基于Cite Space的我国路面工程领域发展状况分析

林 垚，张 丽，张 晗

（交通运输部科学研究院，北京 100029）

0 引言

传统的科技发展状况分析研究多采用定性方法，即咨询各领域的专家学者，基于其知识积累和对国内外研究现状的分析研判进行归纳总结，存在主观性过强、客观性不足的局限。因此，国内外学者开始探索将定量方法引入科技发展分析。科学计量法是定量分析方法的代表，它通过对科研成果的定量分析，可为科技发展现状、特点、趋势的辨识提供相对准确、直观的数据，能结合专家咨询法对分析结果进行印证。

基于科学计量法的科技发展分析应用可追溯至20 世纪90 年代美国兰德公司开展的技术预测[1]。随着科学计量法的不断完善，国内外学者在诸多领域开展了实证研究，包括冶金、医药、生物、材料、能源、航天、信息安全等，并逐步出现在国家、行业的技术预见中，如：日本自第8 次技术预见起，引入科学计量法识别快速发展的研究领域[2]；中国工程院在“中国工程科技2035 技术预见”中，对智能机器人和3D 打印领域进行了计量分析[3]，等等。目前，科学计量分析在交通运输领域科技发展实证研究中的应用主要涉及智能交通、交通运输设备制造等主题或领域。韩国第5 次技术预测[4]选择了SCOPUS 数据库中2000—2014 年主要科技期刊作为文献计量对象，分别对交通运输与机器人等13个领域进行了关键词共词演化分析，得出全新的技术与研究子领域或新兴研究子领域。Shiue 等[5]检索了WEB⁃PAT 中智能汽车相关专利数据，根据专利申请人与受让人、国际专利分类（International Patent Classification,IPC），分别构建社交网络和主题网络图谱，从中识别出智能汽车的核心代表和技术。徐莉贞[6]在研究辽宁省交通运输设备制造业技术预见时，利用文献计量法和文本挖掘技术，从55本中文核心期刊1999—2006年的7万多篇相关文献中提取相关高频词，梳理出技术研究热点。杨金彪[7]选取了德温特创新索引（Derwent In⁃novations Index,DII）作为数据源，统计了1987—2017 年期间智能交通专利申请量、高产机构、公开国、优先权国分布，以及专利被引量、高被引专利、高被引IPC 分类号等，梳理出全球智能交通技术在不同阶段、不同主题上的发展过程。在上述研究和应用中，通过对各类知识载体的数量统计与关联图谱的分析，揭示出研究产出、研究主题、研究力量等分布规律，提升了科技发展分析的科学性和可靠性。然而，目前科学计量分析在交通运输领域科技发展实证研究中的应用仍然较为有限，尚未覆盖交通运输全领域。

路面工程是道路工程派生出来的一个重要分支。路面质量直接影响公路的耐久性和服务功能，一直受到交通行业乃至社会大众的广泛关注。近年来，随着路面养护技术、长寿命路面技术的快速发展，在路面裂缝自动化识别、加速加载试验、新型路面结构等方面出现了许多新的研究成果，很多成果代表着当前路面工程领域新的发展方向。路面工程属于传统学科领域，不同于上述已实证的新兴交叉方向。本文尝试利用科学计量法和可视化工具，通过表格和可视化图谱对路面工程领域的研究进展进行定量和可视化分析，以期为该领域科技发展现状总结与热点跟踪提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文以中国科学引文数据库（Chinese Sci⁃ence Citation Database,CSCD）[8]为数据源。CSCD由中国科学院文献情报中心创建，是我国第一个引文数据库。它收录了我国工程技术领域出版的高水平中英文学术期刊，是国内评价学术水平的一个重要参考。

本文以“路面”为关键词检索2010—2019年CSCD 收录的期刊，提取检索结果中排名前200位的高频关键词。在咨询路面工程领域专家后对检索词进行调整和补充，制定检索式，主要检索词包括：路面、沥青、水泥、集料、混凝土、混合料、改性剂、级配、配合比、油石比、空隙率、压实度、平整度、车辙、裂缝、弯沉、模量、温度场、接缝、灌缝、吸收层、加铺层、封层、碾压、摊铺、离析、沉降等。本文检索时间跨度为2010—2019年，检索日期为2020年7月。通过主题检索，共检索到1 443 篇文献。再逐一检查，剔除与主题不相关者后，共得到有效文献1 292篇。

1.2 研究方法

科学计量法是运用数学、统计学等方法对一定时期内发表的研究成果、科学家、研究机构等进行统计分析，发现科学技术发展状况、特点和趋势的一种定量分析方法[9]。本文使用的主要方法包括：

（1）总体现状分析的计量方法。基于文献特征统计方法来实现，具体是对题名、关键词、作者、机构、年代、期刊等科技文献实体的外部特征值进行统计，从数量指标上来完成相关内容的分析，其分析结果通过统计图表展现[10]。

（2）科研合作网络分析的计量方法。科研合作是科研主体（科研人员、机构等）由于工作的需要与其他科研主体相互交流、合作而形成的一种关系。基于这种关系形成的网络即科研合作网络。可采用中心性等指标分析科研主体在网络中所处的地位。

（3）面向研究热点探测的计量方法。词频分析法和共词分析法是研究热点探测中运用最为广泛的方法。以文献的高频关键词或主题词为对象，利用词频分析完成关键词或主题词的频次统计，将出现频次超过一定阈值的高频词提取出来进行共词分析，构建共词网络图谱，以高频词聚类表征的主题来表示研究热点。

1.3 研究工具

本文采用的分析工具为Excel 和Cite Space 5.6.R2[11]。Cite Space 是由美国德雷塞尔大学计算机与情报学教授陈超美开发的科技文本挖掘及可视化软件。它能够通过可视化的手段呈现科学知识结构、规律和分布情况[12]。其主要功能包括共被引和耦合网络分析、科研合作网络分析、主题和领域共现网络分析等。Excel用于实现总体现状分析，Cite Space用于实现科研合作网络分析和研究热点探测。

2 数据分析与图谱解读

2.1 论文产出分析

图1 为路面工程领域2010—2019 年年度发文量及基金论文数量统计。如图1 所示，2010—2019 年期间，该领域发文量平稳，基金论文平均占比为87.3%。基金论文占比是指国家、省部级等重要基金资助的论文占全部论文的比例，是衡量期刊论文学术质量的重要指标。按照基金级别划分，该领域依托国家级和省部级基金项目产出的论文数量最多，分别为675篇、992篇，超出总发文量的50%。排名前15位的路面工程领域高发文基金项目如图2所示。

图1 路面工程领域2010—2019年年度发文量及基金论文数量统计

图2 排名前15位的路面工程领域高发文基金项目

2.2 研究机构分析

路面工程领域涉及一级发文机构共229 个，总被引频次排名前10 的研究机构如表1 所示。这些机构的论文篇均被引频次大于8 次/篇，南京理工大学的篇均被引频次最高，为16 次/篇。从表1中列举的二级机构可以看出，路面工程领域的高被引机构集中在高校或科研院所下属的公路学院、土木工程学院、交通学院、道路中心，以及依托上述机构建立的实验室，部分高校的材料学院、信息工程学院、计算机科学与工程学院等也涉足了此领域研究。

科学合作是研究者为生产新的科学知识这一共同目的而在一起工作[13]。Cite Space 提供3 个层次的科学合作网络分析，分别为国家合作（宏观）、机构合作（中观）和学者合作（微观）。本文将在一篇论文中同时出现不同机构或作者的情形确定为存在合作关系，对中观和微观合作关系进行分析。

表1 路面工程领域排名前10位的高被引机构

图3 为发文机构合作聚类图谱。图中设置时区分割为1，阈值为（1,2,25）、（4,3,20）、（4,3,20），保留前5%节点，得到节点226 个，连线213 条，Q值为0.851 9，S值为0.501 4。Q值即Modularity 值，它是网络模块化评价指标，其取值区间为[0,1]。Q值越大，表示聚类越好。Q＞0.3时聚类显著。S值即Silhouette 值，它是网络同质性评价指标。S值越接近1，表示网络同质性越高。S＞0.5时，聚类结果为合理[5]。图3中Q值与S值符合上述标准。

图3 科研机构路面工程领域合作网络图

图3中节点的大小代表机构发表论文的多少。节点越大，发文量越高，节点标签亦越大。节点中不同颜色的色环代表了机构发文的不同时段。若节点被紫红色色环环绕，说明这些机构的中心度＞0.1，为高中心度机构。Cite Space 用中介中心性来衡量节点中心度，从而发现研究机构的重要性。中心度越高，说明该机构越活跃，不仅发表文献多，而且越能起到合作联系的作用。节点间的连线揭示机构共现关系，其粗细反映共现强度。不同颜色的节点与连线代表具有同质性的科学共同体。

由此可得，长安大学、同济大学、交通运输部公路科学研究院、长沙理工大学、哈尔滨工业大学、东南大学等为高发文机构。对照图中顶部的时间坐标，长安大学、同济大学的发文时段为2010—2019年，交通运输部公路科学研究院、长沙理工大学、哈尔滨工业大学、东南大学的发文稍晚于前者，集中于2011—2019年。其中，长安大学、同济大学、交通运输部公路科学研究院、长沙理工大学为高中心度机构。华南理工大学、中南大学的发文不多，然而在机构合作中发挥了关键作用。图中显示了8个较突出的科学共同体。每个科学共同体中有1～2 个高发文机构，以他们为中心发出合作连线，多为星状连接。科学共同体间的合作关系有强有弱，合作对象主要为高校、科研院所及部分企业。

通过关键术语，表2 列举了各科学共同体在路面工程领域的合作研究内容。关键术语是通过从论文标题、关键词或摘要中提取名词性术语得出，采用的方法主要有潜语义索引（Latent Se⁃mantic Index,LSI）算法、对数似然率（Logarith⁃mic Likelihood Ratio,LLR）算法及互信息（Mutu⁃al Information,MI）算法[12]。表2 中，“类号”即聚类结果的编号，对应于图3 聚类得出的8 个科学共同体，关键术语是采用LLR 算法从关键词中提取。

表2 科研机构在路面工程领域合作研究内容

2.3 研究人员分析

路面工程领域涉及830 个第一作者，总被引频次排名前15 的作者见表3。其中，谭忆秋、李盛、郭寅川等的被引频次和发文量排名均位于前列，说明他们在科研产出规模与影响力上皆表现突出。不同于高发文作者或高被引作者，程玲、徐威、孙晓立3人的发文量不高，而他们的论文篇被引频次排位前三，超过34次/篇。此指标反映出这3位作者发表高水平论文的概率较其他作者更大。

表3 路面工程领域排名前10位的高被引作者

表3 （续）

将作者间的合作关系进行聚类，如图4所示。图中设置时区分割为1，提取每个时区中出现频次排名前60%的作者，保留前5%节点，得到节点327 个，连线308 条，Q值为0.945 9，S值为0.656 1。如图4所示，黄晓明、谈至明、王选仓、谭忆秋、张争奇、田波、沙爱民、陈拴发等作者的合作发文较多。其中，黄晓明、王选仓、张争奇、谭忆秋的发文时段较广，且在近1～2 年内仍为活跃作者。图中显示了7 个较突出的科学共同体。以黄晓明、田波为代表的科学共同体形成了较为丰富的作者间关联，为网状连接。其余共同体的作者关联由高发文作者发出，多为星状连接。通过梳理其中代表作者的合作关系发现，机构内部合作多于与外部机构合作。在上述提及的代表作者中，黄晓明、沙爱民与外部机构作者的合作较多，合作开放程度较其他作者稍高。

图4 路面工程领域作者合作网络图

同样应用LLR 算法，分析各作者共同体的合作研究内容，如表4所示。

表4 作者在路面工程领域合作研究内容

2.4 研究热点分析

关键词是对文献主题的高度概括。对2010—2019 年路面工程领域关键词的出现频次由高到低进行排序，排名前30 位的高频关键词如表5 所示。关键词的词频越高，表明该领域对其的关注度越高。高频关键词词频分析通常用来研究该领域的发展动向。根据表5 可知，从研究对象看，对沥青路面的关注明显多于水泥路面；从研究内容上看，路面工程领域的研究热点集中于路面材料性能、结构力学理论、路面性能预测、路面病害检测、路面养护技术等方向。

表5 路面工程领域排名前30位的高频关键词

在词频分析的基础上，本文利用Cite Space对关键词进行共现分析，即共词分析。共词分析是统计一组词语在同一篇文献中同时出现的次数，然后利用聚类分析生成共词文献簇，进而分析这些词所代表的主题结构变化。图5 为路面工程领域关键词共现聚类网络图。

图5 路面工程领域关键词共现网络图

图5中设置时区分割为2，阈值为（2,2,25）、（4,3,27）、（4,3,27），保留前5%节点，得到节点105 个，连线117 条，Q值为0.763 2，S值为0.530 2。从整体上看，沥青路面、水泥路面、有限元、沥青混合料、路用性能、半刚性基层、车辙、温度场、数值模拟、反射裂缝等关键词节点较大，出现频次在30次以上。通过各节点的年轮颜色可以判断，这些词几乎覆盖了整个研究时段。然而，水泥路面、沥青混合料、路用性能、温度场等关键词的中心度在0.06～0.07之间，即关键词出现频次高并不意味着中心度亦高。上述未提及的高频关键词中心度大于0.16。应变、力学响应、应力吸收层、黏弹性、裂缝长度、级配、动力响应等关键词的节点较小，最小出现频次为5 次。然而，它们的中心度较高，中介中心性大于0.2。高频关键词的利用频次较高，为该领域重要的知识基础；高中介中心度关键词是连接高频关键词的重要术语，对该领域的研究演进作出重要贡献。具备高频和高中介中心性两大特性的关键词，代表着研究热点主题。由此可得，围绕沥青路面、半刚性基层、车辙、反射裂缝、有限元等的研究是近10年内该领域的热点方向。经过聚类，图中主要显示了9 组关键词簇。采用LLR 算法，得到各聚类的主题标签依次为：沥青加铺层、水泥混凝土路面、微表处、水泥稳定材料、沥青混合料、裂缝宽度、性能试验、半刚性沥青路面、轴载换算。

突发性探测是从文献标题、摘要、关键词、描述词中提取使用频次突然增多或在短时间内突然出现的关键词[14]，从而探测该领域研究兴趣的变化。表6列举了路面工程领域突现强度排名前5位的关键词，突现值越高，说明在文献中出现频率增长越快。

表6 路面工程领域的突现关键词

如表6 所示，路用性能的突现强度最高，时间跨度为2018—2019 年，即从2018 年成为研究“中心”后持续至2019 年，说明未来还可能受到持续的关注。类似的关键词还有裂缝检测、加速加载试验等。

3 发展现状讨论

3.1 机构分布及合作方向

路面工程领域的高发文机构主要包括长安大学、同济大学、交通运输部公路科学研究院、长沙理工大学、哈尔滨工业大学、东南大学等，其二级机构集中在道路或土木工程学科方向。由表1可以看出，这些机构的文章被引频次亦较高，在科研产出影响力上表现出较大优势。由图3可知，这些机构同时为高中介中心性机构，在学术共同体中发挥重要媒介作用，并在10年内保持着较高的活跃度。如表2 所示，代表性机构的学术合作方向涵盖了理论分析、应用技术、材料特性等方面，具体研究方向如下：0#为水泥混凝土路面方向，例如传荷能力、板底脱空处理等；1#为水泥路面、透水性沥青路面、路面集料等方向，例如滑模摊铺工艺、机制砂等；2#为沥青混合料方向，例如沥青浸渍法的理论密度、排水性沥青混合料等；3#为路面车辙预估、路面平整度、混合料的疲劳性能等多个方向；#4 偏重于实际应用，例如级配碎石性能、路面车辙的控制标准、路面抗滑性能衰减等；5#集中在理论分析层面，例如行车速度对路面性能的影响、移动荷载作用下的力学响应等；6#为路面养护方向，例如微表处、预防性养护措施等；7#的合作领域较多，包含了路面结构层的层间联结、车辙性能预估、结构的力学响应分析等内容。

3.2 学者分布及合作方向

路面工程领域的高发文或高被引作者如表3、图4 所示，他们的所属单位与上述代表性机构范围基本吻合。由于路面工程与其他学科相关，随着信息技术的发展，很多其他机构学者加入到该领域研究中，并发表了高水平论文。如在第一作者中，21%的学者的二级机构隶属材料科学与工程、环境科学与工程、电子信息工程等学科方向；在高被引作者中，程玲、徐威发表了有关沥青节能摊铺、路面裂缝检测的研究成果，他们的专业分别为机械工程、计算机科学与工程。尽管如此，道路工程、土木工程等传统方向的资深学者仍为学术合作的核心。根据表4 所示，以黄晓明、王选仓、沙爱民、张争奇、田波、谈至明、谭忆秋为中心的学术共同体的合作研究方向分别是：0#连续配筋水泥路面、沥青混合料性能方向；1#复合式路面、旧水泥路面改造方向；2#路面性能检测方向；3#路面的表面特性方向；4#水泥路面应用技术方向；5#水泥路面的力学模型方向；6#沥青路面结构力学分析与功能性材料方向。

3.3 热点主题方向

根据图5所示聚类结果，结合文献分析可得，路面工程领域的热点主题包括：

0#反射裂缝防治技术研究方向，主要包括级配碎石、应力吸收层等反射裂缝防治技术措施，旧水泥路面改造的抗裂技术，以及加铺层材料的抗剪性能、疲劳寿命研究等；

1#水泥路面方向，主要包括水泥路面的力学分析方法，如车路耦合动力学研究方法，模量、应变等力学响应研究，以及重载、温度梯度等边界条件对路用性能的影响分析等；

2#路面养护技术方向，主要包括预防性养护、微表处、就地热再生等养护技术研究，以及基于加速加载试验的沥青路面与典型养护措施的长期性能研究等；

3#水泥稳定材料性能研究方向，主要包括水泥混凝土配合比设计，温度应力对材料性能的影响研究，以及路面的抗滑性能研究等；

4#沥青混合料性能研究方向，主要包括沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性研究，以及材料性能的理论分析方法研究，如断裂力学、模拟试验等；

5#路面结构研究方向，特别是水泥路面的有限元分析，主要包括连续配筋混凝土路面的力学分析，路面的裂缝间距、长度计算，以及路面结构的动力响应研究等；

6#沥青混合料性能试验研究方向，主要包括混合料的抗裂性能、弯拉强度试验研究，基于超声波的性能检测方法，以及沥青混合料的力学参数研究等；

7#沥青路面路用性能研究方向，主要包括半刚性基层、柔性基层沥青路面的性能分析，温度场对路面性能的影响分析，路面车辙的产生机理与防治技术研究，以及沥青路面性能的预估模型研究等；

8#路面结构力学设计方法研究方向，主要包括复合式路面的力学响应分析，基于疲劳等效的沥青路面轴载换算方法，以及路面的永久变形、抗剪强度研究等。

另外，分析结果也显示出路面裂缝检测的研究方向，该方向与其他聚类交叉较少，主要包含裂缝的图像处理、裂缝识别等技术。

3.4 突现词分布

如表6 所示，从内容上看，突现词主要分布在路面病害、路用性能等方向。路面病害方向的关键词包含路面裂缝、裂缝检测等。随着我国高速公路养护任务的日益繁重，路面病害特别是裂缝类病害的检测与防治在2014年后受到了更多关注。路用性能方向的关键词包括路用性能、加速加载试验等。这一方向的突现词是由于长寿命路面、永久性路面理念在国内逐步得到推广，对沥青路面长期性能的试验研究明显增多引起的，从2018 年起出现激增。从上述突现词的时间跨度看，这两个方向可能在今后一段时间内持续成为研究热点。

3.5 讨论

综上所述，2010—2019 年，我国路面工程领域产出了一批依托各类基金项目的较高质量的科研成果，形成了以高校和科研院所为中心的研究力量，包括代表性的个体和具有相似研究方向的科学共同体。然而，科学共同体的开放程度有限，鲜见多元合作和国内外合作。从研究力量的学科方向来看，包含交通及相关学科方向，其中相关学科方向占据了一定比例。从研究合作方向、热点主题以及突现词来看，随着我国高速公路从大规模建设时期向养护运营时期转变，以及对环保性、耐久性、功能性方面要求的日益提升，路面工程的发展呈现出以下特点：一是对我国高等级公路典型路面裂缝的研究深入，从裂缝发生机理到防治技术，再到裂缝检测与自动识别，形成了一系列技术成果；二是对路面结构、材料耐久性的关注越来越多，特别是利用加速加载等先进的试验方法，对不同类型的路面结构、组合方式、材料性能、力学响应等进行了深入研究；三是在路面养护技术、功能性材料等方向取得了很多突破，例如各种养护技术的长期效果，以及降噪、排水、连续配筋式路面和材料的理论分析与应用技术等。

4 结语

本文应用科学计量法和Cite Space 分析工具，较为清晰地展现了路面工程领域的论文产出、发文机构、发文作者、主要研究内容等发展现状。从图表所展示的结果参数来看，可视化图谱具有较好的可靠性。将图表结果与相关文献进行对比后发现，图表能有效揭示路面工程的研究现状，且结论总体可靠。这一分析结果可作为定性分析的参考与补充。

然而，本文仅选取了CSCD 收录的中文期刊进行了实证研究，对其他期刊数据源，以及会议论文、专利等其他类型数据源未作采集，因而分析结果在全面性和时效性上存在局限。此外，本文主要展示了路面工程领域的发展现状，对其发展演化过程和研究前沿未作揭示。除Cite Space外，科学计量分析工具还有多种。有分析认为，VOSviewer 在英文文献应用中的准确度高于Cite Space。因此，下一步研究将针对国内外多元数据源，研究引文分析等前沿探测方法，并对比不同计量分析工具进行实证，结合本文的研究成果，提炼形成较为完善的交通运输科技发展态势计量分析方法体系。