究趋势来看，全球对于区块链的研究不断热化，2016年以后，发文量呈井喷式增长，中国、美国、英国、澳大利亚、韩国、德国、加拿大、印度、瑞士、法国、意大利、荷兰、阿联酋等诸多国家的研究机构均在建立全球技术合作网络，但全球化的区块链合作网络尚处于初步形成阶段。中国在区块链领域的学术研究较为活跃，已出现多位发文量位列前10的高产作者，但行业影响力仍需进一步提高。从目前的研究机构来看，主要是以各国的高校院所为主，产业界大型企业的发文量较少，但并不意味着产业界大型企业未大规模进入区块链领域的研究。经同步检索区块链技术相关的专利发现，大型企业在区块链方面的科技成果更多采用了专利保护的方式。

从电力行业的应用来看，目前尚处于早期，但关注度上升很快，合计引用次数前10的文章有3篇涉及区块链技术在能源领域的应用，逐年的研究方向也在不断深化，研究热点包括区块链技术在电动汽车充电、微网、能源互联网及电力市场中的应用。

本文也存在一些局限性，仅对Web of Science数据库中的数据进行了分析，在数据信息的收集上会有所缺漏，如未专门针对中文科技文献进行统计分析，会对中国在区块链技术方面的研发成果数量存在遗漏，但考虑到Web of Science数据在全球学术研究领域的被认可度，虽然会对研究结果产生一定影响，但并不影响对该领域的整体把握，其结论依旧具有很重要的指导作用。