基于知识图谱的应急救援定位技术研究可视化分析

孔令谦 郭芷含 张丁然 张云明副教授

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

0 引言

应急救援一般指针对突发、具有破坏力的紧急事件采取预防、预备、响应和恢复的活动与计划。应急救援定位技术作为应急救援系统的重要组成部分，在保障救援人员人身安全的同时，能够提高应急救援效率。当前，国内外学者对室内外定位技术进行了广泛而深入的研究，但实际应用到消防救援中的实例很少，国内有关应急救援定位领域的综述类文献相对较少，导致人们对该领域的直观认识不足。科学知识图谱作为一种可视化工具，可以展现出学科领域的前沿热点及整体知识结构。文章以CiteSpace作为研究工具，对CNKI数据库中相关研究文献进行可视化分析，挖掘知识结构及前沿热点，研究该领域的研究现状，以期对我国应急救援定位技术领域的发展有一个更为清晰的认识。

1 研究方法与数据来源

以CNKI中的“中国学术期刊网络出版总库”“中国博士学位论文全文数据库”“中国优秀硕士学位论文全文数据库”和“国际会议论文全文数据库”4个数据库作为来源，根据应急救援定位技术研究相关文献特点，选择“应急救援”“消防”及“定位”为检索关键词，检索表达式为(SU=‘应急救援’OR SU=‘消防’)AND SU=‘定位’，检索时间范围为：2001-2020年。检索共得到1 265篇文献，对数据进行合并、清洗等预处理后，确定有效文献700篇。将数据导入陈超美教授开发的CiteSpace可视化软件，对样本文献进行可视化分析，总结该领域的研究现状及发展趋势。

2 应急救援定位研究的基本情况

2.1 文献产出分析

年度文献产出是反映应急救援定位研究发展的重要指标，是展示其发展程度的重要窗口。从图1可以看出，该领域近20年论文产出总体呈上升趋势。其中2001-2005年每年文献产出量都低于10篇，为该研究领域的萌芽期；2006-2009年文献产出量有所增加，为初步增长期；2010-2012年发文量为年均40篇，呈较快增长趋势，为该领域的过渡期；2013-2020年产出量虽有波动，但发文量总体在较高水平，为该领域的蓬勃发展期。2015年文献产出量剧增，达到峰值73篇。自2018年应急管理部组建到新冠疫情席卷的2020年，该领域3年的发文量已超过2001年-2010年的文献总量，显示该领域研究从稳步增长到快速突破的发展过程。

图1 2001-2020年国内应急救援定位技术研究的年代分布Fig.1 The chronological distribution of the domestic emergency rescue positioning technology research from 2001 to 2020

随着应急管理部组建及新冠疫情的成功应对等标志性事件的发生，应急救援研究得到学者们的高度重视。应急救援中的定位技术一直是持续研究的热点领域，并已有较强的研究基础，该领域也可能面临着新的突破。

2.2 作者合作网络分析

通过对发文作者的分析，可识别出研究领域的核心人物，研究领军学者所产出的文献，进而了解该研究领域的研究前沿。在CiteSpace中，将2001-2020年的数据以1年为1个切片切分，生成作者共现网络图，如图2。图2中共有427个节点，200条连线，合作密度为0.002 2，其中团簇代表团队，节点表示作者，连线表示作者间的合作关系，姓名的大小与发文量成正比。不难看出，我国应急救援定位技术研究领域发文量较多的有李强、杨刚、朱士玲等学者。从整体来看，作者之间连线较少且合作群体相对分散，这说明作者及不同群体之间缺乏合作，在未来还需要进一步加强合作共享。

2.3 机构合作分析

学科的未来发展走向与该学科的主要发文机构有着紧密联系，分析论文高产出量的机构，可以了解学科目前的主要科研力量及发展动向。为探究研究机构的分布情况，将网络节点设置成“Institution”，绘制机构分布图，如图3。其中节点代表研究机构，节点大小与发文量成正比，节点间的连线反映机构之间的合作关系。从图3中可以看出，2001-2020年节点数量为312，两两间的合作为94次。图谱中节点大多以孤立形式存在，研究机构分布较为分散，合作并不密切，这说明我国该领域没有形成成熟的学科研究共同体，不利于该领域的深度研究。

发文量排名前10的研究机构中，中国人民警察大学(原武警学院)是该领域论文产出最多的机构，其次是中国矿业大学(北京)、上海消防研究所、西安邮电大学、吉林建筑大学、中国地震局、中国地震应急搜救中心、上海交通大学、西南科技大学和中国建筑科学研究院。从单位性质来看，消防系统和企业发文量较少，高校是该领域研究的中坚力量。同时机构的论文整体产出量不多，不同类型的研究机构合作有待加强，高校及其附属研究机构更注重于理论研究，这说明对该领域的重视程度特别是实战研究有待进一步加强。

2.4 关键词研究可视化分析

关键词是对文章观点及核心内容的高度概括，通过统计分析样本文献的关键词，可以得出一个研究领域的热点。在CiteSpace中，对2001-2020年以每2年为1个切片，绘制关键词共现图谱，如图4。

图4中关键词节点大小与出现频率成正比，连线代表关键词的共现关系，即这些关键词在同一篇文章中出现。“应急救援”“地理信息系统(Geographic Information System，GIS)”“消防”“全球定位系统(Global Positioning System，GPS)”“紫蜂(ZigBee)”等节点较大，说明其出现次数较多，说明定位方式及技术应用的研究是近20年国内应急救援定位技术领域的热点。整理频次大于9的关键词，见下表。其中将GIS同义概念进行合并处理。

表 频次大于9的关键词Tab. Keywords with frequency greater than 9

将关键词共现分析以Timezone的形式展现，如图5。通过时间序列划分，将关键词在不同时间段内呈现。在该领域的发展过程中“消防”“惯性导航”“GPS”“GIS”“ZigBee”等关键词出现较早，基本集中在21世纪初。近几年关注度较高的关键词有“智慧消防”“消防机器人”“卡尔曼滤波”“室内定位”等，说明智慧消防、消防装备定位、室内定位技术及算法成为该领域的新宠而备受关注，我国学者更加关注定位的应用场景、技术融合及定位算法创新的研究，而不再局限于单一技术及场景的研究。

图5 关键词动态前沿图谱Fig.5 Dynamic frontier map of keywords

其中，“消防”“灭火救援”“矿井”“室内定位”“消防机器人”等可归为定位应用研究；“GPS”“GIS”“蓝牙”“RFID”“ZigBee”“UWB”“物联网”等可归为定位方式研究；“RSSI”“卡尔曼滤波”“信号到达时间(Time of Arrival，TOA)”等可归为定位算法研究。它们指向知识基础，体现应急救援定位技术领域的研究现状，基于以上3个方面对我国应急救援定位领域研究进展进行梳理，未来发展趋势主要集中在定位应用、技术融合、算法改进创新的研究中。

(1)定位应用。室内外定位对应急救援具有重要作用，目前应急救援场景中，定位技术主要针对应用场景及对象的研究。在室内火灾等应急救援环境中，室内定位可以获取救援人员及被困人员的位置，在保证人员安全的同时提高营救效率。

煤矿中的定位管理是灾害救援的重要依据，在矿井等特殊环境中，对人员的精确定位是煤矿现代化建设的重要领域。如贺洁茹等提出基于UWB非对称双边双程测距(ADS-TWR)技术的矿井人员定位方案，达到CM级精度，实现井下人员的实时精准定位。

近年来国内外应对灾害事件的实践证明，先进的应急救援装备决定着应急救援的成败，科技发展促进先进技术在应急救援装备上的应用，尤其是GPS、GIS等技术与救援装备的结合，大大提高应急救援效率。先进救援装备的准确定位是保证装备的可靠性及提高救援效率的关键，如陈川等设计基于火焰识别与定位的智能消防炮系统，适用于灭火要求高的场合，无需大型计算机就可实现火灾的智能识别及定位。

在应急救援场景中，无论是对于人员、装备的定位，还是矿井等特殊环境中的位置跟踪，不仅能提高救援效率，还能保证人员安全。不难看出，定位技术应用场景是该领域研究的一个重要方向。

(2)定位方式。由于应急救援场景定位环境的特殊性，目前主流定位技术无法满足实际需求。GPS在户外应用广泛，基本解决户外精确定位的问题，并在应急救援中得到应用。然而，常用室外定位技术在室内环境中精准度急剧降低，无法满足应急救援的需求。目前针对室内定位已涌现出诸多定位技术，主要有GPS、红外线、RFID、蓝牙、WIFI、ZigBee等定位技术，它们各有利弊，尚无一种普适化的技术能够满足当前所有室内应急救援定位需求。通过阅读关键词图谱关键节点文献，可知目前我国学者对应急救援定位技术的研究逐渐由单一技术转向对多源数据融合定位技术的研究。如张开生等基于ZigBee和RFID设计消防员定位系统，提高了定位精度，适用于室内火灾等环境中对遇险消防员的定位。

国内外对单一定位技术应用的研究已较成熟，我国学者已在定位技术融合研究中有所建树，融合多种技术，提高普适性是今后的研究热点。

(3)定位算法。对于室内定位来说，定位效果不仅受到定位硬件的影响，定位算法对其也有较大影响。而目前常用定位算法大致分为2种，分别是基于测距的几何定位方式以及基于RSSI的定位方式，前者主要包括TOA、信号到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)、信号到达角度(Angle of Arrival，AOA)，后者主要包括基于传播损耗模型算法和基于位置指纹的定位算法。不同算法在成本、精度等方面各有特点，适用的场景也存在差异。

合理的运用定位算法，可以提高定位的可靠性。在运用算法降低定位误差时，要尽量减弱环境的干扰，才能最大限度提高定位精度。不难看出，算法的改进创新，提高精准度是该领域未来研究的重要方向。

3 结论

本文通过文献计量法和知识图谱可视化分析，再结合具体文献，对近20年应急救援定位领域的发展状况等进行可视化分析，得出以下结论：

(1)从时间分布上看，该领域研究先后经历萌芽期、初步增长期、过渡期、蓬勃发展期。2018-2020年的文献产出量已超过2001-2010年10年的文献总产出量，显示从稳步增长到快速突破的发展过程，但文献量与该领域的重要性不成正比，对该领域的重视程度有待提高。

(2)从作者合作网络分析得出，作者及不同群体之间合作不够紧密，该领域还没有形成核心作者群。从机构合作网络可看出，中国人民警察大学(原武警学院)、中国矿业大学(北京)、应急管理部上海消防研究所、西安邮电大学、吉林建筑大学、中国地震局、中国地震应急搜救中心、上海交通大学、西南科技大学和中国建筑科学研究院具有较高产出，高校是进行该领域研究的主要阵地，政府和企业研究力度明显不足，各机构之间的合作有待加强。

(3)通过关键词分析可知，该领域的研究热点主要分布在定位技术应用、定位方式、定位算法方面。由于室内救援环境的特殊性，目前国内外在该环境中的研究尚未成熟。随着5G等无线通讯技术的不断成熟，未来应急救援定位技术研究会呈现出定位应用多元化、技术融合化、算法创新化的发展趋势，该领域将朝着高精度、普适性的目标不断发展，研究的深度和广度将进一步提高。