基于知识图谱的物联网研究文献计量分析

史进程，郭洪飞，张 儒，姜 浩+，邹政伟，屈 挺，许春宇，陈敏诗，何智慧，李从东，黄国全

(1.暨南大学 科学技术研究处，广东 广州 510632；2.暨南大学 物联网与物流工程研究院，广东 珠海 519070；3.暨南大学 智能科学与工程学院，广东 珠海 519070；4.暨南大学 管理科学与工程研究所，广东 珠海 519070；5.珠海市横琴新区建设工程质量检测中心有限公司，广东 珠海 519031;6.江西财经大学 统计学院,江西 南昌 330013)

0 引言

自从1999年Kevin Ashton教授在对射频识别 (Radio Frequency Identification, RFID)与传感器组合的全球标准系统的定义中，引入“物联网”这一概念[1]，物联网这一新兴领域就受到了全球各国政界、学术界及企业界广泛关注。2005年《ITU互联网报告2005:物联网》报告将物联网的概念进一步拓展为现代互联网外延的新维度，将RFID、传感网络技术、智能器件及设备、纳米化与小型化技术作为推荐物联网发展的支持技术[2]。一般来说，“物联网”指的就是信息传感设备组合装置与互联网构建的巨型网络，以实现“万物互联”与全方位全时段的系统控制。随着网络和计算机技术的发展，物联网逐渐演变，从将实体物件融入网络中实现相互识别与控制发展到实现实体物件信息交换通讯与网络信息的智能处理[3]。2015年李克强总理在对结合物联网与现代智能制造、工业制造4.0等基础上，提出“互联网+”的战略规划。同年，全球物联网学者也进一步提出“物联网X”的新概念。可见，物联网相关理论及技术已成为世界各国战略需求的核心研究领域和热点话题[4]。

中国工程院院士邬贺铨[5]在系统介绍物联网的组成、网络关系、技术及功能的基础上，拓展了物联网在生产与生活领域的应用；孙其博等[6]利用文献分析法，针对物联网的基本概念、特征、架构、关键技术及标准化进行了深入解析,分门别类地进行梳理总结；Ibarra-Esquer等[7]从物联网理论及技术的演化角度，对各大应用领域的演化过程进行了剖析；Lu等[8]从个体用户与组织两个角度，对物联网的商业文献进行了分类与系统综述。部分研究者更加深入地从物联网研究领域进行了情报学视角的定量分析研究。何杨平等[9]基于Web of Science核心合集，通过 CiteSpace 、 HistCite 和 Pajek 工具分析总结了物联网文献，得到可视化结果；周新丽等[10]应用科学计量和可视化方法对中国国家知识基础设施 (China National Knowledge Infrastructure, CNKI)文献数据库2003～2012年间物联网研究论文数据进行统计与分析；孙瑞英等[11]针对CNKI文献数据库2005～2015年之间物联网相关的文献绘制知识图谱和分析； Ruiz-Rosero等[12]利用Python语言开发出的ScientoPy工具，对Web of Science及Scopus文献数据库2002～2016年之间的物联网研究进行定量的统计分析； Erfanmanesh等[13]进一步对Scopus数据库2006～2015年期间物联网研究相关的文献数据进行文献计量分析、替代计量分析及网络分析。

综合以上国内外物联网研究综述发现，目前还缺乏对物联网未来研究热点和发展趋势的全面梳理，尤其在当前信息技术加速融合与创新的发展形势下，如何直观全面有效地通过可视化分析，更好地挖掘出物联网未来更为广泛的应用领域和创新持久性发展模式值得深入探索。本研究进一步对前人综述研究进行深化和外延，利用可视化工具Citespace软件，对物联网研究领域进行统计与可视化分析，对领域中的权威经典文献进行内容分析，旨在达到以下目的：①分析国内外物联网领域的研究现状及研究热点；②把握物联网研究领域的学科演化性质；③对比分析不同国家地区物联网研究领域的发展方式；④挖掘物联网研究领域的跨学科合作发展模式。

1 研究方法及数据收集

1.1 研究方法

本文研究采用统计分析，内容分析与知识图谱分析相结合的研究方法，对物联网领域进行文献计量探究。统计分析指利用综合评价指数，发文量等文献计量指标，对研究领域主体影响力进行量化分析[14]；内容分析一般用于识别文献数据中的关键特征词，并应用词频统计进行主题分析，避免纯定性分析的主观性与不确定性[15];知识图谱分析指通过可视化工具Citespace绘制共词网络、关键词时序图、基金网络、国家地区网络、机构合作网络、学科网络、文献互引网络等图谱，进一步分析物联网研究领域的研究热点、研究进程及现状、时间及空间分布、资金赞助等情况。

1.2 数据收集

本文研究数据来源为Web of Science核心数据库。为使本次研究的文献数据收集能够全面覆盖该领域的研究状况，选取主题检索方式，时间范围定义为2000年1月1日～2019年5月1日。关键词为“Internet of Things”， 通过文献摘要阅读进行人工识别和筛选，排除征稿通知，期刊声明，会议新闻及不相关文献等无效记录，最终确定了Web of Science数据库的25 077篇相关文献。

2 结果分析

2.1 研究热点分析

在文献计量学中，学科领域的研究热点一般采用高频关键词进行表征。关键词频次越高，表明该关键词所代表的研究内容越受关注。关注度较高的研究内容通常预示了该领域未来的发展趋势，有助于研究人员从整体上把握领域发展动态。为把握物联网领域研究前沿动态，据Web of Science数据收集的文献数据，绘制知识管理领域研究热点的知识图谱，如图1所示；以关键词出现的频次为序，对前20个研究热点进行统计，如表1所示。

表1 前20个研究热点统计

分析图1与表1可知，在知识图谱—研究热点中，共词网络以“Internet of things” (即领域主题)为网络中心，关键词“wireless sensor network”，“system”，“security”，“cloud computing”等紧密围绕网络中心。处于物联网研究领域的核心或接近核心地位，对该领域的研究前沿具有极强的代表性。从整体来看，物联网研究领域的关键词频次分布均衡，不同高频词的网络中心度大小差异较小，表明不同研究热点得到的关注度比较接近，在学科中的学术地位相差不大。同时，共词网络整体密度较低，网络整体呈现稀疏状态，表明物联网管理领域的研究方向较为分散，研究方向多元化，不局限于部分细分的研究方向，领域之间跨学科合作常态化但不至于紧密。具体研究热点分析如下：

(1)计算机科学领域 物联网和计算机科学前沿技术如大数据，人工智能、云计算等结合紧密。“万物物联”概念实现在获取高效获取巨量信息并进行智能化处理，有赖于前沿智能算法对信息处理的时效性的增强。分析文献发现，诸多学者应用大数据、人工智能和云计算等相关理论及技术对物联网功能进行了创新拓展。

(2)无线传感网络 物联网最初的定义就是RFID和各种其他传感器组成的全球标准网络,无线传感网络作为物联网技术发展的基础技术，包括无线传感网络的构建方式以及分布分配方式。

(3)智能城市的建设 智能城市建设是物联网最广泛的应用场景之一，主要包括在智能城市建设中的资源配置最优化、治理互动化、管理协调化等。

2.2 研究演化分析

学科的演进分析是指使用时序图类的知识图谱，获取学科领域在不同年份中的研究热点与研究主题的分布情况，以进一步分析得到物联网研究领域的演进趋势。根据Web of Science数据收集的文献数据，绘制物联网研究领域演进趋势的知识图谱，如图2所示；对图谱中物联网发展阶段的关键词和特征进行对比分析，如表2所示。

表2 物联网发展演化分析

物联网研究领域的演化趋势经分析呈现以下特点：

(1)多学科交叉研究较为频繁 物联网研究领域的文献文本数据经过聚类算法合并与分类，最终划分为9个研究主题或应用方向，包括“edge computing”,”MQTT”， “low power”,”block chain”,”5G”等。这表明物联网学科领域发展演化的过程与其他学科领域不断渗透融合，学科之间的合作较为频繁。

(2)理论研究与工业应用并重 物联网研究领域的文献可聚类成学术研究方向与工业应用方向两大类，同时沿着时间轴进行分析，大多数年份所揭示的研究热点和研究主题的关键词都囊括了理论成果与工业应用两大方面。

(3)可进化式机器学习推进物联网智能化，数据驱动实现敏捷开发与开源模式 物联网的智能化方式由传统的专家系统和控制算法向人工智能智能化方向发展，人工智能逐渐渗透到物联网应用研究领域；高效数据采集与处理技术实现物联网应用技术的敏捷开发开源共享。

2.3 基金资助信息分析

科学基金是为科研开发提供所需的资本保障[16]，也是各国科学家在研究领域中最看重的项目之一。故研究某领域的基金分布情况，能从一个侧面反映国家对该领域的科研水平和进展程度。根据Web of Science数据库收集的文献数据，绘制物联网研究基金资助状况可视化分析图谱，如图3所示；以基金资助的频次为序，将排名前10的基金资助机构总结如表3所示。

分析图3和表3可知，在知识图谱—资金资助情况中，资助次数和中心度最大的都是中国国家自然科学基金，在数量与中心度方面保持最高地位。

表3 物联网相关前10名研究资助基金情况

具体分析可知：

(1)我国物联网研究的基金资助在量与质方面均达到世界一流行列。在数量上，各类各层次科研基金繁多，说明中国对物联网学科建设及技术开发具有战略重视；在质量上，我国投资力度巨大，研究类别层次丰富，领域覆盖面广泛。

(2)我国物联网已经进入“跨界融合，集成创新和规模化发展的新阶段，迎来重大的发展机遇”[4]，同时也展现出物联网行业广阔的发展前景。

(3)中国对物联网研究支持极大并起着先锋作用；欧美韩等国家作为传统意义上的高新技术强国，在物联网研究领域具有先发优势和技术垄断，对于科研基金而言，集中管理科研基金更适合其科研成果集成化管理的自有国情。

2.4 国家地区信息分析

国际合作作为全球资源互动的主流模式之一,是由隶属于不同地理区域的各行各业的研究人员共同开展的活动。在文献计量分析的研究中，通过分析某领域的国家分布，挖掘各国对于该领域的合作深度，展现科研合作主题的价值以及未来走向。根据Web of Science数据库收集的文献数据，绘制物联网研究国家分布可视化分析图谱，如图4所示；以国家研究的频次为序，将排名前10的国家总结如表4所示。

表4 物联网研究领域排名前10国家研究情况

分析图4和表4可知，总览物联网研究领域，参与国家数量庞大，地区涵盖范围极为广泛，但国家之间合作广度和深度较浅，全球的合作网络还未形成。其中，研究热度最高的是中国，研究频次达到了6 042，是第二名美国的1.5倍左右；虽美国研究频次不如中国，但中心度却超过中国且幅度较大，说明美国在物联网研究领域的研究合作紧密程度和研究深度都比较高；中国在物联网领域仍需继续加强与其他国家的合作并提升研究深度的中心度。

2.5 研究机构信息分析

通过分析某领域科研机构可以了解该领域科研重心的偏向与各科研机构之间的合作情况，为后续该领域的发展提合作供参考。根据Web of Science数据库收集的文献数据，绘制物联网机构分布状况可视化分析图谱，如图5所示；为了对比物联网研究的机构分布以及合作情况，以机构的研究频次为序，将排名前10的机构总结如表5。

表5 物联网排名前10研究机构情况

分析图5和表5可知，从目前物联网的研究机构来看，从事物联网研究的机构主要以大学为主，研究频次前10名中有8个都是大学，占80%。表明目前物联网的研究主要以实验室理论研究为主，理论与实践的结合性还不强。图5的合作圈密集系数较高，说明各个机构之间的理论研究合作非常紧密。今后物联网研究需要加大成果转化和产业实践，要注重引导更多的企业实验室或各类研究机构参与其中。具体分析如下：

(1)研究频次排名第一的是北京邮电大学，主要承担的研究机构是其科学技术发展院，该校的物联网基础理论与关键技术入选中国“双一流”建设学科名单，表明北京邮电大学在物联网研究领域的处于权威地位。

(2)研究频次排名第二的是中国科学院大学，其物联网研究发展中心将物联网研究分设智能集成与传感器工程中心、智能视觉物联网研发中心等机构。由于中科院大学对物联网研究的规划更为详细和周全，研究中心度最高，表明从研究数量与质量上达到世界一流水平。

2.6 学科分析

分析某领域的学科分布可以更好地了解该领域学科之间的关联性，进一步预测该研究领域的未来热点、发展趋势以及学科交互特性。根据Web of Science数据收集的文献数据，绘制物联网学科分布状况可视化分析图谱，如图6所示；为了研究各学科与物联网的相关度和交互关系，以相关学科的研究频次为序，将排名前10的学科总结如表6所示。

表6 排名前10各学科研究情况

分析图6中各点的连接状况和关联程度以及表6中的数据可知：

(1)物联网学科起源于计算机科学，耦合于多学科，完备于计算机科学。研究频次排名前10的学科中计算机科学及其子领域占据大部分位置。计算机科学被称作是物联网的基础科学，物联网的研究要想长远深入地进行，需充分挖掘其与计算机科学及其细分领域的连接点，将计算机科学领域前沿热点研究拓展到物联网领域。

(2)计算机理论先行，工程学技术奠基。工程学的中心度在学科交互网络中较高，物联网技术的实现，有赖于与传统厂商产品的网络连接应用对接。物联网产品差异化特性促使工程学和其他学科的广泛合作来完成对接设计。

(3)同源互馈，同促共进。物联网技术创新与提升需求促进了计算机科学和工程学的发展，同时计算机科学和工程学最新的研究反作用于物联网技术的进步，如计算机科学前沿的技术人工智能、云计算、大数据等对于物联网信息智能处理化的支持；工程学于智能交通物联网的应用等。

2.7 共引网络分析

通过对某领域研究的文献共引网络分析，能够挖掘出作为该领域基石的经典文献与权威学者，厘清物联网领域发展的重要理论节点。根据Web of Science数据收集的文献数据，绘制共引网络分布状况可视化分析图谱，如图7所示；以各文献的被引次数为序，将排名前10的文献总结如表7所示。

表7 被引次数排名前10文献分布情况

分析图7和表7可知，意大利学者ATZORI L在物联网研究领域已经相当深入，被引文献排名前3中有两篇文献均由其撰写，他的文献主要从产品、互联网、语义3个不同的出发点总结了物联网的含义，称物联网具有“一框架、多视角”； 从技术角度看“物联网”是“基于标准通信协议唯一可寻址的物品可以相互连接的世界范围内的网络”，即通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[17]，而这目前也成是物联网领域较为权威的定义和特点。

综合分析各篇高被引文献可知，物联网研究的前沿热点集中于物联网架构、协议的讨论、物联网数据安全等，这表明物联网研究发展到了一个新的阶段，之前物联网研究的热点主要集中于传感器网络的搭建和低层的软件技术，物联网研究正逐渐从基础部分向核心部分发展。尤其排名前3的经典文献研究为物联网领域做出了突出贡献。其中Atzori等[17]确定并分析了物联网的几个主要促成要素，包括识别和跟踪技术，有线和无线传感器和执行器网络，增强的通信协议以及智能对象的分布式智能设计；Ning等[18]在U2IOT模型的基础上，提出一种基于网络物理社会的安全体系结构，用于处理信息、物理和管理安全，为物联网的安全和隐私保护方面提供了建设性的意见；Atzori等[19]提出了解决物的服务发现组成相关的重大问题的可行方法，并基于对象间的社会关系，提出一种新的“智能对象社交网络”范式。

2.8 跨领域物联网研究分析

通过绘制学科领域与作者协作网络的重叠网络知识图谱，可以分析物联网在不同研究领域中被重要权威拓展与完善的历程与现状。根据Web of Science核心论文集数据库收集的文献数据，绘制学科协作重叠网络的可视化分析图谱，如图8所示；整理各学科大类中影响力名列前茅的重要权威及对应研究工作，归纳到对应的跨学科研究领域如表8所示。

表8 交叉领域物联网研究排名前3的权威人士

分析图8和表8可知，物联网跨领域研究集中于物流、制造、交通、医疗等方面，通过分析可知：

(1)物联网技术开拓物流4.0时代。现有实现物流4.0的支持技术包括物联网、网络物理系统、大数据、云计算等[20]。 Hofmann等[21]探讨了在工业4.0背景下物联网从供应链与价值链方面对物流管理的提升与改进，并提出物流4.0的概念；Qu等[22]研究了公共生产物流服务中的制造商动态生产物流同步问题，集成现代云制造系统和物联网基础设施，以实现具有多级动态适应性的智能PLS(production logistics synchronization)控制机制；Qiu等[23]在实现工业园区供应枢纽的企业实时互动与资产实时跟踪，从实物资产服务系统、信息基础设施、决策支持系统3方核心组件实现物联网技术对工业园区供应枢纽的支持，以提高共享实物资产生产和服务的效率。

(2)物联网成果赋能智能制造。物联网收集或交换从智能传感器获取的数据，利用大数据挖掘与分析实现信息物理系统和内容管理系统，是实现智能制造的核心技术[24]。Tao等[25]提出了基于云计算和物联网的云制造服务系统框架及其架构，并分析了三者关系，构建了云制造服务系统，实现了制造资源和能力的完全共享、自由流通、按需使用及配置优化；Zhang等[26]结合云计算、物联网，面向服务技术和高性能计算等技术，从云资源、云服务，云架构3方关键组件，引入云制造模式的新制造模式，解决信息化开发和制造应用中的瓶颈问题；Wan等[27]通过分析工业物联网架构与组件设备之间的信息交互，提出了软件定义的工业物联网系统来管理物理设备，集成信息交换接口，其在智能制造环境的评估实验中性能表现优良。

(3)物联网辅助提升智能交通系统性能，促进医疗护理的可持续发展。Yu等[28]将云计算与车载网络集成，实现交通系统计算、存储与宽带资源共享，并提出新的博弈方法以资源分配；Khan等[29]、Yang等[30]、Hossain等[31]对物联网在医疗护理中的可穿戴设备、医疗监控平台等应用场景做了大量研究。

3 结束语

本文通过文献计量法对Web of Science数据库以“Internet of things”为关键词的25 077篇文献进行了全面的统计分析，通过研究国内外IoT研究的热点、国家、研究机构、基金、共被引网络、跨领域研究的分布和特点，重点对国内外物联网领域的研究现状及研究热点、学科演化性质、不同国家地区物联网研究领域的发展方式、跨学科合作发展模式进行了深入剖析，得出结论如下：

(1)大数据及云计算能力等跨学科研究成为研究热点。物联网起源于计算机科学，受辅于工程学，完备于多学科科学。在物联网研究领域，计算机领域的高新技术和物联网研究有深度的渗透交融，各国对物联网的研究主要集中在感知层、网络层/传输层、应用层3个方面。作为物联网基础的无线传感网络，作为安全保障基础的物联网安全技术，精确处理大量数据的大数据技术以及具备快速计算能力云计算等研究方向已经成为当前研究热点。

(2)跨学科合作与多学科研究融合逐步成为该领域发展的常态。物联网领域和计算机科学、工程学等学科有着密切的联系，各学科之间的最新技术互相借鉴、互相促进。

(3)物联网的理论拓展与实际应用还需更加紧密结合，未来要实现相辅相成。从研究机构分布来看，目前物联网领域的理论研究相比实际应用占的比重过高，学术界对物联网研究理论成果落实到工业应用的行动不足，建议相关部门制定鼓励措施，促进对物联网研究的科研投入反哺产业经济。

(4)我国在物联网研究领域表现的广度深度并重。广度上，我国各层次科研基金较多，领域覆盖面广泛，物联网学科建设及技术开发重拾战略重视；深度上，我国科研资助额度较大，研究类别层次深入，综合实力处于先进行列，但还需要加强与其他国家的合作并增加研究的深度，从而提升研发的中心地位。