高速铁路轨道工程的研究热点与演化路径分析

2021-08-08蔡超勋郑俊巍杨笛晗谢洪涛

铁道建筑 2021年7期

蔡超勋郑俊巍杨笛晗谢洪涛

1.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京100081；2.昆明理工大学建筑工程学院，昆明650500；3.昆明理工大学管理与经济学院，昆明650093

近年来我国高速铁路快速发展，通过引进、消化、吸收和再创新，掌握了高速铁路CRTSⅠ、CRTSⅡ型板式及双块式无砟轨道设计、工程材料、建造技术等成套技术，自主研发了CRTSⅢ型板式无砟轨道结构及配套扣件，形成了具有自主知识产权的无砟轨道成套技术体系，并应用于印尼雅万高速铁路。

与此同时，高速铁路轨道工程技术的研究也呈现快速增长态势，成为高速铁路领域中的学术研究热点。对高速铁路轨道工程中学术群体和合作关系、研究热点与其演化规律进行深入剖析，有助于厘清高速铁路轨道工程的研究脉络。因此，本文以2010—2020年高速铁路轨道工程领域中英文期刊论文为样本，采用文献计量与知识图谱方法进行统计分析，针对上述问题展开研究，探究高速铁路轨道工程近10年的研究热点与演化路径。研究结果可为高速铁路轨道工程领域的学术研究提供参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法与分析工具

本文运用文献计量的方法对检索的有效文献题录数据展开分析，绘制与解读知识图谱结果。文献计量就是运用数学、统计学的相关知识对某一研究领域进行量化统计分析，从而揭示研究领域分布与发展的宏观规律，并预测其研究前沿［1］。知识图谱是一种基于网络的可视化技术，通过引文分析、共被引分析、共词分析等技术显示某一研究领域的发展趋势、动态与图景［2］。目前可用于文献计量和绘制知识图谱的工具有很多，本文使用CiteSpace软件作为主要的分析工具，展开研究机构的合作分析，以表征研究机构的合作关系，同时通过关键词共现和聚类分析探究研究热点，最后结合关键词突现分析研究领域的前沿变迁过程。

1.2 数据来源

本文统计的英文数据以Web of Science核心合集为数据库，对文章标题（TI）中包含“high-speed rail*”或“high speed rail*”和“track”的文献进行搜索，确定检索式为TI=（high speed rail*or high-speed rail*and track*），共检索到2010—2020年文献147篇，最终剔除重复的、与高速铁路轨道不相关及会议论文文献等，得到与高速铁路轨道相关的英文文献139篇。

本文统计的中文数据来源主要来自中国知网（CNKI）数据库，同样以篇名中包含“高速铁路”或“高铁”且包含“轨道”进行组合搜索，限定文献来源为EI来源、核心期刊、CSCD数据库，初步得到2010—2020年文献388篇。经筛选与剔除重复的、实际内容与高速铁路轨道不符的文献，且去除会议摘要、综述、述评等不相关的文献，最终得到与高速铁路轨道相关的中文文献373篇。

2 高速铁路轨道工程领域论文数量及分布

2.1 学术论文发表趋势

2010—2020年国内外期刊高速铁路轨道研究领域发表论文趋势见图1。可知，2010—2020年中文期刊关于高速铁路轨道的研究持续稳定在30～40篇∕年；国际期刊关于高速铁路轨道的相关研究在2017年以前的发表数量低于10篇∕年，在2017年以后有了较快增长，主要体现为中国学者在国际期刊发文数量快速增长，至2020年仍在持续增加，说明中国学者已经成为高速铁路轨道工程领域学术研究的核心力量。

图1 2010—2020年国内外期刊高速铁路轨道研究领域发表论文趋势

2.2 研究机构合作与分布

机构之间的合作与交流，有利于推动研究的深入。本文针对高速铁路轨道相关的中英文文献分别展开研究机构的合作关系分析，得到高速铁路轨道领域中的科研合作网络，见图2。在高速铁路轨道研究领域，就中文文献而言，西南交通大学、中南大学和北京交通大学三所高校均具有较高的发文量。除高校之外，一些实验室与科研机构在高速铁路轨道研究领域具有显著的影响力。在英文文献中，高速铁路建造技术国家工程实验室（National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction）发文量排名第四；在中文文献中，中国铁道科学研究院集团有限公司与中国国家铁路集团有限公司分别排名第二与第五。

图2 高速铁路轨道研究机构的合作网络

中心度反映了节点在网络中的重要程度及关键位置［3］。其中，西南交通大学、中南大学具有较高的中心度，说明西南交通大学、中南大学在高速铁路轨道研究的合作与交流较为突出，且大多与其他高校展开合作。中国铁道科学研究院集团有限公司在中文文献中的中心度同样较高（0.21），主要与铁路相关的各单位展开合作，如中国铁路经济规划研究院、中铁二院工程集团有限责任公司等。可见，近10年来，在高速铁路轨道研究领域，研究机构主要集中于中国，学术合作也集中于中国各大高校或科研机构之间。

2.3 国际合作与分布

以高速铁路轨道英文文献为基础，运用R程序绘制合作地理视图，见图3。颜色深浅代表发表数量的多少，红色曲线代表各国之间的合作关系。其中中国发表高速铁路轨道的文献数量最多，为103篇。美国9篇，伊朗4篇，英国3篇。中国与美国、加拿大、英国等国家的学者之间存在合作关系。在英文文献中被引次数较多的国家有中国（被引786次），葡萄牙（124次）、美国（73次）、西班牙（37次）。由此可见，中国学者在高速铁路轨道研究领域具有较高程度的影响力，在这一领域处于领先地位。

图3 高速铁路轨道研究领域的合作地理视图

3 高速铁路轨道工程技术研究热点

研究热点是指某一时期内学者们共同关注的主题、议题或焦点［3］。关键词是对研究主题的高度性概括，其频次反映了这一领域的研究热点［4］。通过对高速铁路轨道中英文文献的关键词共现分析及聚类分析，可以呈现高速铁路轨道工程领域的研究热点及相应知识结构。

3.1 关键词共现分析

高速铁路轨道研究关键词共现网络见图4。

图4 高速铁路轨道研究关键词共现网络图

由图4可见：

1）在中文文献高速铁路轨道研究中，无砟轨道、不平顺性、板式无砟轨道、路基、动力响应等关键词出现的频次均在10次以上，其中无砟轨道与不平顺性的中介中心性较高，体现了其在国内高速铁路轨道研究领域中的关键地位。这表明在国内高速铁路轨道研究领域中，针对高速铁路无砟轨道的研究最多，如针对CRTSⅡ型和CRTSⅢ型无砟轨道的研究、双块式或板式无砟轨道的研究等。针对高速铁路轨道不平顺性的研究居其次，如基于轨道不平顺的动力响应问题、轨道控制网测量问题、轨道平顺性评价等。

2）在英文文献高速铁路轨道研究中，train（列车）、ground vibration（地面振动）、slab track（板式轨道）、load（荷载）等关键词出现的频次较高，且performance（性能）、ground vibration（地面振动）、behavior（行为）、system（系统）等关键词的中介中心性较高，体现了国际上高速铁路轨道研究领域侧重高速铁路轨道的动力性能、振动影响、动力响应行为等方面的研究，尤其是关于地震影响模型、动力响应、性能变化、车辆荷载影响等方面的研究。

3.2 关键词聚类分析

运用CiteSpace软件对高速铁路轨道研究进行关键词聚类分析。结合相关文献，发现中文文献关于高速铁路轨道研究主要围绕无砟轨道、不平顺性、铁路桥、路基、有砟轨道等12个聚类。主题按热点分为：①高速铁路无砟轨道，包括无砟轨道、板式无砟轨道、CRTSⅢ型板式无砟轨道、CRTSⅡ型板式无砟轨道等聚类，主要探讨板式无砟轨道的动力学特性，CRTSⅠ型［5］、CRTSⅡ型［6-7］、CRTSⅢ型板式无砟轨道［8］的受力性能均有涉及；②轨道不平顺性，包括不平顺性、轨道随机不平顺等聚类，主要探讨高速铁路轨道平顺性的检测［9］、评估或综合评价［10-11］，以及轨道不平顺对高速列车运行的影响［12］；③检测监测技术，包括解析模型、轨道电路、有限元分析、磨耗检测等聚类，主要针对高速铁路轨道的养护维修技术［13］、检测监测方法［14］，以及运用有限元方法分析温度场、高温问题［15］，对高速铁路钢轨变形的原因解析［16］；④铁路桥轨系统，包括铁路桥、路基等聚类，主要探讨高速铁路路基动力响应［17］，以及不同类型铁路桥梁对轨道的影响［18］。

在英文文献高速铁路轨道研究中，同样有针对ballastless track（无砟轨道）、track irregularities（轨道不平顺性）、track-bridge system（桥轨系统）等与国内高速铁路轨道一致的聚类，另外还有curved track（曲线轨道）、high speed train（高速列车）、structural health monitoring（结构健康监测）等聚类。主题按热点分为：①高速铁路无砟轨道及不平顺性，包括high-speed（高速）、track irregularities（轨道不平顺性）、high speed train（高速列车）、ballastless track（无砟轨道）等聚类，如高速列车在无砟轨道上行驶引起的振动对轨道不平顺性的影响［19］；②高速铁路桥轨系统，包括rotation friction damper（旋转摩擦阻尼器）、optimal modulus（最佳模数）、track-bridge system（桥轨系统）、simple support bridge（简支桥梁）等聚类，如对高速列车、桥梁与轨道之间的相互作用影响展开探讨［20］；③轨道检测监测，包括track geometry data（轨道几何数据）、computer vision（计算机视觉）、structural health monitoring（结构健康监测）等聚类，尤其是探讨运用先进的技术手段对高速铁路轨道进行检测监测［21］；④轨道结构优化，包括curved track（曲线轨道）、model test（模型检验）、railway optimization（铁路优化）、absolute stress（绝对应力）等聚类，如高速铁路板式轨道路基性能的改善［22］。

4 研究热点演化趋势分析

研究前沿是研究领域中突然出现或正在发酵的新研究趋势或方向，不同时期的研究前沿能够体现研究领域的演进路径。运用CiteSpace软件进行“突现词”检测，探究高速铁路轨道研究前沿及研究路径。

4.1 中英文文献中研究热点的演化趋势

关键词突现图谱见图5。

图5 高速铁路轨道中英文文献关键词突现对比（Top 20）

由图5可见：

1）中文文献高速铁路轨道研究领域得到换填厚度、轨道基准网、板式无砟轨道、动力响应等突现词，依据突现时间排列，国内高速铁路轨道研究的突现时间可分为：①在2010—2012年，轨道基准网的突现程度为4.49，换填厚度与板式无砟轨道的突现程度也均大于2，可见这些关键词是这时期关注程度较高的研究主题；②2012—2016年，突现程度较高的关键词有精度评定、动力响应、地震反应等，尤其是与高速铁路轨道不平顺性相关的精度评定的研究受到关注；③2016—2020年，铁路桥、试验研究、轨道精调等关键词的突现程度均在2以上，可见高速铁路轨道不平顺性的研究仍然在持续，同时高速铁路桥轨系统以及试验研究引起了重视，侧重关注高速铁路不同系统之间的相互影响。

2）英文文献高速铁路轨道研究领域中关于train（列车）、dynamic analysis（动态分析）、ground vibration（地面振动）等关键词的关注度较高，结合突现时间可分为：①2010—2014年，train（列车）的突现程度为3.62，dynamic analysis（动态分析）、vibration（振动）等关键词在高速铁路轨道英文文献中的突现程度也较高，这一时期学者们较为注重高速列车、振动与轨道之间的相关性研究；②2015—2017年，突现程度较高的关键词有ground vibration（地面振动）、soil medium（岩土介质）、wave propagation（波传播）、critical speed（临界速度）等，与国内高速铁路轨道研究同样关注轨道不平顺性的问题，以及振动对轨道的影响：③2018—2020年，track geometry（轨道几何）、fatigue（疲劳）等关键词引起关注，更多地探究高速铁路轨道检测监测技术。

4.2 不同机构的研究热点对比

运用“突现词检测”技术对高速铁路轨道研究机构进行检测，结合突现时间先后，在英文高速铁路轨道研究相关文献中，早期Heriot Watt University关注新型材料在铁路轨道中的应用［23］。2014—2018年高速铁路轨道平顺性受到Tongji University关注［19］；对于高速铁路轨道与路基系统受到的振动影响问题先后引起Zhejiang University和Tongji University的共同关注［24］；随后有关高速铁路轨道动力响应的问题引起重视，如桥墩差异沉降、地面分层沉降等引发的影响［25］。2017—2020年，Iran University of Science and Technology主要关注环境对于高速铁路轨道运行的影响，如飞石、侧向风［26］等。Shijiazhuang Tiedao University侧重运用不同的先进方法对高速铁路轨道性能进行检测与评估［27］。Southwest Jiaotong University关注高速铁路桥轨系统，如地震对桥轨系统的影响［28］、轨道的检测监测方法［29］及轨道的动力性能［30］等。

从高速铁路轨道研究的中文文献可以看出，早期高校对于高速铁路轨道的问题较为关注，如中南大学关注高速铁路无砟轨道路堑基床的动应力问题［31］；河海大学则关注高速铁路无砟轨道基准点的测量问题及处理方法［32］；东南大学更为关注高速铁路无砟轨道的结构动力性能、温度荷载问题［33］；浙江大学侧重列车移动荷载对于高速铁路轨道性能的影响［34］。随着高速铁路轨道研究的发展，一些单位从现场实际问题出发展开探讨，如中铁第一勘察设计院集团有限公司探讨严寒地区高速铁路路基无砟轨道的设计；中铁二院工程集团有限责任公司同样针对严寒地区探讨高速铁路轨道结构选型问题；中国铁路设计集团有限公司（原铁道第三勘察设计院集团有限公司）则关注高速铁路轨道的优化设计问题，并有针对性地对高速铁路轨道的技术问题提出解决方案。中国国家铁路集团有限公司关注路基冻胀对高速铁路轨道受力、平顺性等的影响，以及高速铁路钢轨波磨问题［35］。